O documento apresenta informações sobre João Pimenta e as atividades do Laboratório de Ar Condicionado e Refrigeração (LaAR) da Universidade de Brasília no campo da refrigeração por absorção. O texto descreve o funcionamento do ciclo de refrigeração por absorção utilizando a solução água-brometo de lítio e as vantagens deste tipo de sistema em relação à refrigeração por compressão.
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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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13. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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14. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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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)
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16. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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.
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17. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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18. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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.
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19. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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1. INTRODUÇÃO
Chiller de queima direta (Broad).
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20. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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.
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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
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22. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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1. INTRODUÇÃO
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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
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24. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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.
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25. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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2. COP dos Ciclos por Absorção
Ashrae Handbook Refrigeraton 2002, Chapter 41
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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
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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 THTCD
QH
Motor Térmico W W Refrigerador
QEV
TL TL→ TEV
QG TH
QEV TEV
W TH TL W TCD TEV
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28. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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2. COP dos Ciclos por Absorção
Motor térmico x Refrigerador: Rendimento de Carnot
TH TG THTCD TAMB
Motor Térmico W W Refrigerador
TLTABS e TCDTAMB TL→ TEV
TG
Temperatura
TAMB
TEV
Entropia
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29. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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2. COP dos Ciclos por Absorção
Acoplando estes ciclos, determinamos a equação para o
COP de um ciclo por absorção.
TH TG THTCD TAMB
QH
W W
QEV
TLTABS e TCDTAMB
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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30. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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31. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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2. COP dos Ciclos por Absorção
Assim,
QEV
WTEV TG TAMB
COPABS
QG TAMB TEV
WTG
TEV TG TAMB
COPABS
TG TAMB TEV
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32. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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2. COP dos Ciclos por Absorção
Vejamos um exemplo simples,
onde calculamos o COP de
Carnot...
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33. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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34. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
278,15100 30
COPABS
373,1530 5
COPABS 2,09
COP ideal > COP que seria obtido de um ciclo
real de refrigeração por absorção
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35. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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]
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36. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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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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
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38. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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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
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40. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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41. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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42. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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43. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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3. Propriedades T-X-P de Soluções H2O-Brometo de Lítio
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44. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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45. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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...
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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
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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%
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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
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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
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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 hT 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 hx 1, T4 40o C 167,5 kJ kg
h5 h x 1, T5 10o C 2520 kJ kg
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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
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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
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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 283,15100 30 19820,5
COPABS ,ideal
TG TCD TEV 373,1540 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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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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5
CRISTALIZAÇÃO
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5. CRISTALIZAÇÃO
Nos gráficos apresentados antes observamos a
existência de zonas ditas de cristalização.
CRISTALIZAÇÃO
CRISTALIZAÇÃO
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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
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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.
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5. CRISTALIZAÇÃO
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72. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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5. CRISTALIZAÇÃO
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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5. CRISTALIZAÇÃO
Causas da cristalização:
• Penetração de ar
• Temperatura da água de resfriamento
muito baixa ou flutuante
• Falta de energia
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74. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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
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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)
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76. 2ª Escola de Verão de Refrigeração, Poli/USP, 28 a 31 de Janeiro de 2013
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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.
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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.
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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
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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
m3 0,435
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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.
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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
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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
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6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção
CONDENSADOR
GERADOR
EVAPORADOR /
ABSORVEDOR
BOMBAS
HERMÉTICAS
Chiller Absorção Simples Estágio York, 120-1377 TR (420-4840 kW)
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6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção
TRANE: Absorption Water Chillers (TRC011EN.PPT)
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6. Equipamentos Comerciais de Refrigeração por Absorção
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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;
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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);
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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);
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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.
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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!
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Atividades do LaAR/UnB no campo da Refrigeração por Absorção
7
Controle de Capacidade
em Ciclos por Absorção
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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!
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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.
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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)
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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)
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