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Refrigeracao e Ar CondicionadoCiclo de Refrigeracao Por Absorcao
Filipe Fernandes de [email protected]
Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia
Universidade Federal de Juiz de Fora
Engenharia Mecanica
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Introducao
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Introducao
I O funcionamento da refrigeracao por absorcao se baseia no fato deque os vapores de alguns fluidos refrigerantes sao absorvidos a frio,em grandes quantidades, por certos lıquidos ou solucoes salinas;
I Se esta solucao binaria concentrada e aquecida, verifica-se umadestilacao fracionada na qual o vapor formado sera rico no fluidomais volatil (fluido refrigerante), podendo ser separado, condensadoe aproveitado para a producao de frio;
I O ciclo de absorcao e similar ao ciclo de compressao de vapor emcertos aspectos, como a utilizacao de um condensador, uma valvulade expansao e um evaporador;
I Os fluidos mais usados no ciclo de absorcao sao o brometo de lıtio(LiBr) e a amonia (NH3) em conjunto com a agua.
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Introducao
I A diferenca entre os ciclos esta no modo em que o refrigerante temsua pressao elevada;
I No ciclo por absorcao, a pressao e elevada da seguinte forma:I O vapor de refrigerante e absorvido por um lıquido. Esse processo
libera calor;I O lıquido tem sua pressao elevada por uma bomba;I Atraves de aplicacao de calor, o refrigerante e retirado do lıquido.
I O ciclo a absorcao e dito um ciclo operado por calor porque a maiorparte do custo de operacao e associada com o fornecimento de calorque libera o vapor do lıquido de alta pressao;
I A bomba consome uma pequena quantidade de trabalho.
I Se o calor pode ser obtido a baixo custo, o sistema de absorcaopode ser atrativo economicamente.
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Introducao
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Ciclo de Absorcao
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Ciclo de Absorcao
I O vapor de baixa pressao que sai do evaporador e absorvido poruma solucao lıquido no absorvedor;
I O processo de absorcao libera calor, por isso o absorvedor precisa serresfriado a agua ou a ar.
I A bomba recebe o lıquido de baixa pressao do absorvedor, eleva asua pressao, e o entrega ao gerador;
I No gerador, calor de uma fonte de alta temperatura expulsa o vaporque tinha sido absorvido pela solucao.
I A solucao lıquida retorna para o absorvedor pela valvula redutora depressao cujo proposito e promover a queda de pressao para manter asdiferencas de pressao entre o gerador e o absorvedor.
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Ciclo de Absorcao
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Ciclo de Absorcao
I Os fluxos de calor de e para os quatro trocadores de calor quecompoem o ciclo de asorcao ocorrem da seguinte forma:
I O calor de uma fonte de alta temperatura entra no gerador,enquanto que calor a baixa temperatura da substancia que esta sendorefrigerada entra no evaporador;
I A rejeicao de calor do ciclo ocorre no absorvedor e condensador atemperaturas tais que o calor possa ser rejeitado para a atmosfera.
I Um trocador de calor pode ser acrescentado ao ciclo basico, paratransferir calor entre as duas correntes de solucoes.
I O trocador de calor aquece a solucao fria do absorvedor em seucaminho para o gerador e esfria a solucao que retorna do geradorpara o absorvedor.
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Ciclo de Absorcao
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Analise Termodinamica do Ciclo por Absorcao
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COP do Ciclo de Absorcao
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Coeficiente de Desempenho do Ciclo de Absorcao
I O COP do ciclo de absorcao e definido como:
COPabs =Capacidade de Refrigeracao
Taxa de Adicao de Calor no Gerador=
Qo
Qg
(1)
I Em geral o COPabs do ciclo de absorcao e muito menor que o COPdo ciclo de compressao de vapor;
I Essa nao e uma desvantagem para ciclos de absorcao, pois a energiana forma de trabalho e muito mais valiosa e cara do que energia naforma de calor.
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Composicao da Mistura
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Composicao da Mistura
I O fluido utilizado e usualmente uma mistura binaria, isto e, misturacom dois componentes: refrigerante ou soluto e o absorvente ousolvente;
I O estado termodinamico de uma mistura nao pode ser determinadosomente atraves da pressao e temperatura, como no caso desubstancias puras;
I Existe a necessidade de se conhecer uma outra propriedade, a qualdenomina-se concentracao.
X =Massa da Substancia que nao e a agua
Massa de Refrigerante + Massa de Absorvente(2)
I As duas misturas de grande uso comercial sao:I Em refrigeracao, solucao de amonia (refrigerante) + agua
(absorvente);I em ar condicionado, solucao de brometo de lıtio (absorvente) + agua
(refrigerante), a qual e menos perigosa que a mistura anterior.
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Balancos
I Devido a presenca de dois fluidos no sistema por absorcao e adicaode mais componentes, a analise termodinamica desse ciclo e umpouco mais complexa;
I Deve-se levar em conta nao so o balanco de energia, mas tambem obalanco de massa do absorvente e refrigerante;∑
minhin −∑
mouthout + Q − W = 0 (3)
∑min =
∑mout (4)
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Balancos
∑minxabs,in =
∑moutxabs,out (5)
∑minxrefri ,in =
∑moutxrefri ,out (6)
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Analise Termodinamica
I Equacao 3 e usado para encontrar o balanco energetico;
I A equacao 4 e o balanco de massa global;
I Equacoes 5 e 6 sao balancos de mass apenas para o absorvene ourefrigerante, respectivamente.
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Sistema Agua-LiBr
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Sistema LiBr-Agua
I Nos sistemas de refrigeracao por absorcao LiBr-Agua, a agua eutilizada como refrigerante e o brometo lıquido e o absorvente;
I Por utilizar agua como refrigerante, nao e possıvel obtencao detemperaturas abaixo de zero e assim sao sistemas empregados emcondicionamento de ar;
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Sistema LiBr-Agua
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Sistema LiBr-Agua
I Condensadorm1 = m2 = m (7)
Qc = m(h1 − h2) (8)
I Valvula de expansao de refrigerante (VER)
m2 = m3 = m (9)
h2 = h3 (10)
I Evaporadorm4 = m3 = m (11)
Qo = m(h4 − h3) (12)
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Sistema LiBr-Agua
I Valvula de expansao de solucao (VES)
m9 = m10 = ms,forte (13)
h9 = h10 (14)
I Absorvedorms,fraca = (1 + λ)m (15)
ms,forte = λm (16)
Qa = m[(h4 − h5) + λ(h10 − h5)] (17)
I Onde λ e o coeficiente de circulacao e e dado por:
λ =Xs,fraca
Xs,forte − Xs,fraca(18)
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Sistema LiBr-Agua
I Trocador de Calor
m6 = m7 = ms,fraca (19)
m8 = m9 = ms,forte (20)
QTC = (1 + λ)m(h7 − h6) (21)
QTC = λm(h8 − h9) (22)
I Geradorm7 = m8 + m1 (23)
Qg = m[(h1 − h7) + λ(h8 − h7)] (24)
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Sistema LiBr-Agua
I Bomba de Solucao
m5 = m6 = ms,fraca (25)
WB = ms,fraca(h6 − h5) = (1 + λ)m(h6 − h5) (26)
WB = (1 + λ)mvs,fraca(P6 − P5) (27)
WB = (1 + λ)mvs,fraca(Pc − Pe) (28)
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Sistema LiBr-Agua
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Sistema LiBr-Agua
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Sistema LiBr-Agua
I Pode-se tambem utilizar as propriedades de cada componente damistura separadamente.
hsol = XihLiBr + (1 − Xi )hH2O (29)
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Sistema LiBr-Agua
I Fontes termicas para sistemas de refrigeracao Agua-LiBr:I Sistemas de alta capacidade empregam vapor de agua ou agua
quente;I Sistemas de baixa capacidade empregam oleo ou agua;I Sistemas de unico estagio tıpicos necessitam de fontem termica a
aproximadamente 120°C para produzir agua a 7°C, para ocondensador operando a aprox 46°C e o absorvedor operando a aprox.40°C
I os COPs variam de 0,6 a 0,8 para sistemas de unico estagio e 1,2 a1,4 para sistemas de multiplo estagio
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Sistema LiBr-AguaI Exemplo 1 -Dado o ciclo de absorcao da figura, determine: a taxa
de transferencia de energia em cada componente e o COPabs dociclo, sabendo que a concentracao da solucao forte e X8 = 0, 664 ea concentracao da solucao fraca e X5 = 0, 5.
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Sistema Agua-Amonia
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Sistema Agua-Amonia
I Nestes sistemas, a amonia e o refrigerante e a agua o absorvente;
I Apresentam maior versatilidade que os sistemas baseados emAgua-LiBr pois podem ser empregados para resfriamento atemperaturas abaixo de 0°C (refrigeracao) e tambem temperaturasacima de 0°C (ar condicionado);
I Entretanto sao sistemas mais complexos tanto no projeto quanto naoperacao, devido a menor diferenca dos pontos de ebulicao dorefrigerante e absorvente (∼= 133°C )
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Sistema Agua-AmoniaI Por este motivo, o vapor gerado no gerador de vapor e composto
por amonia e agua, o que acarreta as seguintes caracterısticasnegativas:
I Transferencia de calor no evaporador e condensador nao ocorre atemperatura constante;
I Aumento da temperatura de evaporacao;I Evaporacao incompleta;I Acumulo de agua no evaporador, gerando mal funcionamento do
sistema;I Aumento da razao de circulacao.
I Para atenuar estes efeitos, e necessario minimizar a concentracao devapor de agua na amonia na entrada do condensador;
I Isso e realizado pela utilizacao de uma coluna de retificacao e umdephlegmator entre o gerador e o absorvedor. Emprega-se tambemum trocador de calor de sub-resfriamento;
I A adicao destes componentes aumenta a complexidade do sistema,custo e reduz o COP quando comparado aos sistemas que empregamAgua-LiBr
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Sistema Agua-Amonia
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Sistema Agua-Amonia
I Funcao da coluna de retificacao e do dephlegmator:I A funcao da coluna de retificacao e do dephlegmator e reduzir a
concentracao de agua na saıda do gerador;I Neste caso, o percentual de agua e inferior a 1%, ao inves de 5% sem
a utilizacao destes equipamentos;I A coluna de retificacao e projetada de modo que o tempo de
residencia dos fluidos seja elevada, levando a elevadas taxas detransferencia de calor e massa sejam atingidas;
I Em geral e do tipo contra-corrente;
I Funcao da trocador de calor de sub-resfriamento:I Em geral e do tipo contra-corrente;I Aumentar o efeito de refrigeracao;I Garantir a entrada de lıquido na valvula de expansao de refrigerante;
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Sistema Agua-Amonia
I Funcionamento do sistema de refrigeracao com agua-amonia:I Tem-se vapor a baixa pressao e baixa temperatura na saıda do
evaporador, ocorrendo troca termica no trocador de calor desub-resfriamento;
I O refrigerante adentra o absorvedor, em que e absorvido pela solucaofraca em amonia advinda da valvula de expansao;
I A taxa de transferencia de calor associada a absorcao e rejeitada paraa fonte termica externa;
I A solucao rica em amonia e bombeada pela bomba de solucao ate apressao do gerador de vapor;
I Esta solucao a elevada pressao e pre-aquecida no trocador de calor IIantes de se dirigir ao gerador de vapor;
I No gerador de vapor, taxa de transferencia de calor e realizada e,como resultado, tem-se formacao de vapor de amonia e agua;
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Sistema Agua-Amonia
I Funcionamento do sistema de refrigeracao com agua-amonia:I Na coluna de retificacao, as temperaturas do vapor e da agua sao
reduzidos;I No dephlegmator, o vapor de agua e resfriado e condensado, sendo
entao removido da mistura. Este processo e exotermico, ou seja,ocorre transferencia de calor para as vizinhancas;
I O vapor na saıda do dephlegmator e praticamente puro em amonia sedirige ao condensador, rejeitando calor para o ambiente externo;
I Ao passar pelo trocador de calor de sub-resfriamento, o lıquido atingeum determinado grau de subresfriamento;
I O lıquido se dirige ao dispositivo de expansao e posteriormente aoevaporador, onde ocorre o efeito de refrigeracao;
I Ocorre transferencia de calor e massa entre a agua condensada(formada no dephlegmator) e a solucao rica na coluna de retificacao;
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Sistema Agua-Amonia
I A solucao fraca em refrigerante se dirige ao trocador de calor dasolucao, sendo resfriada (pre-aquece a mistura rica);
I A solucao fraca ainda em alta pressao expande novamente antes deretornar ao absorvedor, reiniciando o ciclo.
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Sistema Agua-AmoniaI Coluna de retificacao e dephlegmator:
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Sistema Agua-Amonia
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Sistema Agua-Amonia
I Condensadorm10 = m11 = m (30)
Qc = m(h10 − h11) (31)
I Valvula de expansao de refrigerante (VER)
m12 = m13 = m (32)
h12 − h13 (33)
I Evaporadorm13 = m14 = m (34)
Qo = m(h14 − h13) (35)
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Sistema Agua-Amonia
I Valvula de expansao de solucao (VES)
m7 = m8 = ms,fraca (36)
h7 − h8 (37)
I Absorvedorm + ms,fraca = ms,forte (38)
ms,fraca = λm (39)
ms,forte = (λ+ 1)m (40)
λ =1 − Xs,forte
Xs,forte − Xs,fraca(41)
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Sistema Agua-Amonia
I AbsorvedorQa = m[(h1 − h2) + λ(h8 − h2)] (42)
I Bomba de solucao
m3 = m2 = ms,forte (43)
WB = (1 + λ)ms,fortevsol(P3 − P2) (44)
I Trocador de calor Im11 = m12 = m (45)
m14 = m1 = m (46)
QTCI = m(h12 − h11) = m(h1 − h14) (47)
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Sistema Agua-Amonia
I Trocador de calor II
m6 = m7 = ms,fraca (48)
m3 = m4 = ms,forte (49)
QTCII = (1 + λ)m(h3 − h4) = λm(h6 − h7) (50)
I Geradorm4 + m6 = m10 (51)
Qg − Qd = m[(h10 − h4) + λ(h6 − h4)] (52)
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