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João Pimenta
                              UnB, ENM, LaAR
                           Membro ANPRAC, ABEMI


Universidade de Brasília
Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecânica
                                                     Laboratório de Ar Condicionado e Refrigeração
2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção




                      Material desenvolvido pelo Prof. João Pimenta, para mini-curso durante a
                      2ª. Escola de Verão de Refrigeração: Ciclos de Absorção da ABCM,
                      realizada pela Escola Politécnica da USP.


                           Para fazer referência a este material, por favor utilize o seguinte :

                      PIMENTA, João. Refrigeração por Absorção Água-Brometo de Lítio. Escola
                      de Verão de Refrigeração, ABCM, Associação Brasileira de Engenharia e
                      Ciências Mecânicas. Escola Politécnica da USP, 28-31 Janeiro 2013. 105
                      slides. Apresentação MS PowerPoint.



                                        Críticas, comentários, sugestões, etc. para
                                                    pimenta@unb.br




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             1. Introdução
             2. COP dos Ciclos por Absorção
             3. Propriedades T-P-X de Soluções H2O-LiBr
             4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor
             5. Cristalização
             6. Equip. Comerciais de Refrigeração por Absorção
             7. Controle de capacidade em ciclos por absorção
             8. Ciclos de Duplo Efeito

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                                         INTRODUÇÃO




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       Discutiremos a tecnologia de produção de frio por ciclos por
       absorção água-brometo de lítio.

       Ciclos de refrigeração por compressão X absorção.



 Trabalho                                                           Calor
                      Ciclo                  Efeito útil de                   Ciclo        Efeito útil de
                   Compressão                refrigeração                   Absorção       refrigeração



                              Ciclos de refrigeração por absorção
                                  são ciclos movidos a calor.
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              Refrigeração por Compressão                                    Refrigeração por Absorção




     Trabalho                        Condensador
                                                                           Calor
                                                                                       Ciclo
                Compressor
                                                                                     Absorção



                                      Evaporador
                                                                                   Efeito útil de
                                                                                   refrigeração


                                     Efeito útil de
                                     refrigeração


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              Refrigeração por Compressão                                  Refrigeração por Absorção




     Trabalho                        Condensador                                       Condensador
                                                             Calor
                Compressor                                                 ?

                                      Evaporador                                       Evaporador



                                     Efeito útil de                                   Efeito útil de
                                     refrigeração                                     refrigeração


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              Refrigeração por Compressão                                    Refrigeração por Absorção




     Trabalho                        Condensador                                         Condensador
                                                             Calor
                                                                           Geração
                Compressor
                                                                           Absorção



                                      Evaporador                                         Evaporador



                                     Efeito útil de                                     Efeito útil de
                                     refrigeração                                       refrigeração


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                                                                                             1. INTRODUÇÃO



                      A solução absorvente
                    recebe calor, liberando o                                Refrigeração por Absorção
                       vapor refrigerante.


                                                                                         Condensador
                                                             Calor
                                                                           Geração

                                                                           Absorção



                                                                                         Evaporador


                      O vapor refrigerante é
                        absorvido por uma                                               Efeito útil de
                       solução absorvente.                                              refrigeração


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                      A solução absorvente
                    recebe calor, liberando o                                Refrigeração por Absorção
                       vapor refrigerante.


                        A concentração da                                                Condensador
                        solução aumenta!                     Calor
                                                                           Geração

                                                                           Absorção

                        A concentração da
                         solução diminui!
                                                                                         Evaporador


                      O vapor refrigerante é
                        absorvido por uma                                               Efeito útil de
                       solução absorvente.                                              refrigeração


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                      A solução absorvente
                    recebe calor, liberando o                                Refrigeração por Absorção
                       vapor refrigerante.


                        A concentração da                                                Condensador
                        solução aumenta!                     Calor
                                                                           Geração

                                                                           Absorção

                        A concentração da
                         solução diminui!
                                                                                         Evaporador


                      O vapor refrigerante é
                        absorvido por uma                                               Efeito útil de
                       solução absorvente.                                              refrigeração


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                                                                                             1. INTRODUÇÃO




                                                                             Refrigeração por Absorção

                CALOR


                                    Gerador                                              Condensador
                                                             Calor
                                                                           Geração

                                                                           Absorção



                                 Absorvedor                                              Evaporador



                                                                       Refrigerante     Efeito útil de
                                                                       Solução fraca    refrigeração
                                                                       Solução forte
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Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção

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              Refrigeração por Compressão                                             Ciclo por Absorção
                                                                    CALOR



     Trabalho                        Condensador                               Gerador             Condensador


                Compressor




                                      Evaporador                             Absorvedor             Evaporador



                                     Efeito útil de                    Refrigerante
                                     refrigeração                      Solução fraca
                                                                       Solução forte
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      Calor de uma fonte externa
      promove a vaporização do
      fluido antes absorvido pela
                                    
                                    QG
                solução.
                                                                  Vapor Alta
                                                                   pressão
                                                                                                 
                                                                                                 QCD
                                               Gerador                           Condensador



       O líquido a baixa      
                             WB                        Restrição para a queda
    pressão é circulado do
    absorvedor, elevando                               de pressão e retorno da
     sua pressão até a do                              solução ao absorvedor.
            gerador.

                                                                 Vapor Baixa
                                                                                                
                                                                                                QEV
                                                                   pressão
                                             Absorvedor                          Evaporador

              O Vapor de baixa pressão é
              absorvido por uma solução
                       liquida.                
                                               QABS

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          Vantagens das unidades operando por absorção :
           • Não usam fluidos que degradem o meio ambiente;
           • Fluido refrigerante  Água




                                      TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT)

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          Vantagens das unidades operando por absorção :
            • Dispensam cuidados com o uso de lubrificantes;
            • Permitem aplicações de recuperação térmica.

          Na refrigeração por absorção é possível manter
          temperaturas de evaporação de 10 ºC até -60 ºC com
          uma variedade de ciclos e fluidos.




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      Desenvolvimento Histórico
           Michael Faraday              Experimento de liquefação da amônia
           1824

           Ferdinand Carré              Invenção e patente de uma máquina de
           1860                         absorção água-amônia
           Guerra Civil USA             Uso pelos confederados (Sul) para suprir o uso
           Ano-ano                      do gelo natural, cortado pelo Norte.
           Thomas Edison                Primeira usina de geração de eletricidade.
           1882
           Crise energética             Elevação custo combustíveis fósseis. Baixos
           1973                         COP’s dos ciclos por absorção.
           Final século XX              Interesse renovado pelos ciclos por absorção


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      Quanto à forma como o calor é fornecido, as máquinas de
      refrigeração por absorção podem ser de queima direta, ou
      de queima Indireta.

            Queima direta:
            Calor é gerado na própria máquina de absorção, pela
            combustão de gás, óleo, etc., em queimadores
            acoplados ao equipamento.

           Queima indireta:
           Calor fornecido resulta de processos externo à máquina
           de absorção – aproveitamento térmico.
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       Chiller de queima direta (Broad).




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       Nas máquinas de queima indireta por sua vez, diferentes
       soluções podem ser consideradas:
               • Vapor
                   de caldeiras de produção direta;
                   de caldeiras de recuperação;
                   de turbinas a vapor;

               • Gases de exaustão de turbinas a gás;

               • Fluido térmico aquecido;
                    calor residual de processos
                    arrefecimento de motores de combustão
                    coletores solares
               • etc.

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       Exemplos (HEB CHP System)
       …includes a Capstone microturbine that supplies up to 60 kW of power to the store. The
       500-550°F exhaust from the turbine is use to drive a Broad single-effect absorption
       chiller…capable of supplying 18 tons of cooling output.




                                  files.harc.edu/Sites/GulfCoastCHP/CaseStudies/HEBSanAntonioTX.pdf

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                                         2
                                  COP de Ciclos por
                                     Absorção


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        Em um ciclo por absorção, a ação externa necessária
        relaciona-se ao fornecimento de calor. Logo,

                                                    efeito útil   
                                                                 QEV
                                 COPABS                         
                                                 ação necessária QG

        0,7 < COPABS <1,2  aprox. 5 x menor que o de ciclos
        por compressão.

        Tal aspecto porém não deve ser visto como
        absolutamente negativo já que calor e trabalho são
        formas distintas de energia.
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                                        Ashrae Handbook Refrigeraton 2002, Chapter 41


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      Motor térmico x Refrigerador

                                 TH                                                 TH

                         
                         QH
   Motor Térmico                             W                             W               Refrigerador
                                                                              
                                                                              QEV

                                 TL                                                 TL




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      Motor térmico x Refrigerador: Rendimento de Carnot

                                 TH                                              THTCD

                         
                         QH
   Motor Térmico                             W                             W                 Refrigerador
                                                                              
                                                                              QEV

                                 TL                                              TL→ TEV



                         
                         QG   TH                                             
                                                                             QEV     TEV
                                                                                
                          
                         W TH  TL                                           W    TCD  TEV

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    LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração                                     www.laar.unb.br
2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção

                                                                           2. COP dos Ciclos por Absorção


      Motor térmico x Refrigerador: Rendimento de Carnot

                              TH TG                                         THTCD TAMB




   Motor Térmico                                       W                   W               Refrigerador




                     TLTABS e TCDTAMB                                          TL→ TEV

                                                       TG
                                         Temperatura




                                                       TAMB

                                                       TEV
                                                              Entropia
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       Acoplando estes ciclos, determinamos a equação para o
       COP de um ciclo por absorção.
                              TH TG                                         THTCD TAMB

                         
                         QH
                                             W                             W
                                                                              
                                                                              QEV

                     TLTABS e TCDTAMB                              
                                                                    QEV          TL→ TEV
                                                     COPABS         
                                                                     QG
         
         QG                                                                                
            
               TH       WTG
                     QG
                                                                    QEV
                                                                        
                                                                            TEV         WTEV
                                                                                     QEV
         W T T         TG  TAMB                                  W    TCD  TEV       TAMB  TEV
              H   L


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       Acoplando estes ciclos, determinamos a equação para o
       COP de um ciclo por absorção.
                                 TG                                                 TAMB

                         
                         QH
                                             W                             W
                                                                              
                                                                              QEV

                                TAMB                                 
                                                                    QEV             TEV
                                                     COPABS         
                                                                     QG
                                                                                               
              WTG
            QG                                                                       
                                                                                     QEV 
                                                                                               WTEV
               TG  TL                                    
                                                         WTEV      T  TAMB                  TAMB  TEV
                                        COPABS                    G
                                                       TAMB  TEV     
                                                                     WTG
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          Assim,
                                    
                                   QEV    
                                         WTEV       TG  TAMB
                  COPABS                       
                                    QG TAMB  TEV      
                                                      WTG


                                     TEV TG  TAMB 
                   COPABS          
                                     TG TAMB  TEV 




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                     Vejamos um exemplo simples,
                      onde calculamos o COP de
                               Carnot...




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     Exemplo de Cálculo 1
     COP de Carnot para um sistema de refrigeração (ideal) operado a
     calor proveniente de uma fonte a 100 ºC, mantendo temperatura de
     refrigeração de 5 ºC e rejeitando calor para o ambiente a 30 ºC.


                                                           Vapor d’água

                                          Gerador                              Condensador
                                          100 ºC                                     30 ºC




                                        Absorvedor          Vapor d’água        Evaporador
                                           30 ºC                                     5 ºC

     * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.1

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     Exemplo de Cálculo 1
     COP de Carnot para um sistema de refrigeração (ideal) operado a
     calor proveniente de uma fonte a 100 ºC, mantendo temperatura de
     refrigeração de 5 ºC e rejeitando calor para o ambiente a 30 ºC.


                          TEV TG  TAMB                  TEV = 5 ºC = 278,15 K
            COPABS                                        TG = 100 ºC = 373,15 K
                          TG TAMB  TEV                  TAMB = 30 ºC


                           278,15100  30
            COPABS 
                            373,1530  5

            COPABS  2,09
                                                COP ideal > COP que seria obtido de um ciclo
                                                real de refrigeração por absorção

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     Influência das Temperaturas de Operação

                                         Tev=-20oC        Tev=0oC         Tev=5oC

                              12,0

                                                                                                      TEV TG  TAMB 
                              10,0
                                                                                           COPABS 
     COP ideal (Tamb=15 oC)




                               8,0
                                                                                                      TG TAMB  TEV 
                               6,0

                               4,0

                               2,0                                                         COPABS ↑ quando TG↑;
                               0,0
                                     0     50           100         150        200   250
                                                                                           COPABS ↑ quando TEV↑;
                                                Temperatura no Gerador, TG [oC]




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                                                                                                                                                                          2. COP dos Ciclos por Absorção



                            Influência das Temperaturas de Operação

                                               TAMB = 15 oC                                                                      TAMB = 20 oC                                                                        TAMB = 30 oC
                                        Tev=-20oC        Tev=0oC         Tev=5oC                                              Tev=-20oC        Tev=0oC         Tev=5oC                                              Tev=-20oC         Tev=0C         Tev=5oC

                            12,0                                                                                   12,0                                                                                  12,0

                            10,0                                                                                   10,0                                                                                  10,0
   COP ideal (Tamb=15 oC)




                                                                                          COP ideal (Tamb=20 oC)




                                                                                                                                                                                COP ideal (Tamb=30 oC)
                             8,0                                                                                    8,0                                                                                   8,0

                             6,0                                                                                    6,0                                                                                   6,0

                             4,0                                                                                    4,0                                                                                   4,0

                             2,0                                                                                    2,0                                                                                   2,0

                             0,0                                                                                    0,0                                                                                   0,0
                                   0      50           100         150        200   250                                   0     50           100         150        200   250                                   0     50           100         150         200   250
                                               Temperatura no Gerador, TG [oC]                                                       Temperatura no Gerador, TG [oC]                                                       Temperatura no Gerador, TG [oC]




                                                                   TEV TG  TAMB 
                                       COPABS                                                                                                             COPABS ↓ quando TAMB↑;
                                                                   TG TAMB  TEV 

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                                  3
                        Propriedades T-P-X de
                          soluções H2O-LiBr



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      Brometo de Lítio (LiBr)

           ► Sal                 cristalino de cor branca;
           ► Absorve                               o vapor d’água, se tornando solução líquida;
           ► Densidade=                                           3.464 g/cm3




       http://2.imimg.com/data2/DM/CD/MY-/barium-bromide-250x250.jpg
                                                                        http://ca.wikipedia.org/wiki/Fitxer:Lithium-bromide-unit-cell-3D-ionic.png




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      Brometo de Lítio (LiBr): Obtenção
        Obtido pela reação de neutralização do hidróxido de lítio
        com o ácido bromídrico.
                        LiOH+HBr  LiBr + H2O

        ou pela reação com o carbonato de lítio,

                        Li2CO3+2HBr  2LiBr + H2O + CO2




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      Brometo de Lítio (LiBr): Cuidados
        Contato com os olhos  irritação;

        Contato com a pele  queimaduras.

        EPI: óculos de segurança e luvas




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      Brometo de Lítio (LiBr)

        A solução líquida H2O-LiBr exerce pressão de vapor d’água
        função da temperatura (T) e concentração (x) alterando as
        propriedades de saturação da água pura.




                                   Vapor d’água                            Vapor d’água
                                     7,38 kPa                                7,38 kPa
                                       Água                                Água-LiBr
                                       40 oC                                 80 oC




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                                           Vapor d’água                    Vapor d’água
                                             7,38 kPa                        7,38 kPa
                                              Água                         Água-LiBr
                                              40 oC                          80 oC




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    A entalpia de soluções H2O-LiBr pode ser obtida do gráfico
    abaixo , h=f(T,X)


                                                                Válido para soluções aturadas
                                                                ou sub-resfriadas.

                                                                   Referências:

                                                                               água líquida a 0º C
                                                                   h=0 kJ/kg
                                                                               LiBr sólido a 25º C




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                                              3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio




                Agora que sabemos determinar
                 as propriedades das soluções
                 água-brometo de lítio, vamos
                  apresentar alguns exemplos
                         numéricos...


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     Exemplo de Cálculo 2
     Determinar as vazões mássicas de refrigerante (água). d’água) e de
      Determinar as       mássicas de refrigerante (vapor
     solução forte.
                                                                 m3  ?
                                                                 
                                                         3
                                                               Vapor d’água

                                              Gerador                                Condensador
                                              100 ºC                                    40 ºC

                                                     2                                      4

         m1  0,6 kg s
                                                            m1  ?
                                                             

                               1                                Vapor d’água         Evaporador
                                            Absorvedor
                                              30 ºC                                    10 ºC
                                                                       5

     * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.2

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                                              3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio


     Exemplo de Cálculo 2
           Primeiramente determinamos as pressões de alta e baixa.
               PALTA = PGERADOR = PCONDENSADOR

                                                           PSAT (água, T=40 ºC) = 7,38 kPa
               PBAIXA = PABSORVEDOR = PEVAPORADOR

                                                           PSAT (água, T=10 ºC) = 1,23 kPa




                                       X1=50%                                   X2=66,4%
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     Exemplo de Cálculo 2
       Efetuando um balanço de massa para o gerador, temos

                m2  m3  m1
                        
                m2  m3  0,6
                                                                                             3


            Além disso, para o LiBr temos,                                         Gerador
                                                                                   100 ºC
               m1 x1  m2 x2
                                                                         1

               0,6.0,50  m2 0,664
                                                                                          2

               m2  0,452 kg s
                                                                          m1  0,6 kg s
                                                                           
            Então,

                m3  0,148 kg s
                


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     Exemplo de Cálculo 3
       Para o sistema de absorção anterior determine QABS, QCD, QEV e COP.
                             
                             QG                       3
                                                            Vapor d’água                     
                                                                                             QCD
                                          Gerador                              Condensador
                                          100 ºC                                  40 ºC

                                                  2                                    4
                                                  Restrição para a queda
      m1  0,6 kg s
                                                 de pressão e retorno da
                                                  solução ao absorvedor.



                            1                                Vapor d’água       Evaporador
                                        Absorvedor
                                          30 ºC                                   10 ºC
                                                                   5

                                          
                                          QABS                                       
                                                                                     QEV
     * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.3

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     Exemplo de Cálculo 3
          As vazões e concentrações foram obtidas no exemplo anterior. Temos,

                m1  0,60 kg s
                                                            x1  50%
                m2  0,452 kg s
                                                            x2  66,4%
                m3  0,148 kg s
                                                            x3  0%

          Do gráfico para as entalpias obtemos,
                        
                h1  h T1  30o C, X1  50%  168 kJ kg 
                h2    hT   2                               
                                  100o C, X 2  66,4%  52 kJ kg

          Para a água, das tabelas de vapor d’água, temos,

                                                    
                h3  h x  1, T3  100o C  2676 kJ kg
                h4  hx  1, T4  40o C   167,5 kJ kg
                                                
                h5  h x  1, T5  10o C  2520 kJ kg
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     Exemplo de Cálculo 3
      As taxas de transferência de calor procuradas são obtidas da aplicação da 1ª.
      Lei para cada componente.

               
               QG            3                
                                              m3h3
                            Gerador
                            100 ºC                                      
                                                 QG  m3h3  m2 h2  m1h1  QG  473,3kW
              1

                                  2
           
           m1h1
                                  
                                  m2 h2                                           3
                                                                           
                                                                           m3h3                          
                                                                                                         QCD
                                                                                      Condensador
                                                                                         40 ºC
                            
        QCD  m3h3  m4 h4  QCD  371,2kW
                    
                                                                                             4
                                                                                           
                                                                                           m4 h4
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     Exemplo de Cálculo 3

                            
                            m2 h2
   
   m1h1                     2

                                            
                                            m5 h5                                
                                                       QABS  m2 h2  m5h5  m1h1  QABS  450,3kW
                                                              
                   Absorvedor
                     30 ºC
          1                             5


                                                                                      
                                                                                       m4 h4
                    QABS
                                                                                               4


                                                                                 5
                 QEV  m5h5  m4 h4  QEV  348,2kW
                                                                                      Evaporador
                                                                                          10 ºC
                                                                           
                                                                           m5 h5

                                                                                         
                                                                                         QEV
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     Exemplo de Cálculo 3
          Finalmente, o COP é facilmente obtido,
                            
                           QEV 348,2
            COPABS                 COPABS  0,736
                            QG 476,6

           Obtemos um COP < 1, como é comum para ciclos por absorção.
           Se aplicássemos a equação do COPIDEAL, teríamos

                               TEV TG  TABS  283,15100  30 19820,5
               COPABS ,ideal                                  
                               TG TCD  TEV  373,1540  10 11194,5
               COPABS ,ideal  1,77
           Nota:
           Tal cálculo do COPIDEAL é uma aproximação pois ocorrem de fato
           diferenças finitas de temperatura nas trocas de calor.

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                                   4
                         O Ciclo por Absorção
                        com Trocador de Calor



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     A energia para bombas, ventiladores, etc. é pequena face a
     energia térmica no gerador de um ciclo por absorção.
                                     
                                     QG

                                                      Gerador              Condensador




                         
                        W pump

                                                   Absorvedor              Evaporador



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     Ao mesmo tempo, ocorre rejeição de calor para as
     vizinhanças  recuperação térmica no ciclo.
                                     
                                     QG
                                                                                         
                                                                                         QCD
                                                      Gerador              Condensador




                                                   Absorvedor              Evaporador
                                               
                                               QABS
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     A solução transferida do gerador ao absorvedor deve ser
     resfriada de TG a TABS (no exemplo, de 100 a 30 ºC);



                                                      Gerador              Condensador




                                                              100 ºC

                                  30 ºC
                                                   Absorvedor              Evaporador
                                               
                                               QABS
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     Ao mesmo tempo, a solução transferida do absorvedor ao
     gerador deve ser aquecida de TABS a TG (de 30 a 100 ºC).
                                     
                                     QG

                                                      Gerador              Condensador

                                  30 ºC                      100 ºC




                                                   Absorvedor              Evaporador



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     Assim, é interessante usar um trocador de calor entre o
     gerador e o absorvedor, como abaixo.
                                     
                                     QG

                                                      Gerador              Condensador


                                                             100 ºC
       Trocador de Calor
         (Regenerador)




                                  30 ºC
                                                   Absorvedor              Evaporador



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     Exemplo de Cálculo 4
        Para o sistema de absorção dos exemplos anteriores adotou-se um trocador
        de calor regenerador entre o gerador e o absorvedor, de tal forma que a
        temperatura de entrada da solução no gerador é agora de 52º C. Determine
        as novas taxas de transferência de calor em cada componente.



                                                       Gerador              Condensador

                                    52 ºC
                                                             100 ºC




                                     30 ºC
                                                     Absorvedor              Evaporador


     * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.4

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     Exemplo de Cálculo 4
        Para o sistema de absorção dos exemplos anteriores adotou-se um trocador
        de calor regenerador entre o gerador e o absorvedor, de tal forma que a
        temperatura de entrada da solução no gerador é agora de 52º C. Determine
        as novas taxas de transferência de calor em cada componente.


          Dos exemplos anteriores permanecem inalteradas as seguintes
          variáveis:

                 m1  m2  0,60 kg s
                                                                         h1  168 kJ kg
                 m3  m4  0,452 kg s
                                                                         h3  52 kJ kg
                 m5  m6  m7  0,148 kg s
                                                                        h5  2676 kJ kg

                                                                          h6  167,5 kJ kg
                  QEV  348,2kW
                                                                          h7  2520 kJ kg
                  QCD  371,2kW


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     Exemplo de Cálculo 4
         No ponto 2, a temperatura da solução é de 52 ºC com X = 50%, então do
         gráfico para a entalpia de soluções H2O-LiBr, temos,

             h2  120 kJ kg
         Agora, a taxa de transferência de calor no trocador regenerador pode ser
         obtida de um balanço de energia para a solução entre “1” e “2”.

                                                     Q  m1 h2  h1 
                                                      
                   2                   3
                                                     Q  0,6 120   168  28,8kW
                                                     
                            
                            Q                         Por sua vez, entre os pontos “3” e “4”.

                                                     28,8kW  m3 h3  h4 
                                                              
                   1                   4
                                                     28,8kW  0,452 52  h4 
                                                     h4  116 kJ kg
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     Exemplo de Cálculo 4
         No gráfico para a entalpia de soluções H2O-LiBr, temos,


                                                                           T4=64 ºC
h4  116 kJ kg




                                                                                      X 4  66,45
          Agora, aplicando a 1ª. Lei para volumes de controle para o gerador e
          o absorvedor, temos,
                                              
                       QG  m5h5  m3h3  m2 h2  QG  444,5kW
                                                 
                       QABS  m7 h7  m4 h4  m1h1  QABS  421,3kW
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     Exemplo de Cálculo 4                                                       ANTES
                               
                               QG  444,5kW                                
                                                                           QG  476,6kW
                               
                               QABS  421,3kW                              
                                                                           QABS  450,3kW

         Então, o COP agora será,
                                        
                                       QEV 348,2
                        COPABS          
                                        QG 444,5                                ANTES
                        COPABS  0,783                                     COPABS  0,736


         Verificamos assim que a inclusão do trocador de calor entre o gerador e o
         absorvedor permite, neste caso, obter um aumento de 6,4% sobre o COP
         do ciclo.


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                                          5
                                    CRISTALIZAÇÃO




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    LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração                    www.laar.unb.br
2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção

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         Nos gráficos apresentados antes observamos a
         existência de zonas ditas de cristalização.




                           CRISTALIZAÇÃO
                                                                           CRISTALIZAÇÃO




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                      H2O-LiBr                                                   H2O-LiBr
                 Liquido monofásico                                           Liquido + Sólido
                                                       Resfriamento
                       100 oC                                                      20 oC
                  70% LiBr (massa)                                           70% LiBr (massa)

                                     Wispy white flakes begin to appear...
                                       Slightly more dense than liquid.
                              Herold et all., Absorption Chillers and Heat Pumps, CRC Press, 1996

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        Na cristalização....

        O componente salino (LiBr) se precipita quando sua
        fração mássica excede o limite de solubilidade.
             O limite de solubilidade varia principalmente com fração mássica
             e temperatura sendo pouco afetado pela pressão.

        Ocorre a nucleação de cristais, processo sensível à
        presença de sítios de nucleação.
              Se não há sítios de nucleação é possível um estado de
             supersaturação (conteúdo em sal > limite de solubilidade).

              O próprio cristal formado provê um sítio de nucleação.


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        Conforme o LiBr se solidifica a solução se dilui  estado
        permanece sobre a curva de cristalização.




                                        TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT)


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       Causas da cristalização:
             • Penetração de ar

             • Temperatura da água de resfriamento
               muito baixa ou flutuante

             • Falta de energia




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       Causas da cristalização:
             • Penetração de ar

             • Temperatura da água de resfriamento
               muito baixa ou flutuante

             • Falta de energia
                                                                 Causa mais freqüente;
                                                                    Aumenta Tev e Pev;
                                                         Diminui a capacidade do chiller
                                                              Eleva a entrada de calor;
                                                                  Eleva a concentração;
                                          Mais grave quando em condição de carga plena

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        A operação regular de um sistema de purga é requerida
        para remover o ar e outros não condensáveis.
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       Causas da cristalização:
             • Penetração de ar

             • Temperatura da água de resfriamento
               muito baixa ou flutuante

             • Falta de energia

                         Diminui temperatura da solução diluída no evaporador;
                  Acarreta menor temp. da solução que retorna ao absorvedor;
               Causa cristalização da solução concentrada no trocador de calor.



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       Causas da cristalização:
             • Penetração de ar

             • Temperatura da água de resfriamento
               muito baixa ou flutuante

             • Falta de energia


                     Impede o procedimento de shutdown normal d equipamento,
                   prejudicando seu ciclo de diluição que reduz gradativamente a
                                                                   concentração.


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     Exemplo de Cálculo 5*
        Se o sistema dos exemplos anteriores utiliza água de arrefecimento
        proveniente de uma torre de resfriamento e a temperatura ambiente do ar
        diminui, a água que deixa a torre estará a menor temperatura. Com isso, a
        TCD diminuirá para digamos 34 ºC. Se as demais temperaturas permanecem
        inalteradas pergunta-se: Existe risco de cristalização ?


            O componente crítico quanto a cristalização é o trocador de calor.

            Quando TCD↓, PALTA↓ oque faz X3↑, no caso para 69%.

            Se a vazão da bomba permanece constante, a mudança da
            concentração em “3” requer que recalculemos as vazões em “3” e
            “5”,
                          
                          m1.x1                                      m5  0,60  0,435  0,165 kg s
                                                                     
                     m3 
                                0,435 kg s
                            x3

     * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.5

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     Exemplo de Cálculo 5

                                                 T3  100o C
         T2  52o C         2             3      x3  0,69
                                                 m3  0,435 kg s
                                                  

                                                                                   
                                                          h1  h T1  30o C, X1  50%  168 kJ kg
    m1  0,60 kg s
    
                            1             4
                                                                                    
                                                          h2  h T2  52o C, X 2  50%  120 kJ kg
                                                                                        
                                                          h3  h T3  100o C, X 2  69%  54 kJ kg


           De um balanço de energia para o trcador, temos,
                     m1 h2  h1 
                                          0,6  66
           h4  h3                 54            h4  120 kJ kg
                         m3                0,435



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     Exemplo de Cálculo 5
           Com h4 e x4 obtidos recorremos ao gráfico para as entalpias de
           soluções H2O-LiBr, como abaixo.


h4  120 kJ kg




                                                                           X 4  69%
      Verificamos assim ocorrência da cristalização!!!

       Nota 1: A entrada da solução no absorvedor é a posição mais critica quanto a
       ocorrência da cristalização
       Nota 2: Baixas PCD’s envolvem risco de cristalização.
       Nota 3: Máquinas comerciais usam recurso de manter PCD artificialm. alta.


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                              6
                   Equipamentos Comerciais
                     de Refrigeração por
                          Absorção


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     Uma característica construtiva bastante difundida entre os
     equipamentos comerciais é o uso de invólucros comuns
     para gerador-condensador e absorvedor-evaporador.


                                                            Tira proveito do fato de haver
                   Gerador           Condensador
                                                            dois níveis de pressão no
                                                            sistema:
                                                             PALTA→ gerador e condensador
                                                             PBAIXA→ absorvedor e evaporador.
                 Absorvedor           Evaporador




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                                                                           CONDENSADOR
                                                                             GERADOR

             EVAPORADOR /
             ABSORVEDOR




                               BOMBAS
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Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção

                                           6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção




                                      TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT)

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     Corrosão e compatibilidade com materiais

     Na presença de oxigênio a solução de LiBr é altamente
     agressiva a vários metais, incluindo aço carbono e cobre.

     Ao longo da vida útil da máquina corrosão significativa pode
     ocorrer

     Principais medidas:
      controle de pH;
      inibidores de corrosão;



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     Corrosão e compatibilidade com materiais

        Controle de pH;
        • realiza-se pela adição de pequenas quantidades de
          HBr(ácido hidrobrômico em solução);

           • procura-se manter a solução ligeiramente básica a
             neutra  causa formação de óxido diretamente sobre
             as superfícies (passivação);

           • A alcalinidade da solução causa aumento da
             formação de H2 na máquina (manter solução
             preferencialmente neutra);
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     Corrosão e compatibilidade com materiais

        Inibidores de Corrosão;
        • aditivos como cromato de lítio (tóxico!), molibdato de
          lítio e nitrato de lítio, com até 1% em massa;

           • reagem com a superfície dos metais formando uma
             camada de óxido relativamente estável (passivação);

           • procura-se manter a solução ligeiramente básica 
             causa formação de óxido diretamente sobre as
             superfícies (passivação);

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     Corrosão e compatibilidade com materiais

     Ligas cobre-níquel resistem à corrosão em elevadas
     temperaturas melhor que o cobre;

     Aços inoxidáveis podem apresentar corrosão por pitting e
     cracking quando a temperatura elevada do LiBr;

     Em geral há boa compatibilidade com borracha e polímeros
     compostos.




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     Manutenção e Expectativa de vida

     A manutenção usual de máquinas H2O-LiBr, incluem:
     1) Purga periódica de não condensáveis;
     2) Adição periódica de octyl alcohol (aditivo);
     3) Adição periódica de inibidor de corrosão;
     4) Correção periódica de pH.

     A experiência indica que 20 anos é a expectativa de vida de
     uma máquina por absorção  o principal limitante é a
     corrosão!



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                                 7
                      Controle de Capacidade
                      em Ciclos por Absorção




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                                                       7. Controle de Capacidade em Ciclos por Absorção



      Se a carga térmica atendida pelo equipamento de
      refrigeração por absorção diminui ...
        → a temperatura de entrada da água no evaporador diminui.

        → se não há nenhum controle a temperatura da água na saída do
          evaporador diminui, podendo causar congelamento!




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        A maioria dos sistemas de controle atua no sentido de
        manter a temperatura da água de saída do evaporador
        constante.
           → se QEV diminui, é necessário diminuir a potência frigorífica do
                sistema de absorção.


        Em geral, 3 métodos usuais de controle de capacidade
        são considerados:
           1) Redução de vazão da bomba de solução;
           2) Redução da temperatura no gerador TG, e ;
           3) Aumento da temperatura de condensação.


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        Método 1: Redução da vazão da bomba.
        Método eficiente desde que QG também seja reduzido
        proporcionalmente.

        Causa mudanças nas
        temperaturas levando a
        maiores concentrações
        de LiBr na saída do
        gerador        maiores
        COPs mas pode haver
        cristalização      uso
        adicional dos métodos 2
        e 3.
                                                                            TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT)


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     Método 2: Redução de TG
     Causa a diminuição de QG e por conseguinte de QEV.
     Realiza-se pelo controle do fornecimento de calor, vazão
     de vapor (água quente, etc.) que alimenta o gerador.




                                                                            TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT)


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  • 1. João Pimenta UnB, ENM, LaAR Membro ANPRAC, ABEMI Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica Laboratório de Ar Condicionado e Refrigeração
  • 2. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção Material desenvolvido pelo Prof. João Pimenta, para mini-curso durante a 2ª. Escola de Verão de Refrigeração: Ciclos de Absorção da ABCM, realizada pela Escola Politécnica da USP. Para fazer referência a este material, por favor utilize o seguinte : PIMENTA, João. Refrigeração por Absorção Água-Brometo de Lítio. Escola de Verão de Refrigeração, ABCM, Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas. Escola Politécnica da USP, 28-31 Janeiro 2013. 105 slides. Apresentação MS PowerPoint. Críticas, comentários, sugestões, etc. para pimenta@unb.br Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 3. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção Conteúdo 1. Introdução 2. COP dos Ciclos por Absorção 3. Propriedades T-P-X de Soluções H2O-LiBr 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor 5. Cristalização 6. Equip. Comerciais de Refrigeração por Absorção 7. Controle de capacidade em ciclos por absorção 8. Ciclos de Duplo Efeito Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 4. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1 INTRODUÇÃO Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 5. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Discutiremos a tecnologia de produção de frio por ciclos por absorção água-brometo de lítio. Ciclos de refrigeração por compressão X absorção. Trabalho Calor Ciclo Efeito útil de Ciclo Efeito útil de Compressão refrigeração Absorção refrigeração Ciclos de refrigeração por absorção são ciclos movidos a calor. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 6. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Refrigeração por Compressão Refrigeração por Absorção Trabalho Condensador Calor Ciclo Compressor Absorção Evaporador Efeito útil de refrigeração Efeito útil de refrigeração Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 7. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Refrigeração por Compressão Refrigeração por Absorção Trabalho Condensador Condensador Calor Compressor ? Evaporador Evaporador Efeito útil de Efeito útil de refrigeração refrigeração Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 8. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Refrigeração por Compressão Refrigeração por Absorção Trabalho Condensador Condensador Calor Geração Compressor Absorção Evaporador Evaporador Efeito útil de Efeito útil de refrigeração refrigeração Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 9. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO A solução absorvente recebe calor, liberando o Refrigeração por Absorção vapor refrigerante. Condensador Calor Geração Absorção Evaporador O vapor refrigerante é absorvido por uma Efeito útil de solução absorvente. refrigeração Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 10. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO A solução absorvente recebe calor, liberando o Refrigeração por Absorção vapor refrigerante. A concentração da Condensador solução aumenta! Calor Geração Absorção A concentração da solução diminui! Evaporador O vapor refrigerante é absorvido por uma Efeito útil de solução absorvente. refrigeração Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 11. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO A solução absorvente recebe calor, liberando o Refrigeração por Absorção vapor refrigerante. A concentração da Condensador solução aumenta! Calor Geração Absorção A concentração da solução diminui! Evaporador O vapor refrigerante é absorvido por uma Efeito útil de solução absorvente. refrigeração Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 12. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Refrigeração por Absorção CALOR Gerador Condensador Calor Geração Absorção Absorvedor Evaporador Refrigerante Efeito útil de Solução fraca refrigeração Solução forte Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 13. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Refrigeração por Compressão Ciclo por Absorção CALOR Trabalho Condensador Gerador Condensador Compressor Evaporador Absorvedor Evaporador Efeito útil de Refrigerante refrigeração Solução fraca Solução forte Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 14. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Calor de uma fonte externa promove a vaporização do fluido antes absorvido pela  QG solução. Vapor Alta pressão  QCD Gerador Condensador O líquido a baixa  WB Restrição para a queda pressão é circulado do absorvedor, elevando de pressão e retorno da sua pressão até a do solução ao absorvedor. gerador. Vapor Baixa  QEV pressão Absorvedor Evaporador O Vapor de baixa pressão é absorvido por uma solução liquida.  QABS Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 15. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Vantagens das unidades operando por absorção : • Não usam fluidos que degradem o meio ambiente; • Fluido refrigerante  Água TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT) Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 16. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Vantagens das unidades operando por absorção : • Dispensam cuidados com o uso de lubrificantes; • Permitem aplicações de recuperação térmica. Na refrigeração por absorção é possível manter temperaturas de evaporação de 10 ºC até -60 ºC com uma variedade de ciclos e fluidos. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 17. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Desenvolvimento Histórico Michael Faraday Experimento de liquefação da amônia 1824 Ferdinand Carré Invenção e patente de uma máquina de 1860 absorção água-amônia Guerra Civil USA Uso pelos confederados (Sul) para suprir o uso Ano-ano do gelo natural, cortado pelo Norte. Thomas Edison Primeira usina de geração de eletricidade. 1882 Crise energética Elevação custo combustíveis fósseis. Baixos 1973 COP’s dos ciclos por absorção. Final século XX Interesse renovado pelos ciclos por absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 18. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Quanto à forma como o calor é fornecido, as máquinas de refrigeração por absorção podem ser de queima direta, ou de queima Indireta. Queima direta: Calor é gerado na própria máquina de absorção, pela combustão de gás, óleo, etc., em queimadores acoplados ao equipamento. Queima indireta: Calor fornecido resulta de processos externo à máquina de absorção – aproveitamento térmico. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 19. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Chiller de queima direta (Broad). Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 20. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Nas máquinas de queima indireta por sua vez, diferentes soluções podem ser consideradas: • Vapor de caldeiras de produção direta; de caldeiras de recuperação; de turbinas a vapor; • Gases de exaustão de turbinas a gás; • Fluido térmico aquecido; calor residual de processos arrefecimento de motores de combustão coletores solares • etc. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 21. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Exemplos (HEB CHP System) …includes a Capstone microturbine that supplies up to 60 kW of power to the store. The 500-550°F exhaust from the turbine is use to drive a Broad single-effect absorption chiller…capable of supplying 18 tons of cooling output. files.harc.edu/Sites/GulfCoastCHP/CaseStudies/HEBSanAntonioTX.pdf Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 22. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 1. INTRODUÇÃO Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 23. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2 COP de Ciclos por Absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 24. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Em um ciclo por absorção, a ação externa necessária relaciona-se ao fornecimento de calor. Logo, efeito útil  QEV COPABS    ação necessária QG 0,7 < COPABS <1,2  aprox. 5 x menor que o de ciclos por compressão. Tal aspecto porém não deve ser visto como absolutamente negativo já que calor e trabalho são formas distintas de energia. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 25. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Ashrae Handbook Refrigeraton 2002, Chapter 41 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 26. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Motor térmico x Refrigerador TH TH  QH Motor Térmico W W Refrigerador  QEV TL TL Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 27. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Motor térmico x Refrigerador: Rendimento de Carnot TH THTCD  QH Motor Térmico W W Refrigerador  QEV TL TL→ TEV  QG TH  QEV TEV    W TH  TL W  TCD  TEV Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 28. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Motor térmico x Refrigerador: Rendimento de Carnot TH TG THTCD TAMB Motor Térmico W W Refrigerador TLTABS e TCDTAMB TL→ TEV TG Temperatura TAMB TEV Entropia Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 29. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Acoplando estes ciclos, determinamos a equação para o COP de um ciclo por absorção. TH TG THTCD TAMB  QH W W  QEV TLTABS e TCDTAMB  QEV TL→ TEV COPABS   QG  QG     TH   WTG  QG QEV  TEV   WTEV  QEV W T T TG  TAMB W  TCD  TEV TAMB  TEV H L Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 30. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Acoplando estes ciclos, determinamos a equação para o COP de um ciclo por absorção. TG TAMB  QH W W  QEV TAMB  QEV TEV COPABS   QG     WTG QG  QEV  WTEV TG  TL  WTEV T  TAMB TAMB  TEV COPABS   G TAMB  TEV  WTG Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 31. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Assim,  QEV  WTEV TG  TAMB COPABS     QG TAMB  TEV  WTG TEV TG  TAMB  COPABS  TG TAMB  TEV  Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 32. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Vejamos um exemplo simples, onde calculamos o COP de Carnot... Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 33. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Exemplo de Cálculo 1 COP de Carnot para um sistema de refrigeração (ideal) operado a calor proveniente de uma fonte a 100 ºC, mantendo temperatura de refrigeração de 5 ºC e rejeitando calor para o ambiente a 30 ºC. Vapor d’água Gerador Condensador 100 ºC 30 ºC Absorvedor Vapor d’água Evaporador 30 ºC 5 ºC * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.1 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 34. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Exemplo de Cálculo 1 COP de Carnot para um sistema de refrigeração (ideal) operado a calor proveniente de uma fonte a 100 ºC, mantendo temperatura de refrigeração de 5 ºC e rejeitando calor para o ambiente a 30 ºC. TEV TG  TAMB  TEV = 5 ºC = 278,15 K COPABS  TG = 100 ºC = 373,15 K TG TAMB  TEV  TAMB = 30 ºC 278,15100  30 COPABS  373,1530  5 COPABS  2,09 COP ideal > COP que seria obtido de um ciclo real de refrigeração por absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 35. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Influência das Temperaturas de Operação Tev=-20oC Tev=0oC Tev=5oC 12,0 TEV TG  TAMB  10,0 COPABS  COP ideal (Tamb=15 oC) 8,0 TG TAMB  TEV  6,0 4,0 2,0 COPABS ↑ quando TG↑; 0,0 0 50 100 150 200 250 COPABS ↑ quando TEV↑; Temperatura no Gerador, TG [oC] Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 36. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 2. COP dos Ciclos por Absorção Influência das Temperaturas de Operação TAMB = 15 oC TAMB = 20 oC TAMB = 30 oC Tev=-20oC Tev=0oC Tev=5oC Tev=-20oC Tev=0oC Tev=5oC Tev=-20oC Tev=0C Tev=5oC 12,0 12,0 12,0 10,0 10,0 10,0 COP ideal (Tamb=15 oC) COP ideal (Tamb=20 oC) COP ideal (Tamb=30 oC) 8,0 8,0 8,0 6,0 6,0 6,0 4,0 4,0 4,0 2,0 2,0 2,0 0,0 0,0 0,0 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 Temperatura no Gerador, TG [oC] Temperatura no Gerador, TG [oC] Temperatura no Gerador, TG [oC] TEV TG  TAMB  COPABS  COPABS ↓ quando TAMB↑; TG TAMB  TEV  Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 37. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3 Propriedades T-P-X de soluções H2O-LiBr Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 38. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Brometo de Lítio (LiBr) ► Sal cristalino de cor branca; ► Absorve o vapor d’água, se tornando solução líquida; ► Densidade= 3.464 g/cm3 http://2.imimg.com/data2/DM/CD/MY-/barium-bromide-250x250.jpg http://ca.wikipedia.org/wiki/Fitxer:Lithium-bromide-unit-cell-3D-ionic.png Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 39. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Brometo de Lítio (LiBr): Obtenção Obtido pela reação de neutralização do hidróxido de lítio com o ácido bromídrico. LiOH+HBr  LiBr + H2O ou pela reação com o carbonato de lítio, Li2CO3+2HBr  2LiBr + H2O + CO2 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 40. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Brometo de Lítio (LiBr): Cuidados Contato com os olhos  irritação; Contato com a pele  queimaduras. EPI: óculos de segurança e luvas Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 41. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Brometo de Lítio (LiBr) A solução líquida H2O-LiBr exerce pressão de vapor d’água função da temperatura (T) e concentração (x) alterando as propriedades de saturação da água pura. Vapor d’água Vapor d’água 7,38 kPa 7,38 kPa Água Água-LiBr 40 oC 80 oC Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 42. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Vapor d’água Vapor d’água 7,38 kPa 7,38 kPa Água Água-LiBr 40 oC 80 oC Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 43. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 44. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio A entalpia de soluções H2O-LiBr pode ser obtida do gráfico abaixo , h=f(T,X) Válido para soluções aturadas ou sub-resfriadas. Referências: água líquida a 0º C h=0 kJ/kg LiBr sólido a 25º C Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 45. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 46. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 47. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Agora que sabemos determinar as propriedades das soluções água-brometo de lítio, vamos apresentar alguns exemplos numéricos... Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 48. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Exemplo de Cálculo 2 Determinar as vazões mássicas de refrigerante (água). d’água) e de Determinar as mássicas de refrigerante (vapor solução forte. m3  ?  3 Vapor d’água Gerador Condensador 100 ºC 40 ºC 2 4 m1  0,6 kg s  m1  ?  1 Vapor d’água Evaporador Absorvedor 30 ºC 10 ºC 5 * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.2 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 49. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Exemplo de Cálculo 2 Primeiramente determinamos as pressões de alta e baixa. PALTA = PGERADOR = PCONDENSADOR PSAT (água, T=40 ºC) = 7,38 kPa PBAIXA = PABSORVEDOR = PEVAPORADOR PSAT (água, T=10 ºC) = 1,23 kPa X1=50% X2=66,4% Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 50. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Exemplo de Cálculo 2 Efetuando um balanço de massa para o gerador, temos m2  m3  m1    m2  m3  0,6   3 Além disso, para o LiBr temos, Gerador 100 ºC m1 x1  m2 x2   1 0,6.0,50  m2 0,664  2 m2  0,452 kg s  m1  0,6 kg s  Então, m3  0,148 kg s  Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 51. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Exemplo de Cálculo 3 Para o sistema de absorção anterior determine QABS, QCD, QEV e COP.  QG 3 Vapor d’água  QCD Gerador Condensador 100 ºC 40 ºC 2 4 Restrição para a queda m1  0,6 kg s  de pressão e retorno da solução ao absorvedor. 1 Vapor d’água Evaporador Absorvedor 30 ºC 10 ºC 5  QABS  QEV * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.3 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 52. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Exemplo de Cálculo 3 As vazões e concentrações foram obtidas no exemplo anterior. Temos, m1  0,60 kg s  x1  50% m2  0,452 kg s  x2  66,4% m3  0,148 kg s  x3  0% Do gráfico para as entalpias obtemos,  h1  h T1  30o C, X1  50%  168 kJ kg  h2  hT 2   100o C, X 2  66,4%  52 kJ kg Para a água, das tabelas de vapor d’água, temos,   h3  h x  1, T3  100o C  2676 kJ kg h4  hx  1, T4  40o C   167,5 kJ kg   h5  h x  1, T5  10o C  2520 kJ kg Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 53. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Exemplo de Cálculo 3 As taxas de transferência de calor procuradas são obtidas da aplicação da 1ª. Lei para cada componente.  QG 3  m3h3 Gerador 100 ºC      QG  m3h3  m2 h2  m1h1  QG  473,3kW 1 2  m1h1  m2 h2 3  m3h3  QCD Condensador 40 ºC   QCD  m3h3  m4 h4  QCD  371,2kW   4  m4 h4 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 54. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Exemplo de Cálculo 3  m2 h2  m1h1 2  m5 h5     QABS  m2 h2  m5h5  m1h1  QABS  450,3kW  Absorvedor 30 ºC 1 5   m4 h4 QABS 4   5 QEV  m5h5  m4 h4  QEV  348,2kW   Evaporador 10 ºC  m5 h5  QEV Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 55. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio Exemplo de Cálculo 3 Finalmente, o COP é facilmente obtido,  QEV 348,2 COPABS     COPABS  0,736 QG 476,6 Obtemos um COP < 1, como é comum para ciclos por absorção. Se aplicássemos a equação do COPIDEAL, teríamos TEV TG  TABS  283,15100  30 19820,5 COPABS ,ideal    TG TCD  TEV  373,1540  10 11194,5 COPABS ,ideal  1,77 Nota: Tal cálculo do COPIDEAL é uma aproximação pois ocorrem de fato diferenças finitas de temperatura nas trocas de calor. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 56. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4 O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 57. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor A energia para bombas, ventiladores, etc. é pequena face a energia térmica no gerador de um ciclo por absorção.  QG Gerador Condensador  W pump Absorvedor Evaporador Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 58. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Ao mesmo tempo, ocorre rejeição de calor para as vizinhanças  recuperação térmica no ciclo.  QG  QCD Gerador Condensador Absorvedor Evaporador  QABS Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 59. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor A solução transferida do gerador ao absorvedor deve ser resfriada de TG a TABS (no exemplo, de 100 a 30 ºC); Gerador Condensador 100 ºC 30 ºC Absorvedor Evaporador  QABS Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 60. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Ao mesmo tempo, a solução transferida do absorvedor ao gerador deve ser aquecida de TABS a TG (de 30 a 100 ºC).  QG Gerador Condensador 30 ºC 100 ºC Absorvedor Evaporador Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 61. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Assim, é interessante usar um trocador de calor entre o gerador e o absorvedor, como abaixo.  QG Gerador Condensador 100 ºC Trocador de Calor (Regenerador) 30 ºC Absorvedor Evaporador Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 62. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Exemplo de Cálculo 4 Para o sistema de absorção dos exemplos anteriores adotou-se um trocador de calor regenerador entre o gerador e o absorvedor, de tal forma que a temperatura de entrada da solução no gerador é agora de 52º C. Determine as novas taxas de transferência de calor em cada componente. Gerador Condensador 52 ºC 100 ºC 30 ºC Absorvedor Evaporador * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.4 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 63. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Exemplo de Cálculo 4 Para o sistema de absorção dos exemplos anteriores adotou-se um trocador de calor regenerador entre o gerador e o absorvedor, de tal forma que a temperatura de entrada da solução no gerador é agora de 52º C. Determine as novas taxas de transferência de calor em cada componente. Dos exemplos anteriores permanecem inalteradas as seguintes variáveis: m1  m2  0,60 kg s   h1  168 kJ kg m3  m4  0,452 kg s   h3  52 kJ kg m5  m6  m7  0,148 kg s    h5  2676 kJ kg  h6  167,5 kJ kg QEV  348,2kW  h7  2520 kJ kg QCD  371,2kW Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 64. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Exemplo de Cálculo 4 No ponto 2, a temperatura da solução é de 52 ºC com X = 50%, então do gráfico para a entalpia de soluções H2O-LiBr, temos, h2  120 kJ kg Agora, a taxa de transferência de calor no trocador regenerador pode ser obtida de um balanço de energia para a solução entre “1” e “2”. Q  m1 h2  h1    2 3 Q  0,6 120   168  28,8kW   Q Por sua vez, entre os pontos “3” e “4”. 28,8kW  m3 h3  h4   1 4 28,8kW  0,452 52  h4  h4  116 kJ kg Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 65. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Exemplo de Cálculo 4 No gráfico para a entalpia de soluções H2O-LiBr, temos, T4=64 ºC h4  116 kJ kg X 4  66,45 Agora, aplicando a 1ª. Lei para volumes de controle para o gerador e o absorvedor, temos,      QG  m5h5  m3h3  m2 h2  QG  444,5kW      QABS  m7 h7  m4 h4  m1h1  QABS  421,3kW Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 66. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 4. O Ciclo por Absorção com Trocador de Calor Exemplo de Cálculo 4 ANTES  QG  444,5kW  QG  476,6kW  QABS  421,3kW  QABS  450,3kW Então, o COP agora será,  QEV 348,2 COPABS    QG 444,5 ANTES COPABS  0,783 COPABS  0,736 Verificamos assim que a inclusão do trocador de calor entre o gerador e o absorvedor permite, neste caso, obter um aumento de 6,4% sobre o COP do ciclo. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 67. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5 CRISTALIZAÇÃO Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 68. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Nos gráficos apresentados antes observamos a existência de zonas ditas de cristalização. CRISTALIZAÇÃO CRISTALIZAÇÃO Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 69. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO H2O-LiBr H2O-LiBr Liquido monofásico Liquido + Sólido Resfriamento 100 oC 20 oC 70% LiBr (massa) 70% LiBr (massa) Wispy white flakes begin to appear... Slightly more dense than liquid. Herold et all., Absorption Chillers and Heat Pumps, CRC Press, 1996 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 70. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Na cristalização.... O componente salino (LiBr) se precipita quando sua fração mássica excede o limite de solubilidade. O limite de solubilidade varia principalmente com fração mássica e temperatura sendo pouco afetado pela pressão. Ocorre a nucleação de cristais, processo sensível à presença de sítios de nucleação.  Se não há sítios de nucleação é possível um estado de supersaturação (conteúdo em sal > limite de solubilidade).  O próprio cristal formado provê um sítio de nucleação. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 71. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 72. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Conforme o LiBr se solidifica a solução se dilui  estado permanece sobre a curva de cristalização. TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT) Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 73. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Causas da cristalização: • Penetração de ar • Temperatura da água de resfriamento muito baixa ou flutuante • Falta de energia Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 74. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Causas da cristalização: • Penetração de ar • Temperatura da água de resfriamento muito baixa ou flutuante • Falta de energia Causa mais freqüente; Aumenta Tev e Pev; Diminui a capacidade do chiller Eleva a entrada de calor; Eleva a concentração; Mais grave quando em condição de carga plena Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 75. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO A operação regular de um sistema de purga é requerida para remover o ar e outros não condensáveis. TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT) Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 76. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Causas da cristalização: • Penetração de ar • Temperatura da água de resfriamento muito baixa ou flutuante • Falta de energia Diminui temperatura da solução diluída no evaporador; Acarreta menor temp. da solução que retorna ao absorvedor; Causa cristalização da solução concentrada no trocador de calor. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 77. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Causas da cristalização: • Penetração de ar • Temperatura da água de resfriamento muito baixa ou flutuante • Falta de energia Impede o procedimento de shutdown normal d equipamento, prejudicando seu ciclo de diluição que reduz gradativamente a concentração. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 78. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Exemplo de Cálculo 5* Se o sistema dos exemplos anteriores utiliza água de arrefecimento proveniente de uma torre de resfriamento e a temperatura ambiente do ar diminui, a água que deixa a torre estará a menor temperatura. Com isso, a TCD diminuirá para digamos 34 ºC. Se as demais temperaturas permanecem inalteradas pergunta-se: Existe risco de cristalização ? O componente crítico quanto a cristalização é o trocador de calor. Quando TCD↓, PALTA↓ oque faz X3↑, no caso para 69%. Se a vazão da bomba permanece constante, a mudança da concentração em “3” requer que recalculemos as vazões em “3” e “5”,  m1.x1 m5  0,60  0,435  0,165 kg s  m3    0,435 kg s x3 * Stoecker e Jones, Refrigeração e Ar condicionado. Capitulo 17, Exemplo 17.5 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 79. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Exemplo de Cálculo 5 T3  100o C T2  52o C 2 3 x3  0,69 m3  0,435 kg s    h1  h T1  30o C, X1  50%  168 kJ kg m1  0,60 kg s  1 4   h2  h T2  52o C, X 2  50%  120 kJ kg   h3  h T3  100o C, X 2  69%  54 kJ kg De um balanço de energia para o trcador, temos, m1 h2  h1   0,6  66 h4  h3   54   h4  120 kJ kg m3 0,435 Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 80. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 5. CRISTALIZAÇÃO Exemplo de Cálculo 5 Com h4 e x4 obtidos recorremos ao gráfico para as entalpias de soluções H2O-LiBr, como abaixo. h4  120 kJ kg X 4  69% Verificamos assim ocorrência da cristalização!!! Nota 1: A entrada da solução no absorvedor é a posição mais critica quanto a ocorrência da cristalização Nota 2: Baixas PCD’s envolvem risco de cristalização. Nota 3: Máquinas comerciais usam recurso de manter PCD artificialm. alta. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 81. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6 Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 82. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção Uma característica construtiva bastante difundida entre os equipamentos comerciais é o uso de invólucros comuns para gerador-condensador e absorvedor-evaporador. Tira proveito do fato de haver Gerador Condensador dois níveis de pressão no sistema: PALTA→ gerador e condensador PBAIXA→ absorvedor e evaporador. Absorvedor Evaporador Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 83. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção CONDENSADOR GERADOR EVAPORADOR / ABSORVEDOR BOMBAS HERMÉTICAS Chiller Absorção Simples Estágio York, 120-1377 TR (420-4840 kW) Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 84. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT) Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 85. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 86. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 87. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção Corrosão e compatibilidade com materiais Na presença de oxigênio a solução de LiBr é altamente agressiva a vários metais, incluindo aço carbono e cobre. Ao longo da vida útil da máquina corrosão significativa pode ocorrer Principais medidas:  controle de pH;  inibidores de corrosão; Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 88. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção Corrosão e compatibilidade com materiais  Controle de pH; • realiza-se pela adição de pequenas quantidades de HBr(ácido hidrobrômico em solução); • procura-se manter a solução ligeiramente básica a neutra  causa formação de óxido diretamente sobre as superfícies (passivação); • A alcalinidade da solução causa aumento da formação de H2 na máquina (manter solução preferencialmente neutra); Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 89. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção Corrosão e compatibilidade com materiais  Inibidores de Corrosão; • aditivos como cromato de lítio (tóxico!), molibdato de lítio e nitrato de lítio, com até 1% em massa; • reagem com a superfície dos metais formando uma camada de óxido relativamente estável (passivação); • procura-se manter a solução ligeiramente básica  causa formação de óxido diretamente sobre as superfícies (passivação); Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 90. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção Corrosão e compatibilidade com materiais Ligas cobre-níquel resistem à corrosão em elevadas temperaturas melhor que o cobre; Aços inoxidáveis podem apresentar corrosão por pitting e cracking quando a temperatura elevada do LiBr; Em geral há boa compatibilidade com borracha e polímeros compostos. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 91. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção Manutenção e Expectativa de vida A manutenção usual de máquinas H2O-LiBr, incluem: 1) Purga periódica de não condensáveis; 2) Adição periódica de octyl alcohol (aditivo); 3) Adição periódica de inibidor de corrosão; 4) Correção periódica de pH. A experiência indica que 20 anos é a expectativa de vida de uma máquina por absorção  o principal limitante é a corrosão! Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 92. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 7 Controle de Capacidade em Ciclos por Absorção Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 93. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 7. Controle de Capacidade em Ciclos por Absorção Se a carga térmica atendida pelo equipamento de refrigeração por absorção diminui ... → a temperatura de entrada da água no evaporador diminui. → se não há nenhum controle a temperatura da água na saída do evaporador diminui, podendo causar congelamento! Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 94. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 7. Controle de Capacidade em Ciclos por Absorção A maioria dos sistemas de controle atua no sentido de manter a temperatura da água de saída do evaporador constante. → se QEV diminui, é necessário diminuir a potência frigorífica do sistema de absorção. Em geral, 3 métodos usuais de controle de capacidade são considerados: 1) Redução de vazão da bomba de solução; 2) Redução da temperatura no gerador TG, e ; 3) Aumento da temperatura de condensação. Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 95. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 7. Controle de Capacidade em Ciclos por Absorção Método 1: Redução da vazão da bomba. Método eficiente desde que QG também seja reduzido proporcionalmente. Causa mudanças nas temperaturas levando a maiores concentrações de LiBr na saída do gerador  maiores COPs mas pode haver cristalização  uso adicional dos métodos 2 e 3. TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT) Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br
  • 96. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013 Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção 7. Controle de Capacidade em Ciclos por Absorção Método 2: Redução de TG Causa a diminuição de QG e por conseguinte de QEV. Realiza-se pelo controle do fornecimento de calor, vazão de vapor (água quente, etc.) que alimenta o gerador. TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT) Universidade de Brasília, Departmento de Engenharia Mecânica LaAR, Laboratorio de Ar Condicionado e Refrigeração www.laar.unb.br