Aula 02 - Absorcao
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Máquinas Térmicas
Prof Ewandro J de Souza
Tema: Refrigeração por Absorção
1. Definição
2. Aplicações
3. Funcionamento
4. Rendimento
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Refrigeração por Absorção
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Contexto histórico e conceito
O francês Ferdinand Carré inventou o sistema de absorção e
tirou uma patente nos Estados Unidos em 1860.
O funcionamento da refrigeração por absorção se baseia no fato
de que os vapores de alguns fluidos frigorígenos são absorvidos a frio,
em grandes quantidades, por certos líquidos ou soluções salinas,
formando uma solução líquida (mistura).
Se esta solução líquida concentrada é aquecida, verifica-se uma
destilação fracionada na qual o vapor formado será rico de fluido
frigorígeno, podendo ser separado, retificado, condensado e
aproveitado para a produção de frio, como nas máquinas de
compressão mecânica.
Refrigeração por Absorção
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Adsorção e absorção
Uma substância irá absorver a outra sem interação química entre
elas.
A absorção irá acontecer quando uma dessas estiver em uma
temperatura mais baixa e a separação quando esta estiver numa
temperatura mais alta.
Se essa substância for um sólido o processo será chamado de
adsorsão, se ela for líquida, absorção.
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Adsorção
Sistemas de adsorção em sólidos se baseiam nos princípios
descobertos em 1824 pelo cientista britânico Michael Faraday em seus
experimentos ele estudou a liquefação da amônia.
Ele expôs vapor de amônia a um pó, cloreto de prata.
Quando o cloreto de prata absorveu todo o vapor, ele forneceu
calor. Isto resultou na formação de um líquido. Contudo, quando o
calor foi removido, ele percebeu que o líquido começou a "ferver". Ele
evaporava, retirando calor do ambiente.
Nos dias de hoje, os sistemas de adsorção se utilizam desse
mesmo fenômeno.
Refrigeração por Absorção
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Refrigeração por absorção
Princípio de funcionamento
O ciclo de compressão de vapor é descrito como um ciclo operado
a trabalho por que a elevação da pressão do refrigerante é
conseguida por um compressor que requer trabalho.
O ciclo de absorção é operado a calor porque a maior parte do
custo de operação é associada com o fornecimento de calor que
libera o vapor do líquido de alta pressão.
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Funcionamento
No evaporador há vapor de refrigerante de baixa pressão,
que é absorvido por uma solução no absorvedor.
Caso a temperatura desta solução se eleve a absorção de
vapor poderia cessar. Para evitar isto, o absorvedor é
resfriado por água ou ar.
A solução no absorvedor é dita concentrada, pois contém
grande quantidade de refrigerante.
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Uma bomba eleva a pressão da solução concentrada e
faz com que esta entre no gerador.
No gerador ocorre a adição de calor fazendo com
que o refrigerante volte ao estado de vapor.
Este vapor está em elevadas temperatura e pressão.
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Funcionamento
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A solução líquida, que agora tem baixa concentração
de refrigerante, retorna ao absorvedor por válvula
redutora de pressão.
O objetivo da presença desta válvula é manter a
diferença de pressão entre o absorvedor e o gerador.
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Funcionamento
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No condensador há passagem de água fria, que resfria
o vapor e condensa o refrigerante.
O refrigerante vai para o evaporador através de uma
válvula de expansão.
No evaporador ocorre a passagem de um fluido que
será resfriado (troca de calor com o refrigerante).
Este é o efeito de refrigeração.
Refrigeração por Absorção
Funcionamento
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Refrigeração por Absorção
Lado esquerdo
Pressão mais baixa que
a ambiente.
O líquido refrigerante
evapora mesmo à
temperatura ambiente,
retirando energia do
meio “gerando o frio”.
O frio é capturado por
um fluido que se faz
passar pelo evaporador
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Refrigeração por Absorção
Lado direito
A solução concentrada é
injetada no evaporador onde
encontra o vapor de
refrigerante.
Faz-se passar um fluido em
temperatura ambiente para
resfriar o vapor e solução
concentrada, que por sua
afinidade se misturam
novamente tornando-se a
solução diluída inicial, que é
bombeada novamente ao
gerador
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• O refrigerante não é comprimido entre o condensador e o evaporador;
• O refrigerante é absorvido por uma substância secundária
(absorvente), formando uma solução líquida;
• Esta solução líquida é bombeada a uma alta pressão, requerendo
uma quantidade significativamente menor de trabalho.
Logo: sistemas de refrigeração por absorção necessitam de menor
potência de acionamento quando comparado com os sistemas de
compressão de vapor, visto até aqui.
Refrigeração por Absorção
Conclusões
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Vantagens
1. Sistemas de absorção necessitam de menor consumo de energia
elétrica que os sistemas de compressão de vapor;
2. São silenciosas e livres de vibração;
3. Calor recuperado pode ser utilizado como fonte energética (em
substituição ao compressor) em ciclos de absorção;
4. Não causam dano à camada de ozônio e podem ter menor impacto
no aquecimento global do que outras opções;
5. São economicamente atrativas quando os custos dos combustíveis
são substancialmente menores que os de energia elétrica, com o
custo do combustível de 12 a 20 % do custo da energia elétrica.
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Fontes de Calor
Querosene;
Gás natural;
Vapor;
Energia elétrica;
Energia solar.
Refrigeração por Absorção
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Composição das misturas
O estado termodinâmico de uma mistura não pode ser
determinado somente através da pressão e temperatura, como no
caso de substâncias puras. Existe a necessidade de se conhecer
uma outra propriedade: concentração, X.
As duas misturas de grande uso comercial são:
- em refrigeração, solução de amônia (refrigerante) + água
(absorvente).
- em ar condicionado, solução de brometo de lítio (absorvente) +
água (refrigerante).
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Sistemas de absorção intermitente
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
A amônia misturada com água em
um tanque vedado ou gerador. Em
seguida um queimador a querosene o
aquece.
O calor vindo do queimador retira a
amônia da mistura na forma de vapor.
Este vapor é forçado pra cima por uma
bomba através de um condensador.
O condensador fica imerso em um
tanque de água no alto do refrigerador.
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Sistemas de absorção intermitente
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
A água contida no tanque refrigera
o vapor de amônia contido no
condensador que se condensa a uma
pressão alta.
Esta amônia líquida flui através de
um cano para um tanque: "liquid
receiver").
A partir daí ela passa para o
evaporador, que é imerso em
salmoura.
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Sistemas de absorção intermitente
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
O processo continua por um curto
espaço de tempo até que o querosene
acabe. O absorvedor esfria até a
temperatura do sistema, entretanto a
amônia evapora em temperaturas mais
baixas no evaporador, isto ocorre
porque como o gerador esfria, ele
tende a reabsorver o vapor de amônia.
Portanto isso reduz a pressão e
permite que a amônia líquida no
evaporador entre em ebulição a uma
temperatura baixa: efeito de
refrigeração desejado.
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Sistemas de absorção contínuo
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
O sistema geralmente utiliza água,
amônia e hidrogênio.
A grande quantidade de hidrogênio no
evaporador permite que a amônia evapore:
↓ P e ↓ T –efeito de refrigeração.
Este vapor de amônia se mistura com o
hidrogênio que estava no evaporador.
Na parte superior do absorvedor, a
solução encontra a mistura de hidrogênio e
vapor de amônia. A fraca e razoavelmente
fria solução absorve o vapor de amônia.
O gás hidrogênio fica livre visto que não
se mistura com a água. Como o hidrogênio
também possui uma densidade pequena ele
sobe até a parte superior do absorvedor,
dali ele retorna para o evaporador.
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Sistemas de absorção contínuo
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
O absorvedor possui aberturas para
troca de calor com o ar. O resfriamento
da solução fraca ajuda a reabsorção de
gás amônia da mistura gás hidrogênio-
vapor de amônia.
Quando a água absorve vapor de
amônia uma quantidade considerável
de calor é liberado.
As aberturas de ventilação removem
esse calor permitindo que a
refrigeração continue.
A mistura líquida de água e amônia
volta para o gerador e o ciclo
recomeça.
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Sistemas de absorção contínuo com bomba
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
Geralmente utilizam amônia como refrigerante. Eles usam uma solução
aquosa de amônia como absorvedor.
Trocadores de calor mais comum: gás natural, vapor ou GLP, também
podendo utilizar calor residual de alguma fonte.
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Sistemas de absorção contínuo com bomba
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
O sistema opera sob duas pressões. A alta pressão é entre 1484kPa e
2174kPa. A baixa pressão é entre 380kPa e 518kPa. As partes de alta e baixa
pressão são separadas por válvulas de estrangulamento, uma bomba ou
outros equipamentos de controle.
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
Solução BrLi e água entra no
gerador, sendo aquecida liberando
vapor de água, que segue ao
condensador.
Após a redução da pressão da água,
esta segue para o evaporador, onde
irá retirar calor da água de processo
(água gelada do sistema de
condicionamento de ar).
O vapor de água de baixa pressão é
então absorvido pelo BrLi contido no
absorvedor.
No ciclo, o trabalho da bomba para a
circulação do fluido é muito pequeno,
uma vez que a bomba opera com
líquido de baixo volume específico.
Refrigeração por Absorção
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Simples Efeito – Fogo indireto (a vapor)
Refrigeração por Absorção
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Simples Efeito – Fogo indireto (a vapor)
Refrigeração por Absorção
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Duplo Efeito – fogo indireto
Os principais componentes são análogos ao sistema de simples efeito, excetuando-se o gerador primário, condensador, trocador de calor e trocador de calor de subresfriamento de condensado.
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Duplo Efeito – Fluxo em série
Toda a solução que deixa o absorvedor é enviada para uma bomba e em seguida passa, sequencialmente, pelo trocador de calor de baixa temperatura, tocador de calor de alta temperatura, gerador do primeiro estágio, gerador do segundo estágio, trocador de calor de baixa temperatura e absorvedor
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Duplo Efeito – Fluxo série-reverso
A solução que deixa o absorvedor é bombeada através do trocador de calor de baixa temperatura e em seguida enviada para o gerador do 2º estágio. Neste ponto a solução é dividida em dois fluxos: para o trocador de calor de baixa temperatura e depois para o absorvedor.
O outro fluxo passa sequencialmente por uma bomba, trocador de calor de alta temperatura, gerador do 1º estágio e trocador de calor de alta temperatura. Este fluxo reencontra a solução que sai do gerador de segundo estágio e ambos os fluxos passam pelo trocador de baixa temperatura, indo para o absorvedor.
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Duplo Efeito – Fluxo paralelo
A solução que deixa o absorvedor é bombeada através de partes adequadas do trocador de calor combinado de alta e baixa temperatura, sendo em seguida dividida em dois fluxos, um que vai para o gerador do primeiro estágio e outro que vai para o segundo estágio. Os dois fluxos retomam para as partes apropriadas do trocador de calor combinado, são misturadas e enviadas para o absorvedor
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Vantagens do Duplo Efeito
• consomem vapor a pressões moderadas, de 6,5 a 10 bar, ou
então líquidos com temperaturas de150 a 200ºC.
• coeficientes de eficácia típicos vão de1,1 a 1,2.
• produz uma capacidade de resfriamento de cerca de 50 a
80% superior à de um sistema de simples efeito, para um
mesmo consumo de energia.
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Duplo Efeito de Fogo Direto
Combustível – gás ou óleo
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Sistemas de absorção - BrLi e água
Duplo Efeito de Fogo Direto
Combustível – gás ou óleo
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Exercício
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
O vapor de amônia a baixa pressão, que deixa o evaporador, entra no absorvedor onde
é absorvido pela solução fraca de amônia.
A solução forte de amônia é então bombeada através de um trocador de calor ao
gerador (onde são mantidas uma alta pressão e uma alta temperatura).
O vapor de amônia se separa da solução e vai para o condensador, onde é
condensado, como no sistema de compressão de vapor, e então se dirige para a válvula de
expansão e para o evaporador, onde absorve calor do meio que ou refrigerante secundário.
A solução fraca de amônia retorna ao absorvedor através do trocador de calor.
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Análise termodinâmica em regime permanente
Considere o ciclo de BrLi e água
Refrigeração por Absorção
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Análise termodinâmica em regime permanente
Considere o ciclo de BrLi e água
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Análise termodinâmica em regime permanente
Considere o ciclo de BrLi e água
Refrigeração por Absorção
Refrigeração por Absorção
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- Tecnologia de Refrigeração por absorção; - Sem compressor, sem partes moveis, completamente silencioso; - Utilizam gás R717 para a troca de calor; - O funcionamento se dá através de uma resistência elétrica de 75 watts; - O consumo de energia é linear, sem picos de partida; - A economia de energia chegará acima de 40%; - Com a temperatura ambiente de 25 graus, a temperatura interna pode atingir até 0°; - Luz de led interna; - Design Compacto; - Fácil Transporte.
Aplicações - residencial