Refrigeração

1. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERALDE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E INOVAÇÃO
RELATÓRIO PARCIAL
(2015– 2016)
Refrigeração por Absorção
Análise do sistema termodinâmico de uma unidade de absorção H2O/NH3
Relatório Parcial apresentado à
Pró-Reitoria de Pesquisa, Pós-
graduação e Inovação como parte
dos requisitos do Programa de
Iniciação Científica do IFPE, sob
orientação do(a) Prof(a). Felipe
Vilar
Aluscka Aretuza Vieira Silva
CAMPUS
FEV/2016

2. 2
1. INTRODUÇÃO
Ao longo dos tempos, a busca por um sistema de geração e distribuição de energia
elétrica a custos baixos tem se tornado frenético, a crise diante do setor elétrico também
proporcionou essa busca desenfreada que estimulou o uso do gás natural novamente, abrindo
oportunidades para o ciclo de refrigeração por absorção e outros recursos ligados a um maior
aproveitamento energético, para fins úteis, de calor residual de diferentes processos. Portanto, a
importância e aplicabilidade dos sistemas de absorção com utilização de energia térmica
residual é indiscutível. Os sistemas de refrigeração por absorção são um dos mais antigos
métodos de refrigeração, são baseados em sua maioria, na mudança de fase de um fluido a
condições controladas e é amplamente utilizada na variedade de aplicações de engenharia
térmica. A mesma é definida como o processo de remoção de calor a partir do espaço fechado,
ou a partir de uma substância, e rejeitando-a em outra parte para a finalidade principal de
diminuir a temperatura do espaço fechado ou substâncias e manter a temperatura mais baixa.
Com esse processo, é possível efetuar a transferência de energia de um local para outro,
permitindo o resfriamento controlado de um meio específico.
Nos ciclos de refrigeração, é utilizada energia térmica como força motriz do sistema,
substituindo o compressor por um conjunto de trocadores (gerador-absorvedor) em se tratando
dos componentes principais (Gordon, 2000). O desempenho de um sistema de refrigeração de
absorção é criticamente depende das propriedades termodinâmicas de trabalho fluidos (Perez,
1984). Uma pesquisa de fluidos de absorção fornecido por Marcriss (Marcriss et al., 1998)
sugeriu que havia 40 compostos refrigerantes e 200 compostos absorventes disponíveis. Abaixo,
segue uma tabela demonstrando algumas principais substâncias utilizadas no ciclo.
Tabela 1.1: Pares Refrigerante-Absorvente
No Brasil, sua capacidade de expansão torna-se crescente, embora não seja tão utilizada,
essa tecnologia vem ganhando espaço no mercado, as vantagens da utilização da refrigeração
por absorção são diversas: Seus fluidos utilizados para o funcionamento não atinge a camada de
Ozônio, não contribui para o aquecimento global, a substância também é 100% natural e por
isso de fácil disponibilidade muitas vezes na atmosfera, seu custo de aquisição é baixo, é de
baixa densidade do vapor e do líquido, requer menores diâmetros de tubulação, trabalha com
baixa perda de carga, geralmente os fluidos utilizados tem um cheiro forte facilitando a
percepção de vazamento. Porém, existem alguns fatores que o fluido de trabalho não contribui
como a limitada compatibilidade de materiais, incluindo ligas de cobre, o próprio cobre e ainda

3. 3
limitações com plásticos, tem uma alta toxidade, sendo explosivo dentro de concentrações de 15
a 28% em volume no ar.
Vários pesquisadores têm estudado o desempenho de sistemas de refrigeração por absorção,
utilizando diferentes tipos de fluidos de trabalho, no entanto, o fluidos de trabalho que são mais
conhecidos e utilizados com frequência são LiBr e H2O e NH3 e H2O. A tabela 1.2 apresenta as
principais diferenças entre ciclo de refrigeração por absorção com seus dois principais fluidos
de trabalho, ressaltando as vantagens e desvantagens de cada.
Tabela 1.2: Diferença entre os sistemas de absorção mais utilizados
NH3 e H2O
 Pressão positiva no ciclo (Não
apresenta infiltração);
 Condensação em altas
temperaturas, permitindo
condensação a ar;
 Permite reaproveitamento de calor;
 Não necessita de manutenção
frequente;
 Não utiliza refrigerante que ataca a
camada de ozônio ou substância
cancerígena;
 Menor rendimento térmico do
ciclo;
 Não precisa de química ara
tratamento de fungos e bactérias;
 Capacidade de atingir temperaturas
negativas;
 Não necessita de torre de
resfriamento à agua;
 Não necessita de bomba a vácuo;
 Menor consumo elétrico;
 Não compatível com cobre e suas
ligas.
LiBr e H2O
 Pressão negativa no ciclo;
 Baixa temperatura de condensação;
 Não permite reaproveitamento de
calor;
 Manutenção frequente,
principalmente na torre de
resfriamento;
 Não utiliza refrigerante que ataca a
camada de ozônio ou substância
cancerígena;
 Maior rendimento térmico do ciclo;
 Alto consumo de água e química
fungicida e bactericida;
 Capacidade de atingir temperaturas
negativas;
 Necessita de torre de resfriamento à
agua;
 Necessita de bomba a vácuo;
 Maior consumo elétrico;
 Não tóxico, muito aplicado em
sistemas de ar condicionado.
A Amônia (R-717) foi um dos primeiros fluidos refrigerantes a ser utilizado na área de
refrigeração, utilizado inicialmente em ciclos de absorção e logo em seguida, também nos ciclos
de compressão a vapor. Suas propriedades atraíram o público com ênfase em seu preço (US$
1,05/kg de amônia em comparação com US$ 9,22/kg do fluido refrigerante CFC-22) e suas
características térmicas comparado com outros fluidos refrigerantes. Nessas condições, a
amônia continuou a ganhar espaço ao longo dos anos, dominando o mercado de refrigerantes
num segmento denominado refrigeração industrial ou de grande porte. Os sistemas a amônia são
responsáveis pela refrigeração de grande parte das indústrias alimentícias, laticínios, de bebidas,

4. 4
frigoríficos e abatedouro de gado e aves. Seus maiores consumos no país são em grandes
cidades como Rio de Janeiro, Recife, Salvador, São Paulo entre outros.
Nos últimos anos, houve um crescente interesse na utilização dos princípios de análises
térmicas e sua respectiva avaliação do seu desempenho. A modelagem termodinâmica de
sistemas de refrigeração por absorção é uma importante ferramenta para avaliação do
comportamento do mesmo para diversas condições de funcionamento. Com resultados de
simulações é possível determinar a configuração ótima para uma operação em regime
permanente ou transiente, possibilitando também o desenvolvimento de sistemas de controle
dos componentes ou da instalação completa, dentro deste contexto, o trabalho pretende
contribuir nos avanços e otimização do ciclo, tendo em mãos as análises termodinâmicas
energéticas e exergéticas.
2. OBJETIVOS
Este trabalho visa os seguintes objetivos:
 Compreender o funcionamento do sistema de refrigeração por absorção;
 Desenvolver um modelo matemático para simular um sistema de refrigeração
por absorção, envolvendo H2O/NH3 de simples efeito;
 Analisar energeticamente e exergeticamente o sistema proposto a partir de
dados iniciais de uma máquina específica da Robur;
 Propor a comparação entre os dados finais desenvolvidos pelo software
utilizado (EES) com os dados de saída fornecidos pela máquina.
3. METODOLOGIA DO TRABALHO
O trabalho está sendo desenvolvido sobre a plataforma EES (Engineering Equation
Solver) que se baseia no método Newton-Raphson para a solução de um sistema linear; foram
realizados levantamentos bibliográficos sobre a refrigeração por absorção e treinamento
utilizando o software explicitado. Será utilizado para a análise o balanço de massa, concentração
da substância amônia utilizada no ciclo, e de energia. Os equacionamentos de fluxo de calor
serão implantados no software para completar o modelo, juntamente com as suas análises
exergéticas. O modelo adotou algumas simplificações para a modelagem do sistema como, a
mistura de líquido e vapor está em equilíbrio termodinâmico, a bomba circula a uma taxa de
fluxo volumétrico constante, a capacidade térmica da parede dos componentes foi negligenciada
e a solução envolvida na serpentina é considerada incompressível.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A princípio, o bolsista apresentou uma revisão bibliográfica dos principais trabalhos
relacionados ao tema, abrangendo os assuntos: sistemas de refrigeração por absorção, análises
energética e exergética de sistema de refrigeração, aplicações experimentais e otimização
termodinâmica.
Carnot (1796-1832) foi o fundador da termodinâmica como disciplina teórica, seu
objetivo maior era obter máquinas a vapor com uma eficiência cada vez maior, expressando
esse desejo em seu manuscrito Réflexions publicada em 1824, sendo sua única publicação em
vida. Esse livro relata a interligação entre calor e trabalho, explica o que seria o calor (também

5. 5
chamado por ele de poder calorífico) de uma máquina térmica e introduz o conceito de ciclo,
discutindo a possibilidade de um ciclo reversível. Nascimento, C. et al. (2004) afirma que
Carnot estava consciente da conservação de energia e do equivalente mecânico do calor, como
expressa em sua obra, páginas 19 e 20 da edição original do livro.
“A partir de nossas primeiras operações, houve ao mesmo tempo produção de potência
motriz e transferência do calorífico do corpo A para o corpo B; por operações inversas, há ao
mesmo tempo gasto de potência motriz e retorno do calorífico do corpo B ao corpo A. Mas se
tivéssemos agido, em cada caso, com a mesma quantidade de vapor, e se não fosse produzida
nenhuma perda de potência motriz produzida no primeiro caso seria igual àquela gasta no
segundo, e a quantidade de calorífico passada, no primeiro caso, do corpo A ao corpo B, seria
igual à quantidade de passa de volta, no segundo, do corpo B ao corpo A, de modo que
poderíamos fazer um número indefinido de operações alternativas desse tipo sem que se tenha,
no balanço global, nem potência motriz produzida nem calorífico transferido de um corpo ao
outro.”
Depois da morte de Carnot, um engenheiro civil Francês se dedicou a estudar as
análises feitas por Carnot até então sem sentidos para a sociedade. A interpretação de Clayperon
contribuiu para que o trabalho de Carnot fosse reconhecido e adotado pela comunidade
cientifica. Ele teve o mérito por esclarecer e definir com mais clareza a equação dos gazes
perfeitos, que se determinou como a equação de Clapeyron. Esta relação determina a variação
de entalpia associada com mudança de fase, com o conhecimento de apenas pressão, volume e
temperatura.
(
𝑑𝑃
𝑑𝑇
)
𝑠𝑎𝑡
=
∆ℎ
𝑇.∆𝑣
(𝐼)
O cientista alemão Julius Robert Mayer desenvolveu a primeira lei da termodinâmica,
também chamada de lei da conservação de energia e é considerada uma das maiores conquistas
para a física. Por isso, alguns autores consideram Mayer como o pai da termodinâmica. Em
1850 e 1851, Willian Thomson, também chamado de Lord Kelvin e Rudolf Clausius
desenvolveram as premissas e enunciados que formularam a segunda lei da termodinâmica com
base nas publicações de Carnot e Clapeyron. Porém, apenas em 1887, Clausius expressa a
equação como conhece-se atualmente
𝑑𝑄 = 𝑑𝑈 + 𝑑𝑊 (𝐼𝐼)
Onde dQ é o calor, dU a energia no corpo e dW o trabalho externo, definida por Clausius.
Com base no trabaho de Clausius, Josiah Willard Gibbs (1839-1903) explica em sua
obra Methods in the thermodynamics if fluids a utilidade dos gráficos no âmbito da
termodinâmica e expressa a entropia como um conceito essencial tal como energia, temperatura,
pressão e volume desenvolvendo sua equação.
𝑑𝑈 = 𝑇. 𝑑𝑆− 𝑝. 𝑑𝑉 (𝐼𝐼𝐼)
A partir disso, Gibbs expressou a exergia como:

6. 6
𝜓 = (ℎ − ℎ0)− 𝑇0( 𝑠 − 𝑠0) +
𝑉2
2
+ 𝑔𝑧 (𝐼𝑉)
Onde
𝜓 = Exergia,
h= entalpia,
V = volume,
T0 = temperatura do meio,
S = entropia.
A energia se manifesta de diversas formas e com suas respectivas qualidades (capacidade
para causar mudanças) e características. Kotas em 1985, descreve quatro formas de energia
ordenada:
1. Conversão de uma forma de energia ordenada em outra forma de energia. Se o processo
for reversível, a conversão se completa;
2. Transferência de energia ordenada entre dois sistemas. Manifesta-se, somente, como a
interação de trabalho, pois, o trabalho é a energia ordenada em trânsito;
3. Transferência reversível de uma energia ordenada. Ocorre sem mudança alguma nas
entropias dos sistemas que interatuam e pode ser analisada, somente, com a ajuda da
primeira lei, sem precisar do apoio da segunda lei
4. Transferência de energia de alto grau entre dois sistemas. Os parâmetros do meio
ambiente não são requeridos para o seu cálculo.
O teorema da exergia destruída, ou também chamado de trabalho perdido, segundo
Rodriguez, J. M. L (2005) estabelece que a destruição de exergia seja proporcional ao produto
da temperatura ambiente e geração de entropia do sistema.
𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 = 𝑊𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑇0. 𝑆 𝑔𝑒𝑟 (𝑉)
Essa análise foi utilizada para obter os dados do ciclo de refrigeração por absorção
água-amônia desejados no projeto. Para que o mesmo seja executado, foram feitos
levantamentos bibliográficos sobre o ciclo e suas peculiaridades. Um ciclo típico de refrigeração
de simples efeito consiste em quatro componentes básicos, um evaporador, um absorvedor, um
gerador e um condensador.
Figura 4.1: Ciclo de refrigeração por absorção de simples efeito

7. 7
O ciclo de arrefecimento começa no evaporador, onde refrigerante ferve, o que produz o
"frio" desejado no espaço refrigerado. O vapor refrigerante lança seu calor latente absorvido por
um absorvente líquido no absorvedor. É necessário separar o refrigerante a partir do absorvente,
que será feito no gerador. Uma bomba leva a solução para o gerador, que é aquecida por uma
fonte de calor (por exemplo, vapor, água quente, célula solar). A solução é aquecida e o vapor
do refrigerante expulsos. Parte da solução é estrangulada de volta para o absorvedor de um
trocador de calor de solução, normalmente localizada entre o absorvedor e o gerador, fazendo o
processo mais eficiente sem alterar o seu funcionamento básico. Subsequentemente, o
condensador volta para o estado líquido e então, o ciclo continua após o refrigerante passar
através de uma válvula de expansão.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho atingiu parcialmente seu objetivo maior, sendo analisados quatro
dos seis componentes compostos pelo ciclo de refrigeração por absorção envolvendo água-
amônia para comprovar a correlação entre os dados obtidos na simulação de sistemas reais.
Pesquisas bibliográficas constantes estão sendo realizadas para o aperfeiçoamento das
simulações e formação acadêmica do aluno. O programa está se mostrando flexível e eficaz na
análise do sistema do ciclo, os resultados das simulações foram baseados no modelo GAHP-W,
da empresa Robur.
6. DIFICULDADES E SOLUÇÕES
Como não havia conhecimento de muitas características construtivas fundamentais,
foram adotados alguns dados de entrada requeridos pela simulação, limitando o alcance da
mesma. Os dados experimentais obtidos até o momento são, apenas, vazões e temperaturas de
entrada e saída de água, explicitadas em detalhes por Pereira (2006). As escolhas dos dados
arbitrários estão dentro de uma faixa de valores aceitáveis, porém, introduziu uma larga faixa de
incerteza na modelagem, o que se refletiu nos resultados finais.
A substância utilizada no ciclo é uma mistura e sua aplicação difere um pouco do que as
substâncias puras, onde o software contém em sua biblioteca interna. Portanto as propriedades
da mistura água-amônia foram determinadas por meio da biblioteca externa NH3 / H2O. A rotina
de propriedades desta biblioteca baseia-se nas correlações descritas por Ibrahim e Klein (1993).
7. PARTICIPAÇÃO EM CURSOS, REUNIÕES CIENTÍFICAS E PUBLICAÇÕES (NO
CASO DE PROJETO DE PESQUISA)

8. 8
8. ANEXOS
Para o desenvolvimento deste trabalho utiliza-se um sistema de absorção água amônia
de simples efeito fabricado pela empresa italiana ROBUR. O equipamento utilizado é o modelo
GAHP-W.
Figura 8.1: Modelo GAHP-W analisado
No sistema, as substâncias binárias não tem uma única temperatura de ebulição ou
condensação, pois, a concentração em que a mistura estará influencia diretamente nas condições
de equilíbrio da mesma. A partir dessas proposições, o diagrama entalpia-concentração mostra-
se o mais eficaz em relação a essas soluções.

9. 9
Figura 8.2: Plano h-x para a mistura água e amônia
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARAÚJO, J. J. P.; Simulação de uma unidade de refrigeração por absorção usando o par
amônia/água nos regimes permanentes e transientes. João pessoa, 2010. Tese de doutorado,
Universidade Federal da Paraíba.
CONDE,M., Thermophysical properties of {NH3 + H2O} solution for the industrial design of
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D. Colorado, W. Rivera, Performance comparison between a conventional vapor compression
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Departamento de Engenharia Mecânica, Pontificia Universidade Católica,2002.
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PEREIRA, M. V. A., Exergetic Analysis of a 5 TR Experimental Absorption Refrigeration Unit
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Refrigeration 7, 115e122.
RODRIGUEZ, J. M. L., Exergia: Principios básicos, Revista Capacita, no 1, 2005

10. 10
10. PARECER DO ORIENTADOR
10.1 AVALIAÇÃO DAS ATIVIDADES DO(A) BOLSISTA (2.000 caracteres)
Fornecer parecer sobre o desempenho do(a) bolsista e sobre o andamento das atividades do
projeto, informando quaisquer problemas e providências tomadas.
DECLARAÇÃO SOBRE A MANUTENÇÃO DA BOLSA (Preenchimento do
Orientador):
( ) Recomendo a MANUTENÇÃO da bolsa em virtude do(a) bolsista acima mencionado
apresentar a dedicação necessária (tempo X empenho) ao cumprimento do projeto dentro do
cronograma previsto.
( ) Recomendo o CANCELAMENTO da bolsa em virtude do(a) bolsista acima mencionado
NÃO apresentar a dedicação necessária (tempo X empenho) ao cumprimento do projeto dentro
do cronograma previsto.
Recife, ______ de _________________de _____________
Assinatura do(a) orientador(a):
Assinatura do(a) bolsista: