Condensadores Evaporativos para Refrigeração e Climatização

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Disciplina : CCE0317 – Refrigeração e Climatização
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10ª Aula
Curso : 841 - Engenharia Mecânica
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CONDENSADORES EVAPORATIVOS
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 Introdução
Uma instalação que usa um condensador evaporativo dispensa o
 condensador normal; esse equipamento é uma composição de 
condensador e torre numa só peça. 
Em geral é localizado na cobertura, onde funciona melhor, porém pode ser 
instalado em qualquer parte do prédio.
Os condensadores evaporativos podem ser colocados acima ou abaixo 
dos evaporadores, sendo melhor aci­ma; podem ser usados para 
instalações que utilizam mais de um compressor.
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Partes constituintes
 Carcaça - em geral feita de chapas de aço galvanizado, submetidas a 
	tratamento anticorrosivo.
2. Serpentina de condensação - é uma tubulação de cobre com aletas 
 contínuas também de cobre, para resis­tir à corrosão.
Ventiladores - são colocados na parte superior, acima dos eliminadores, 
 	
	para evitar que a água seja arras­tada com o ar. 
	São do tipo dupla entrada, dupla largura e montados no mesmo eixo 
	no caso de haver mais de uma unidade; a descarga do ar pode ser na 
	lateral ou na vertical.
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Motor dos ventiladores - é a máquina acionadora dos ventiladores, deve 
	ficar do lado de fora e protegida contra as intempéries.
Bomba - dágua e motor - fica localizada na parte externa abaixo da 
 
 	bandeja, de modo a trabalhar "afogada", para evitar entrada de ar na 
	sucção.
6. Distribuidor de água e borrifadores - ficam localizados logo acima da 
	serpentina de condensação; são feitos de latão ou cobre e servem 	
	
	para espargir a água pressionada pela bomba de modo uniforme.
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 Bandeja de água - é feita de chapas de aço galvanizado e localiza-se no
	 fundo da carcaça, de modo a rece­ber água depois de passar pelas 
	serpentinas, da caixa ou da rua.
Torneira de bóia - é a peça indicada para manter o nível da água da 
	bandeja sempre constante.
Abertura de entrada de ar - é a abertura colocada logo acima da bandeja 
	
	e abaixo da serpentina de condensação.
 Eliminadores - evitam que a água seja arrastada pelo ar até o 
	ventilador; são feitos de chapas de aço com proteção contra 
	corrosão.
Aberturas de saída do ar - devem ser colocadas do lado oposto à 
	entrada e servem para a saída do ar quen­te; são dutos de chapas 
	galvanizadas.
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 Entrada de gás quente - é um ponto lateral e externo da carcaça, onde
	se liga a tubulação de cobre vinda do compressor.
 Receptor do refrigerante líquido - fica localizado na bandeja e se
 	
	 destina a receber o refrigerante depois de condensado nas 
	serpentinas; daí é enviado ao evaporador do sistema; depois de 
	sofrer a expansão.
14. Saída do refrigerante líquido - é o ponto onde se liga a tubulação de 
	líquido em alta pressão que se destina à serpentina de resfriamento
	da bandeja.
15, Dreno - é uma saída de água controlada por um registro, para
	 esvaziamento da cuba nas ocasiões de reparos e manutenção.
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Funcionamento 
Nas Figs. 6.13 e 6.14 vemos todo o conjunto montado para operação. 
O gás quente oriundo do compressor passa pelas serpentinas de 
condensação, onde recebe a água borrifada; nessa região, o gás cede calor 
à água e ao ar e se condensa, sendo depositado no receptor do líquido sob 
 a forma de líquido em alta pressão. 
Do receptor, o fluido frigorígeno se desloca para a válvula de expansão e daí 
às serpentinas de expansão direta (evaporador), onde circula o ar que é refrigerado. 
No evaporador, o fluido se torna gasoso e novamente é aspirado pelo 
com­pressor pela linha de sucção.
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A bomba-d'água recebe a água depositada na bandeja e pressiona-a no distribuidor de água e borrifadores. 
A água espargida é lançada sobre as serpentinas de condensação, provoca 
troca de calor com o fluido quente e se evapora (calor latente de 
vaporização). 
O ar circulando sob a ação do ventilador mantém contato com as serpen­tinas 
e a água que lhe cede calor, é lançado ao exterior sob a forma quente e 
úmida, ou seja, praticamente saturado.
À semelhança da torre , a temperature de bulbo úmido do ar nunca é atingida 
pela água de retorno situada na bandeja.
Haverá sempre um “approach” (a = tw2 – tu) da ordem de 5 ºC.
tw2 = temperatura da água de retorno em ºC
tu = temperatura de bulbo úmido do ar em ºC
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Dados práticos gerais para os condensadores evaporativos
Vazão de ar dos ventiladores - a vazão dos ventiladores deve ser em
	 torno de 250 CFM por tonelada de refrigeração, ou seja, 7,07 MCM 
	
	por TR.
Água de circulação - a quantidade de água de circulação deve ser de 1 
	GPM por tonelada de refrigeração, ou seja, 3,78 
	
	litros/minuto por TR.
Perdas de água - a quantidade de água perdida por evaporação é da 
	ordem de 2 galões/hora por tonelada de refrigeração, ou seja, 
	0,126 Iitros/minuto por TR, ou seja, cerca de 3,3% de perda.
Na Tabela 6.2 vemos alguns dados para os condensadores evaporativos 
baseada nos dados práticos acima descritos.
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Imaginam um ciclo de Refrigeração 
que não seja por compressão de vapor ?
Conhecem este ciclo ?
fig. 17.1
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REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
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 Relação entre o Ciclo de Absorção e o de Compressão a Vapor
O francês Ferdinand Carré inventou o sistema de absorção e tirou uma patente nos Esta­dos Unidos em 1860. 
O primeiro uso do sistema nos Estados Unidos foi provavelmente feito pelos Estados Confederados durante a Guerra Civil para suprimento de gelo natural que havia sido cortado pelo norte.
O ciclo de compressão de vapor é descrito como um ciclo operado a trabalho por que a elevação da pressão do refrigerante é conseguida por um compressor que requer trabalho. 
O ciclo de absorção, por outro lado, é referido como ciclo operado a calor porque a maior parte do custo de operação é associada com o fornecimento de calor que libera o vapor do líquido de alta pressão. 
Na verdade existe a necessidade de algum trabalho para acionar a bomba no ciclo de absorção, mas a quantidade de trabalho para uma dada quantidade de refrígeração é mínima, comparada com aquela que seria necessária no ciclo de compressão de vapor.
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Vamos lembrar !!!!
Calor (q) entrando = propriedades saindo - propriedades entrando
Calor (q) saindo = propriedades entrando - propriedades saindo
 propriedades ? 
vazão mássica
entalpias
entropias, etc
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Balanço de energia em um volume de controle com vazão constante
(+)
W
(-)
q
(-)
(+)
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m = vazão, kg/s
 h = entalpia, J/kg 
 V = velocidade, m/s 
 z = elevação, m
 g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s2
 q = taxa de transferência de energia na forma de calor, W
 W = taxa de transferência de energia na forma de trabalho, W 
 E = energia do sistema, J
A maioria dos processos ocorrem em condições de regime permanente, 
para os quais o termo dE/d é nulo. 
Nessas condições a equação da energia pode ser escrita como :
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Aquecimento e resfriamento
h1
h2

(h2 – h1)
Trabalho de compressão
h1
h2
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Ciclo de Absorção
fig.17.2
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O ciclo de absorção básico é mostrado na Fig. 17.2.
O condensador e evaporador : mostrados na Fig. 17.1, e a operação de compressão é proporcionada pela montagem apresentada na metade do diagrama à esquerda. 
O vapor de baixa pressão do evaporador é absorvido por uma solução líquida no absorvedor. 
Se esse processo de absorção fosse executado adiabática­mente, a temperatura da solução iria subir e eventualmente a absorção de vapor poderia cessar. 
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Para perpetuar o processo de absorção o absorvedor é resfriado por água ou ar, que finalmente rejeita esse calor para a atmosfera. 
A bomba recebe o líquido de baixa pressão do absorvedor, eleva a sua pressão, e o entrega ao gerador. 
No gerador, calor de uma fonte de alta temperatura expulsa o vapor que tinha sido absorvido pela solução. 
A solução líquida retorna para o absorve­dor por válvula redutora de pressão, cujo propósito é promover a queda de pressão, para manter as diferenças de pressão entre o gerador e o absorvedor.
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Os fluxos de calor de e para os quatro trocadores de calor componentes do ciclo de absor­ção ocorrem da seguinte forma: 
o calor de uma fonte de alta temperatura entra no gerador ; 
en­quanto que o calor a baixa temperatura da substância que está sendo
 refrigerada entra no evaporador. 
A rejeição de calor do ciclo ocorre no absorvedor e condensador a temperaturas tais que o calor possa ser rejeitado para a atmosfera.
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Coeficiente de Eficácia de um Ciclo de Absorção Ideal
O coeficiente de eficácia do ciclo de absorção CDEabs é definido como :
ciclo de potência
ciclo de refrigeração
fig. 17.3
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Em certos aspectos a aplicação do termo CDE para os sistemas de absorção não é feliz porque o seu valor é apreciavelmente menor que os dos ciclos de compressão de vapor (0,6 versus 3, por exemplo). 
O valor comparativamente baixo do CDEabs não deve ser considerado prejudicial para os ciclos de absorção, porque os CDEs dos dois ciclos são definidos diferentemente. 
O CDE do ciclo de compressão de vapor é a relação da taxa de refrigeração pela potência na forma de trabalho fornecida para operar o ciclo. 
Energia na forma de trabalho é normalmente muito mais valiosa e cara que energia na forma de calor.
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Uma compreensão adicional da distinção das eficácias dos ciclos de absorção e compressão de vapor pode ser oferecida pelo exercício de determinar o CDE do ciclo de absorção ideal. 
A Fig. 17-3 sugere como realizar esta análise, porque os processos nos blocos da esquerda consistem de um ciclo de potência que desenvolve o trabalho necessário para realizar a compres­são do vapor do evaporador para o condensador no ciclo de refrigeração. 
Estes dois ciclos são mostrados esquematicamente na Fig. 17-3. 
O ciclo de potência recebe energia na forma de calor qg a uma temperatura absoluta Ts, entrega alguma energia W na forma de trabalho para 
o ciclo de refrigeração e rejeita uma quantidade de energia qa na forma de calor à temperatura Ta. O ciclo de refrigeração recebe o trabalho W e com ele transfere calor qe à temperatura de refrigeração de Tr , para a temperatura Ta, onde a quantidade qc é rejeitada.
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Exemplo 17.1
Qual é o CDE de um sistema de refrigeração ideal operado a calor que tem uma fonte de calor a temperatura de 100º C, uma temperatura de refrigeração de 5ºC e uma temperatura ambiente de 30ºC ?
eq. (17.4)
Pode-se deduzir várias tendências da eq. (17.4) :
1. quando Ts aumenta, o CDE aumenta
2. quando Tr aumenta, o CDE aumenta
3. quando Ta aumenta, o CDE aumenta
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ato 		eto		ito
Quem lembra disto ?
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Propriedades de Concentração-Temperatura-Pressão de Soluções LiBr-Água
O brometo de lítio é um sal sólido cristalino; na presença de vapor de água ele absorve vapor a torna-se uma solução líquida. 
A solução líquida exerce uma pressão de vapor de água que é uma função da temperatura e da concentração da solução. 
Se dois vasos forem conectados, como na Fig. 17-4, um vaso contendo solução de LiBr - água e outro de água pura, cada líquido exerceria uma pressão de vapor. 
No equilíbrio as pressões de vapor de água exercidas pelos dois líquidos seriam iguais. 
.
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Um exemplo de uma condiçãode equilíbrio é notado na Fig. 17-4. 
Se a temperatura da água pura é 40ºC, sua pressão de vapor é 7,38 kPa. 
Esta mesma pres­são de vapor poderia ser desenvolvida por uma solução de LiBr-água a uma temperatura de 80ºC e uma concentração x = 59% LiBr na base mássica. 
Muitas outras combinações de tempe­raturas e concentrações de solução podem fornecer uma pressão de vapor de 7,38 kPa.
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As pressões, temperaturas e concentrações escolhidas como condições exemplo na Fig. 17-4 podem agora ser verificadas. 
Se a temperatura da água pura é de 400C, a pressão de vapor que o líquido exerce é de 7,38 kPa, que pode ser determinada da escala vertical do lado oposto na na Fig. 17-5. 
Uma solução LiBr-água com uma concentração x de 59% e uma temtperatura de 80ºC também desenvolve uma pressão de vapor de água de 7,38 kPa. 
Se a solução tivesse uma concentração x de 54% e temperatura de 70ºC, a pressão de vapor de água seria igualmente de 7,38 kPa.
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Cálculos das Vazões em Massa nos Ciclos de Absorção
O primeiro estágio na análise de um ciclo de refrigeração simples por absorção de LiBr-água pode ser agora realizado utilizando os dados de propriedade apresentados na fig. 17.5.
fig. 17-6
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Exemplo 17-2
Compute a vazão em massa de refrigerante (água) através do condensador e evaporador no ciclo mostrado na Fig. 17-6 se a bomba libera 0,6 kg/s e se prevalecem as seguintes temperaturas: gerador, 100ºC; condensador, 40ºC; evaporador, 10ºC; e absorvedor, 30°C.
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Solução
O cálculo da vazão em massa incorpora balanços materiais usando concentrações aplicáveis de LiBr na solução. 
Existem duas pressões diferentes no sistema: a pressão alta : a pressão alta prevalece no gerador e condensador, enquanto a pressão baixa no absorvedor e evaporador. 
Desde que a condição de saturação de água pura ocorre no condensador devido a existência simultânea de líqui­do e vapor, a temperatura de condensação de 40ºC fixa a pressão no condensador (e portanto no gerador) de 7,38 kPa. 
e
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De raciocínio semelhante, a temperatura do evaporador de 10ºC estabelece a pressão baixa de 1,23 kPa. 
A Fig. 17-7 é um diagrama p-x-t esque­mático extraído da Fig. 17-5 para mostrar os estados da solução de LiBr. 
A solução dei­xando um componente é representativa da solução no componente, assim o estado da solução no ponto 2 deixando o gerador é encontrado da Fig. 17-7 na interseção da temperatura da solução a 100ºC e a pressão de 7,38 kPa. 
Esta concentração é X2 = 0,664 = = 66,4%. 
Deixando o absorvedor à temperatura da solução de 30ºC e uma pressão de 1,23 kPa, X1 = 0,50 = 50%. 
Dois balanços de massa podem ser escritos em torno do gerador:
Balanço de vazão em massa total:
Balanço do LiBr:
m2 + m3 = m1 = 0,6 m3 = 0,6 -0,452 = 0,148
m1 . x1 = m2 . x2 
0,6(0,50) = m2 (0,664)
m3 = 0,148 kg/s
Resolvendo as duas equações de balanço tem-se simultaneamente
m2 = 0,452 kg/s
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Entalpia de Soluções de LiBr
Para realizar os cálculos térmicos sobre um ciclo de refrigeração por absorção, dados de entalpia precisam ser disponíveis para a substância de trabalho em todas as posições cruciais do ciclo. 
Água nas formas líquida ou vapor escoam para e do condensador e evaporador, assim suas entalpias nestes pontos podem ser determinadas de uma tabela de propriedades da água. 
No gerador e absorvedor existem soluções de LiBr-água,para as quais a entalpia é uma função da temperatura e concentração da solução. 
A Fig. 17-8 apresenta dados de entalpia para soluções de LiBr-água. 
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Os dados são aplicáveis para soluções saturadas ou subresfriadas e são baseados em entalpia nula para água líquida a 0ºC e LiBr sólido a 250C. 
Desde que a entalpia nula para a água na solução é a mesma que nas tabelas convencionais de propriedades da água, essas tabelas podem ser usadas em conjunção com a Fig. 17-8. 
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fig. 17.8
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17-7 Análise Térmica de Sistemas de Absorção Simples 
Exemplo 17-3
Para o sistema de absorção do Exemplo 17-2 mostrado na Fig. 17-6 compute qg, qa, qc, qe e o CDE.
Solução
As vazões e as concentrações da solução já foram determinadas no exemplo 17-2:
m1 = 0,6 kg/s, m2 = 0,452 kg/s, e m3 = m4 = m5 = 0,148 kg/s ; x1 = 50%, e x2 = 66,4%.
As entalpias da solução podem ser lidas na Fig. 17-8: 
h1 = h a 300C (da solução) e x de 50% = - 168 kJ/kg
h1 = h a 300C e x de 50% = -168 kJ/kg 
h2 = h a 100ºC e x de 66,4% = -52 kJ/kg
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As entalpias da água líquida e vapor podem ser encontradas na Tabela A-1:
(pág. 455 do livro)
h3 = h de vapor saturado a 100ºC = 2676,0 kJ/kg 
h4 = h de líquido saturado a 40ºC = 167,5 kJ/kg 
hs = h de vapor saturado a 10ºC = 2520,0 kJ/kg
As taxas de transferência de calor em cada componente podem agora ser 
computa­das dos balanços de energia:
qg =m3h3 + m2h2 - m1h1 = 0,148(2676) + 0,452(-52) - 0,6(-168) = 473,3 kW
 
 qc =mch3 - m4h4 = 0,148(2676 - 167,5) = 371,2 kW
qa =m2h2 + m5h5 - m1h1 = 0,452(-52) + 0,148(2520) - 0,6(-168) = 450,3 kW
 
 qe =m5h5 - m4h4 = 0,148(2520 -167,5) = 348,2 kW
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Ciclo de Absorção com Trocador de Calor
O exame do ciclo de absorção simples e das temperaturas de operação, mostrados na Fig. 17-6, revela que a solução no ponto 1 deixa o absorvedor a uma temperatura de 30ºC e precisa ser aquecida a 100ºC no gerador. 
Similarmente a solução no gonto 2 deixa o gerador a 100ºC e precisa ser resfriado até 30ºC e no absorvedor. 
Um dos maiores custos de operação do sistema está no calor adicionado no gerador qg, e realisticamente haverá algum custo associado 
com a remoção de calor do absorvedor qa. 
 Uma adição lógica ao ciclo simples é a de um troca­dor de calor como mostrado na Fig. 17-9 para transferir calor entre as duas correntes de 
solu­ções. 
Este trocador de calor aquece a solução fria do absorvedor em seu caminho para o gerador e esfria a solução que retoma do gerador para o absorvedor.
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Exemplo 17-4
O ciclo simples operando a temperatura mostradas na Fig. 17-6 é modificado pela inserção de um trocador de calor, como mostrado na Fig. 17-9, de tal forma que a temperatura no ponto 2 é de 52oC. 
A vazão em massa do escoamento liberado pela bomba de solução é de 0,6 kg/s. 
Qual é a taxa de transferência de energia em cada componente e o CDE abs deste ciclo?
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Desde que esta mesma taxa de transferência de calor precisa ser suprida pela solução que escoa do gerador para o absorvedor,
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A Fig. 17-8 mostra que a solução de 66,4% com a entalpia de -116 kJ/kg tem uma tempe­ratura de 640C. 
As taxas de transferência de calor no gerador e absorvedor podem agorà 
ser computadas
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o coeficiente de eficácia do sistema que incorporou o trocador de calor é
Este CDE representa uma melhoria em relação ao valor de 0,736 aplicável ao sistema simples sem o trocador de calor.
6%
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Uma outra comparação de interesse é a do ciclo de absorção para o ciclo ideal operado o calor cujo CDE é expressão pela Eq. (17-4). 
A Eq. (17-4) prevê só uma temperatura de rejeição de calor, Ta, enquanto no ciclo de absorção que há duas, 30 e 40ºC. 
Escolhen­do a média daquelas duas temperaturas como a temperatura de rejeição de calor tem-se,
Logo o CDE de absorção nestas condições é menos que a metade do de uma unidade de refrigeração movida a calor.
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Configuração de Unidades de Absorção Comerciais
A construção de uma instalação de absorção comercial tira proveito do fato de que o condensador e o gerador operam à mesma pressão e combinam estes componentes e mesmo vaso. 
Similarmente, desde que o evaporador e o absorvedor operam à mesma pressão estes components também podem ser instalados em um mesmo vaso, como mostrado na Fig. 17-10. 
No vaso de alta pressão o vapor de água do gerador deriva para o condensador, onde é lique­feito, enquanto que no vaso de baixa pressão o vapor de água liberado no evaporador escoa para baixo para o absorvedor. 
Para aumentar a taxa de transferência de calor no evaporador uma 
bomba de recirculação pulveriza a água a ser evaporada sobre os tubos do evaporador para res­friar a água da carga de refrigeração. 
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Note-se que a água gelada que serve a carga de refrigeração é um circuito separado da água que serve como refrigerante na unidade de absorção. 
A manu­tenção de circuitos separados de água ajuda a manter uma maior pureza na unidade de absorção e permite a água que serve a carga de refrigeração operar a pressões acima da atmosfera. 
Um outro aspecto mostrado na Fig. 17-10 é que a água da torre de resfriamento passa em série pelo absorvedor e condensador, extraindo calor de ambos os componentes.
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Na fotografia da unidade de absorção da Fig. 17-11 os vasos de alta e baixa pressões podem ser distinguidos. 
É possível também combinar todos os componentes em um único vaso 
com um separador interno entre as câmaras de alta e baixa pressões.
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O Papel de Unidades de Absorção na Prática de Refrigeração
Os sistemas de absorção passaram por muitos altos e baixos. 
Foi predecessor do sistema de compressão de vapor no Século XIX e os sistemas água-amônia tinham grande aplicação em refrigeradores domésticos e grandes instalações industriais, como indústrias químicas e de processos. 
O sistema LiBr-água foi comercializado nos anos 40 e 50 como resfriadores de água para ar condicionado de grandes edifífcios. 
Eles eram energízados por vapor ou água quente gerados em caldeiras a óleo e gás natural. 
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Nos anos 70 a substituição de combustão direta de óleo e gás natural afetou a aplicação de unidades de absorção, mas ao mesmo tempo abriu outras oportu­nidades, como a utilização de calor derivado de coletores solares para energizar unidades de absorção. 
Também em função do aumento crescente do custo da energia, o calor de baixo nível de temperatura (na faixa de 90 a 110ºC), que era anteriormente rejeitâdo para a atmosfera em instalações químicas e de processo, é agora frequentemente usado para operar sistemas de absorção que fornece refrigeração necessária em algum outro ponto da fábrica.
 A combinação de sis­temas de absorção com sistemas de compressão de vapor, é uma outra aplicação de unidades de absorção que permanece atrativa.