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Disciplina : CCE0317 – Refrigeração e Climatização 1 10ª Aula Curso : 841 - Engenharia Mecânica 2 Curso : 841 - Engenharia Mecânica CONDENSADORES EVAPORATIVOS 3 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. Curso : 841 - Engenharia Mecânica 4 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 5 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. Curso : 841 - Engenharia Mecânica 6 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. Curso : 841 - Engenharia Mecânica 7 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. Curso : 841 - Engenharia Mecânica 8 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. Curso : 841 - Engenharia Mecânica 9 1 2 3 4 5 6 7 12 10 14 15 13 8 9 112 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 10 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. Curso : 841 - Engenharia Mecânica 11 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 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 12 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 13 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 14 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. Curso : 841 - Engenharia Mecânica 15 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 16 Curso : 841 - Engenharia Mecânica Imaginam um ciclo de Refrigeração que não seja por compressão de vapor ? Conhecem este ciclo ? fig. 17.1 17 Curso : 841 - Engenharia Mecânica REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO 18 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 19 Curso : 841 - Engenharia Mecânica Vamos lembrar !!!! Calor (q) entrando = propriedades saindo - propriedades entrando Calor (q) saindo = propriedades entrando - propriedades saindo propriedades ? vazão mássica entalpias entropias, etc 20 Curso : 841 - Engenharia Mecânica Balanço de energia em um volume de controle com vazão constante (+) W (-) q (-) (+) 21 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 : 22 Curso : 841 - Engenharia Mecânica Aquecimento e resfriamento h1 h2 (h2 – h1) Trabalho de compressão h1 h2 23 Curso : 841 - Engenharia Mecânica Ciclo de Absorção fig.17.2 24 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 25 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 26 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 27 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 28 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 29 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 30 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 31 Curso : 841 - Engenharia Mecânica ato eto ito Quem lembra disto ? 32 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. . 33 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 34 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 35 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 36 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 37 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 38 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 39 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 40 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 41 Curso : 841 - Engenharia Mecânica fig. 17.8 42 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 43 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 44 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 45 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 46 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 47 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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? 48 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 49 Curso : 841 - Engenharia Mecânica Desde que esta mesma taxa de transferência de calor precisa ser suprida pela solução que escoa do gerador para o absorvedor, 50 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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 51 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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% 52 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 53 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 54 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 55 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 56 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 57 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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. 58 Curso : 841 - Engenharia Mecânica 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.
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