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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DAVI PAVIS PARRO PAULO HENRIQUE FERREIRA PME 2479 – MÁQUINAS TÉRMICAS Chiller de Absorção – Água⁄Brometo de Lítio São Paulo 2013 DAVI PAVIS PARRO PAULO HENRIQUE FERREIRA PME 2479 – MÁQUINAS TÉRMICAS Chiller de Absorção – Água⁄Brometo de Lítio Trabalho apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a disciplina PME 2479. Área de Concentração: Chiller de Absorção, Máquinas Térmicas. Professor: Jurandir Itizo Yanagihara São Paulo 2013 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 1 2. HISTÓRICO E ESTADO DA ARTE .............................................................................................. 1 3. CHILLER DE ABSORÇÃO DE H2O/LIBR .................................................................................... 3 3.1. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO E DE SEU FUNCIONAMENTO GERAL............................. 3 3.1.1. CICLO DE ABSORÇÃO ............................................................................................................ 3 3.1.2. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO E SEU FUNCIONAMENTO ................................................................. 5 3.1.2.1. COMPONENTES DO EQUIPAMENTO ..................................................................................... 5 3.1.2.2. TIPOS DE SISTEMA DE ABSORÇÃO DE H2O/LIBR .................................................................. 6 3.1.2.2.1. SISTEMAS DE SIMPLES EFEITO .......................................................................... 6 3.1.2.2.2. SISTEMAS DE DUPLO EFEITO ............................................................................ 8 3.1.2.3. ANÁLISE TERMODINÂMICA ............................................................................................. 12 3.2. DESCRIÇÃO DOS SEUS COMPONENTES E ACESSÓRIOS ............................................... 14 3.3. CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE EQUIPAMENTOS TÍPICOS ......................................... 20 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................................ 21 5. PRINCIPAIS FABRICANTES .................................................................................................... 22 6. REFERÊNCIAS ............................................................................................................................ 23 Índice de Figuras Figura 1-Diagrama PxH do Ciclo de Absorção ........................................................... 4 Figura 2-Processos do Ciclo de Absorção ................................................................... 5 Figura 3-Esquema do Ciclo de Absorção .................................................................... 5 Figura 4-“Chiller” a Absorção de Simples Efeito (Trane Co.) ..................................... 7 Figura 5-“Chiller” a Absorção de Duplo Efeito ........................................................... 9 Figura 6-Configurações de fluxo para “chillers” duplo efeito (Trane Co.): ................ 10 Figura 7-“Chiller” a Absorção de Duplo Efeito do Tipo Fogo Direto (Trane Co.) ..... 12 Figura 8-Planta de Sistema de Refrigeração por Absorção ........................................ 13 Figura 9-a) Condensador arrefecido a ar; b) esquema das aletas do permutador de calor (WHITMAN et al., 2008) ..................................................................................................... 15 Figura 10-a) Bomba de circulação de fluidos; b) esquema de funcionamento de uma bomba com um único rotor (WHITMAN et al., 2008) .......................................................... 16 Figura 11-a) Evaporador com ventilação forçada a ar; b) Esquema dos tubos alhetados do evaporador (WHITMAN et al., 2008) .............................................................................. 17 Figura 12-Comparação entre o COP: Duplo Efeito x Simples Efeito ......................... 22 Índice de Tabelas Tabela 1-Características Típicas de Sistemas de Absorção de Simples Efeito ............ 19 Tabela 2-Características Típicas de Sistemas de Absorção de Duplo Efeito, Fogo indireto ................................................................................................................................ 20 Tabela 3-Características Típicas de Sistemas de Absorção de Duplo Efeito tipo, Fogo direto ................................................................................................................................... 20 Tabela 4-Fabricantes................................................................................................. 22 1 1. INTRODUÇÃO A utilização de sistemas de refrigeração por absorção vem se mostrando uma alternativa para o aproveitamento de rejeitos térmicos de processos comerciais e industriais, compondo sistemas de cogeração e trigeração, com forte potencial econômico e importante papel ambiental, e na redução da dependência de outros ciclos de refrigeração cujos fluidos de trabalho são CFC’s. Dentre os benefícios advindos do uso desse sistema, pode-se citar: • Sistemas de absorção necessitam de menor consumo de energia elétrica quando comparados com os sistemas de compressão de vapor; • Plantas de absorção são silenciosas e livres de vibração; • Calor recuperado pode ser utilizado como insumo energético (em substituição ao trabalho mecânico) em ciclos de refrigeração por absorção; • Plantas de absorção não causam danos à camada de ozônio e podem ter menor impacto no aquecimento global do que outras opções; • Plantas de absorção são economicamente atrativas quando os custos dos combustíveis são substancialmente menores que os de energia elétrica, com o custo do combustível de 12 a 20 % do custo da energia elétrica. As temperaturas de evaporação obtidas com sistemas de refrigeração podem variar de 10ºC a -59ºC, com vários ciclos e fluidos. Para bombas de calor as temperaturas de entrada no evaporador podem atingir facilmente 100ºC (ASHRAE Refrigeration Handbook, 1994). 2. HISTÓRICO E ESTADO DA ARTE Em 1824, Michael Faraday obteve êxito com seus experimentos ao conseguir liquefazer amônia, dando início a uma série de aplicações termoquímicas que estavam por vir e em especial os ciclos de refrigeração. Já em 1850, os irmãos franceses Edmond e Ferdinand Carré propuseram um sistema de refrigeração por absorção baseado no par água, como fluido absorvente, e ácido sulfúrico, como fluido refrigerante, tendo em 1859 introduzido o par água e amônia, com patente nos Estados Unidos, sendo utilizado na então Guerra Civil Americana pelos Estados Confederados do Sul, 2 devido ao corte do suprimento de gelo natural, pelo Norte, usado como aplicação principal na conservação de alimentos. Seu estudo e utilização ficaram populares até o início do século XX, quando deram lugar aos ciclos por compressão a vapor, que tomaram o lugar no mercado por seremmais eficientes. Por volta de 1920, o Eletrolux apresentou o primeiro sistema de refrigeração por absorção a ser construído em escala industrial, para atender a demanda de trailers, que não dispunham de eletricidade suficiente para um sistema de compressão. Então, em 1950, foi apresentado um novo par refrigerante, o brometo de lítio e água. Com a crise do petróleo de 1973, que se traduziu numa crise energética, devido aos baixos COP’s dos ciclos por absorção, perdeu-se um pouco do interesse por eles, o que veio a ser retomado ao final do século XX e início do século XXI, devido ao aumento do interesse por alternativas ambientalmente melhores e que conduzissem na redução ou aproveitamento dos créditos de carbono, como ratificado pelo “Protocolo de Kyoto” à “Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre as Mudanças no Clima” Desde então, vários estudos foram feitos para se determinar os parâmetros de melhor eficiência e funcionamento de sistemas semelhantes com o princípio de absorção, além do desenvolvimento de outros sistemas com aplicação em refrigeração e ar condicionado. GHADAR et al. (1996) propuseram um sistema de refrigeração residencial baseado no conjunto de um ciclo por absorção de água e brometo de lítio com o aproveitamento da energia captada por coletores solares. Já FRANCISCO et al. (2002) construíram um protótipo de uma unidade de refrigeração por absorção para ser usado em instalações rurais, com par refrigerante de água e amônia, também em conjunto com coletores solares. Já no estudo da eficiência do ciclos, têm-se KANG et al.(2000), que comparou os ciclos de absorção de amônia-água com o de água-brometo de lítio, para se encontrar as temperaturas ideais de funcionamento. TALBI e AGNEW (2002) simularam a performance da combinação de uma unidade de refrigeração por absorção com um motor a diesel, aproveitando os gases de combustão no funcionamento do sistema de refrigeração, o qual, por sua vez, resfriava o ar de admissão, aumentando assim sua eficiência. PIMENTA et al.(2004) fizeram o estudo de um sistema compacto de refrigeração por absorção de simples efeito aplicado num veículo com motor de combustão interna, afim de verificar o aproveitamento dos gases quentes de ejeção como fonte de calor de um sistema de refrigeração. 3 FLORIDES et al.(2003) avaliaram o desempenho de um ciclo de absorção com uma metodologia própria, através da análise individual de cada componente do equipamento, realizando simulações em comparação com testes experimentais, através de um sistema de refrigeração desenvolvido por eles. ADEWUSI et al. (2004) fizeram uma comparação entre o desempenho de um ciclo de absorção de simples efeito e de duplo, verificando que o sistema de duplo efeito possui um COP superior e, em contraponto, uma maior geração de entropia. EZZINE et al. (2004) avaliaram as propriedades do ciclo por absorção nos diversos pontos pela Segunda Lei da Termodinâmica, afim de verificar seu melhor aproveitamento. KIM et al.(2008a) desenvolveu um sistema capaz de uma simulação simplificada e rápida de um sistema de absorção. PRATIHAR et al. (2010) estudaram e simularam um sistema de refrigeração por absorção, que usava o par amônia e água para um sistema de climatização, e compararam com um sistema de refrigeração por compressão de vapor do refrigerante R-22. LIN et al.(2011) fizeram o estudo do ciclo de absorção de amônia de dois estágios também para aplicar num sistema de refrigeração com base solar. Além destes, muitos outros trabalhos já foram publicados envolvendo o estudo e a experimentação de diferentes tipos de ciclo de absorção, os que foram citados aqui ilustram o desenvolvimento e panorama atual do conhecimento sobre este assunto, dada a sua importância. 3. CHILLER DE ABSORÇÃO DE H_2 O/LiBr 3.1. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO E DE SEU FUNCIONAMENTO GERAL 3.1.1. Ciclo de Absorção O ciclo de absorção é semelhante em sua simplificação teórica com relação ao ciclo de compressão de vapor (Stoecker, 1985). Ambos operam com um condensador, uma válvula de expansão e um evaporador, distinguindo-se de como o vapor de baixa pressão do evaporador chegará à alta pressão ao entrar no condensador. 4 FIGURA 1-DIAGRAMA PXH DO CICLO DE ABSORÇÃO No ciclo de absorção, ocorre transferência de calor da região de baixa temperatura para a de alta temperatura através de processos de absorção e dessorção da água na fase vapor da solução liquida (água e brometo de lítio). Na absorção, transfere-se calor para a região de temperatura intermediária (ambiente para ciclo de refrigeração) e, durante a dessorção, transfere-se calor para o ciclo a partir de uma fonte quente, conforme mostrado na figura abaixo, com nova transferência de calor para a região de temperatura intermediária. O ciclo é composto, basicamente, por quatro processos, sendo dois deles caracterizados por trocas de calor e os dois outros caracterizados por trocas de calor e também de massa. Estes processos são os seguintes: vaporização do refrigerante no evaporador; absorção do refrigerante pela solução no absorvedor; separação (dessorção) do refrigerante no gerador; condensação do refrigerante no condensador. 5 FIGURA 2-PROCESSOS DO CICLO DE ABSORÇÃO 3.1.2. Descrição do Equipamento e seu Funcionamento 3.1.2.1. Componentes do Equipamento A seguir, encontra-se um esquema simplificado do ciclo de absorção: FIGURA 3-ESQUEMA DO CICLO DE ABSORÇÃO 6 Os componentes básicos são: gerador, onde há separação (dessorção) do refrigerante da substância absorvente; condensador, onde o refrigerante é condensado e há transferência de calor para o meio; válvula de expansão, destinada a reduzir a pressão do fluxo de refrigerante do nível do condensador para o nível do evaporador; válvula redutora de pressão, cuja finalidade é manter a diferença de pressão entre gerador e absorvedor; evaporador, onde o refrigerante passa da fase líquida para a fase vapor, devido ao calor transferido da região a ser refrigerada; absorvedor, onde o refrigerante é absorvido pela substância absorvente, com transferência de calor para o meio; bomba de solução, responsável pela transferência da mistura pobre em absorvente do absorvedor para o gerador. Neste ciclo simplificado admite-se que apenas o refrigerante é vaporizado no gerador, e desta forma somente o refrigerante percorre o condensador, válvula de expansão e evaporador. 3.1.2.2. Tipos de Sistema de Absorção de H_2 O/LiBr 3.1.2.2.1. Sistemas de Simples Efeito A figura 4 a seguir identifica o equipamento de um “chiller” a absorção comercial de simples efeito, do tipo fogo-indireto, e seus principais componentes. Na análise de seu funcionamento, temos que o vapor formado no evaporador é enviado para os tubos do gerador, até atingir a ebulição da solução absorvente que está em contato com a parte externa desses tubos, causando a formação de vapor de refrigerante (vapor d'água) o qual escoa para o condensador passando por entre os eliminadores de gotas existentes entre estes dois componentes. No condensador, o vapor é então condensado na parte externa de tubos resfriados 7 por água que, em geral, é posteriormente enviada para uma torre de resfriamento. Os dois processos, ebulição e condensação, ocorrem num vaso com um mesmo valor típico de 6,0 kPa de pressão. FIGURA 4-“CHILLER” A ABSORÇÃO DE SIMPLES EFEITO (TRANE CO.) Após, o refrigerante condensado escoa por um orifício (ou chamado purgador de líquido), localizado no fundodo condensador, sendo assim reenviado para o evaporador. Nele, o refrigerante é lançado sobre os tubos por onde circula o fluxo de água, que deve ser resfriado através da transferência de calor para o refrigerante (a água líquida), o qual será novamente vaporizado e retornará para o início do processo. A parte de refrigerante não vaporizado é então coletada no fundo do evaporador e levada para a bomba, passando pelo sistema de distribuição, localizado acima do banco de tubos do evaporador, e é mais uma vez borrifado sobre os tubos por onde circula a água gelada, sendo que o refrigerante vaporizado ali é levado para o absorvedor, onde será absorvido pela solução advinda do gerador. A solução concentrada, devido a liberação do vapor de refrigerante, que deixa o gerador flui por um dos lados do recuperador de calor de solução, sendo resfriada pelo fluxo de solução diluída, que advêm do absorvedor e escoa para o gerador. Reduzindo então a quantidade de 8 calor necessário para aquecer a solução no gerador. Após passar pelo recuperador de calor a solução é enviada para o sistema de distribuição localizado acima dos tubos do absorvedor, sendo então borrifada sobre a superfície externa dos tubos do absorvedor. Durante este processo a solução concentrada absorve o vapor de refrigerante que sai do evaporador. Ao longo do processo de absorção é necessário transferir energia da solução devido aos processos de condensação e diluição do vapor de refrigerante na solução (“entalpia de condensação e diluição”). Para que isto ocorra há um fluxo de água de resfriamento que passa no interior dos tubos do absorvedor. A pressão no vaso que contém o evaporador e absorvedor é de cerca de 0,7 kPa. A solução diluída que deixa o absorvedor é bombeada pela bomba de solução para o recuperador de calor de solução e, posteriormente, para o gerador. A Tabela 1 apresenta algumas características típicas destes sistemas de absorção. Os valores típicos de coeficiente de eficácia para unidades de grande porte, em condições estabelecidas pelas normas ARI (American Refrigeration Institute) situam-se entre 0,7 e 0,8 (ASHRAE, 1994). 3.1.2.2.2. Sistemas de Duplo Efeito O sistema de duplo efeito apresenta-se como uma otimização do sistema de simples efeito através do emprego da evaporação de múltiplo efeito, largamente utilizado na indústria química. A Figura 5 a seguir mostra o esquema de um sistema de refrigeração a absorção existente no mercado, de duplo efeito e do tipo fogo-indireto. Os principais componentes são análogos ao sistema de simples efeito, excetuando-se o gerador primário, condensador, trocador de calor e trocador de calor de subresfriamento de condensado. A operação do sistema de duplo efeito é similar à do sistema de simples efeito. O gerador primário é aquecido com vapor a cerca de 9 bar, liberando então o refrigerante. Este vapor chega aos tubos do gerador secundário para então condensar-se, acarretando na concentração da solução que escoa pela parte externa dos tubos, consequentemente liberando vapor de refrigerante adicional, sem que haja consumo de uma quantidade extra de insumo energético. A pressão interna na região do gerador primário é de cerca de 1,02 bar. O trocador de calor adicional (trocador a alta temperatura) opera com as soluções intermediária (que sai do gerador primário) e diluída (que vai para o gerador) e tem por finalidade pré-aquecer a solução diluída. Devido ao gradiente de pressão entre os dois geradores, um dispositivo mecânico controla a vazão na saída deste trocador de calor para 9 manter um selo líquido entre os dois geradores. Uma válvula, colocada na saída do trocador de calor e controlada pelo nível de líquido do gerador primário, mantém esse selo. FIGURA 5-“CHILLER” A ABSORÇÃO DE DUPLO EFEITO Um ou mais trocadores de calor podem ser utilizados no sub-resfriamento do condensado, pré-aquecendo as soluções diluída e/ou intermediária. Isto acarreta na redução da quantidade de vapor necessária para efetuar uma mesma carga térmica de refrigeração. A solução concentrada que flui para o absorvedor pode ser misturada com a solução diluída e bombeada para ser borrifada sobre os tubos do absorvedor, ou enviada diretamente do trocador de calor a baixa temperatura para o absorvedor. Os “chillers” de duplo efeito são classificados em conforme o fluxo que a solução absorvedora percorre no equipamento. Seguem as três configurações existentes: 10 FIGURA 6-CONFIGURAÇÕES DE FLUXO PARA “CHILLERS” DUPLO EFEITO (TRANE CO.): (A) EM SÉRIE, (B) SÉRIE-REVERSO E (C) EM PARALELO • fluxo em série: toda a solução que deixa o absorvedor é enviada para uma bomba e em seguida passa, respectivamente, pelo trocador de calor a baixa temperatura, tocador de calor a alta 11 temperatura, gerador primário, gerador secundário, trocador de calor a baixa temperatura e absorvedor (Fig. 12a); • fluxo série-reverso: a solução que deixa o absorvedor é bombeada através do trocador de calor a baixa temperatura e em seguida enviada para o gerador secundário. Neste ponto a solução é dividida em dois fluxos, sendo um deles conduzido ao trocador a calor a baixa temperatura e depois ao absorvedor. O outro fluxo passa respectivamente por uma bomba, trocador de calor a alta temperatura, gerador primário e trocador de calor a alta temperatura. Este fluxo reencontra a solução que sai do gerador secundário e ambos passam pelo trocador a baixa temperatura, direcionando-se para o absorvedor (Fig.12b). • fluxo em paralelo: a solução que deixa o absorvedor é bombeada através de partes adequadas do trocador de calor combinado a alta e baixa temperatura, sendo então dividida em dois fluxos, um conduzido para o gerador primário e outro para o secundário. Os dois fluxos retomam para as partes apropriadas do trocador de calor combinado, são misturadas e enviadas para o absorvedor sequencialmente (Fig 12c). Os sistemas de duplo efeito consomem vapor a pressões moderadas (de 6,5 a 10 bar) ou líquidos com temperaturas de150 a 200ºC. Os coeficientes de eficácia típicos variam de 1,1 a 1,2. Um sistema de duplo eleito produz uma capacidade de resfriamento aproximadamente 50 a 80% superior à de um sistema de simples efeito, para um mesmo consumo de energia. A Tabela 2 apresenta algumas características típicas de sistemas de duplo efeito encontrados no mercado. A Figura 7 a seguir mostra um esquema de um chiller de absorção de duplo efeito do tipo fogo direto. As principais diferenças com relação ao tipo fogo indireto são a inexistência do trocador de calor para sub-resfriar o condensado (advindo do vapor de alimentação do gerador primário), e o fato deste mesmo gerador operar com gases de combustão. A operação deste sistema é idêntica à do sistema de fogo indireto. Os combustíveis normalmente empregados nos sistemas fogo direto são o gás natural ou óleo combustível, sendo que a maioria dos modelos pode utilizar os dois combustíveis. 12 FIGURA 7-“CHILLER” A ABSORÇÃO DE DUPLO EFEITO DO TIPO FOGO DIRETO (TRANE CO.) 3.1.3. Análise Termodinâmica Assumindo a hipótese de que as variações de energia cinética e potencial são desprezíveis, e considerando o escoamento em regime permanente, o balanço de calor e massa para cada componente, representado no esquema, é dado por: 13 FIGURA 8-PLANTA DE SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO Gerador: �̇�𝒈 = �̇�𝟔𝒉𝟔 + �̇�𝟏𝒉𝟏 − �̇�𝟓𝒉𝟓 Trocador de Calor: �̇�𝟒(𝒉𝟓 − 𝒉𝟒) = �̇�𝟏(𝒉𝟏 − 𝒉𝟐) Absorvedor: �̇�𝒂 = �̇�𝟖𝒉𝟖 + �̇�𝟐𝒉𝟐 − �̇�𝟒𝒉𝟒 Bomba: �̇�𝒃 = �̇�𝟑(𝒉𝟒 − 𝒉𝟑)𝒉𝟒 ≅ 𝒉𝟑 (diferença muito pequena - líquido) Condensador: �̇�𝒄 = �̇�𝟔(𝒉𝟔 − 𝒉𝟕) Válvula de Expansão: 𝒉𝟖 = 𝒉𝟕 14 Evaporador: �̇�𝒆 = �̇�𝟖(𝒉𝟖 − 𝒉𝟕) Coeficiente de Performance, COP: 𝑪𝑶𝑷 = �̇�𝒆 �̇�𝒈 (Obs.: considerando desprezível a energia gasta na bomba) Onde: �̇�𝒄 – calor liberado pelo condensador, kJ/s �̇�𝒆 – capacidade de refrigeração, kJ/s �̇�𝒂 – calor rejeitado pelo absorvedor, kJ/s �̇�𝒈 – calor absorvido pelo gerador, kJ/s �̇�𝒃 – potência da bomba, kJ/s �̇� – vazão mássica de refrigerante, kg/s 𝒉 - entalpia, kJ/kg 𝑪𝑶𝑷 – coeficiente de performance 3.2. DESCRIÇÃO DOS SEUS COMPONENTES E ACESSÓRIOS Gerador Os geradores de queima indireta são trocadores de calor, normalmente do tipo casco e tubo, onde a mistura de fluido refrigerante e absorvente pode ser pulverizada sobre o exterior dos tubos, ou então estes podem encontrar-se imersos na solução. Neste componente existe um fluido a temperatura elevada que circula no interior dos tubos, transmitindo calor para a solução através das paredes dos tubos do trocador. Os geradores de queima direta consistem num arranjo que contém uma câmara de combustão e um conjunto de tubos, nos quais circula a mistura binária de refrigerante e absorvente. O calor advindo da queima do combustível, aquece as paredes dos tubos da serpentina do trocador de calor, onde circula a solução, que por sua vez é aquecida até a ebulição. O vapor proveniente deste processo passa pelo retificador, que irá promover o 15 aumento da concentração do refrigerante pois o remanescente do fluido absorvente acaba por condensar e retornar ao gerador. A solução diluída e com forte capacidade de absorção volta ao absorvedor para captar novamente o vapor de refrigerante proveniente do evaporador. Os geradores de sistemas com duplo efeito ou sistemas com vários estágios de separação são usualmente do tipo casco e tubos, semelhantes àqueles de sistemas de um único efeito, sendo que o meio de aquecimento é o vapor de refrigerante que escoa no interior dos tubos do gerador primário. Os materiais de construção são aço carbono para as regiões em contato com o absorvente e cobre ou ligas cobre-níquel para os tubos. Os eliminadores de gotas são de aço inoxidável. Condensador O condensador é um trocador de calor que recebe o refrigerante na forma de vapor, que ao percorrer o feixe de tubos vai liberar calor para o meio externo, que se encontra a uma temperatura menor. Esta transmissão de calor é intensificada pelo circuito de arrefecimento, que pode consistir numa circulação forçada de água ou ar. Os materiais comumente usados são o cobre ou ligas de cobre-níquel para os feixes de tubos, e os aços carbono, ou aços inoxidáveis. FIGURA 9-A) CONDENSADOR ARREFECIDO A AR; B) ESQUEMA DAS ALETAS DO PERMUTADOR DE CALOR (WHITMAN ET AL., 2008) Absorvedor O absorvedor normalmente é constituído por um feixe de tubos, nos quais ocorre a mistura da solução absorvente com o vapor superaquecido do refrigerante, oriundo do 16 evaporador. Este processo ocorre com liberação de calor, o qual é dissipado para um circuito de arrefecimento, que pode funcionar a água ou a ar. Os materiais mais usados na construção destes equipamentos são o aço carbono, para o depósito de retenção dos fluidos e para o feixe de tubos. Recuperador de calor da solução Este trocador de calor é do tipo casco e tubo ou de placas e tem por finalidade transferir calor entre os dois fluxos de solução, o que deixa o gerador e o que deixa o absorvedor. O material de construção é o aço carbono ou aço inoxidável. Bomba A bomba tem como função promover a circulação da mistura de fluidos no sistema, contribuindo para aumentar a pressão do mesmo. Os principais tipos de bombas são as herméticas e as semi-herméticas. As bombas são arrefecidas pelo próprio fluido circulante ou por outro fluido refrigerante. Os materiais encontrados nestes dispositivos são o bronze, o ferro fundido ou o aço inoxidável. FIGURA 10-A) BOMBA DE CIRCULAÇÃO D E FLUIDOS; B) ESQUEMA DE FUNCIONAM ENTO DE UMA BOMBA COM UM ÚNICO ROTOR (WHITMAN ET AL., 2008) Purgador 17 Nos sistemas de refrigeração que utilizam os pares água e brometo de lítio é necessária a existência de um sistema de purga, para remover fluidos não condensáveis, neste caso o ar. O ar atmosférico tende a entrar no circuito do sistema, pois estes equipamentos que usam o brometo de lítio como absorvente operam a pressões inferiores à atmosférica o que facilita a infiltração do ar. Como estas infiltrações prejudicam o desempenho dos equipamentos é necessário eliminar o ar através do purgador (ASHRAE, 2006 -a). Evaporador Este trocador de calor é usualmente do tipo casco e tubo, sendo que o refrigerante é borrifado sobre a superfície externa dos tubos. O líquido a ser resfriado passa pela parte interna dos tubos. Os bancos de tubos do evaporador são construídos em cobre ou numa liga cobre- níquel. O compartimento do evaporador é construído em aço carbono e os eliminadores de gotas em aço inoxidável. FIGURA 11-A) EVAPORADOR COM VENTILAÇÃO FORÇADA A AR; B) ESQUEMA DOS TUBOS ALHETADOS DO EVAPORADOR (WHITMAN ET AL., 2008) Sub Resfriador de Condensado Este trocador é empregado em sistemas de duplo efeito e destina-se a pré-aquecer a solução que entra no gerador, a partir do sub-resfriamento do condensado que deixa o estágio de alta pressão. Trata-se de uma variante do recuperador de calor da solução. Células de Paládio 18 Estas células são encontradas em grandes Unidades do tipo fogo-direto e pequenas Unidades do tipo fogo-indireto. São destinadas à remoção de pequenas quantidades de hidrogênio gerado num processo de corrosão. Estes dispositivos operam segundo o princípio de que membranas de paládio aquecidas são permeáveis apenas ao hidrogênio. Inibidores de Corrosão São empregados para proteger as partes internas do sistema de refrigeração de efeitos corrosivos provocados pela solução absorvente na presença de ar. Os compostos típicos empregados são o cromato de lítio, nitrato de lítio ou molibdato de lítio. Para que estes inibidores sejam eficazes os contaminantes e a faixa de pH da solução devem estar dentro de valores aceitáveis. O controle do pH da solução é conseguido pela adição de hidróxido de lítio e ácido hidrobrômico. Aditivos para Incrementar a Transferência de Calor e Massa Estes aditivos, como o álcool octílico, destinam-se a melhorar os coeficientes de transferência de calor e massa dos processos de absorção do vapor de água e resfriamento da solução de brometo de lítio. Com estes aditivos reduz-se a tensão superficial e aumenta-se- a convecção na interface entre o vapor de refrigerante e a solução, aumentando a taxa de absorção do vapor de água pela solução. Controle do Fluxo de Refrigerante O controle do fluxo de refrigerante entre o condensador e o evaporador é normalmente obtido com orifícios, adequados para os estágios de alta ou baixa pressão, ou por purgadores de liquido, adequados apenas para condensadores de estágio de baixa pressão. Controle do Fluxo de Solução O controle do fluxo de solução entre o gerador e absorvedor é realizado através do emprego de válvulas de controle de vazão (para o gerador primário de sistemas de duplo efeito), bombas de solução de velocidade variável ou purgadores de líquido. 19 3.3. CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE EQUIPAMENTOS TÍPICOS Nestetópico, são apresentados valores típicos das condições operacionais de chillers de Absorção H20/Brometo de Lítio. A seguir, as condições são apresentadas para os chillers do tipo simples efeito, duplo efeito – fogo indireto, duplo efeito –fogo direto, respectivamente. TABELA 1-CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE SISTEMAS DE ABSORÇÃO DE SIMPLES EFEITO CARACTERÍSTICA VALORES TÍPICOS Pressão de entrada de vapor (bar) 1,6 - 1,8 Consumo de vapor (kg/h/TR) 8,3 - 8,5 Temperatura do fluido de aquecimento 115ºC a 132ºC, e 90ºC para sistemas de pequena capacidade Potência térmica fornecida (kW/TR) 5,3 a 5,4, podendo chegar a 5,0 para sistemas de pequena capacidade Temperatura de entrada da água de resfriamento (ºC) 29,0 Vazão de água de resfriamento (l/min/TR) 13,6 até 24,2 para sistemas de pequena capacidade Vazão de água gelada (l/min/TR) 0,15 (podendo chegar a 0,164 para sistemas de pequena capacidade) Potência elétrica consumida (kW/TR) 0,01 a 0,04 (com um mínimo de 0,04 para sistemas de pequena capacidade) Capacidade nominal (TR) 50 a 1660 (de 5 a 10 para sistemas de pequena capacidade) Comprimento (m) 3 a 10 (1,0 para sistemas de pequena capacidade) Largura (m) 1,5 a 3,0 (1,0 para sistemas de pequena capacidade) Altura (m) 3 a 10 (2,0 para sistemas de pequena capacidade) Peso em operação (kgf) 5000 a 52000 (300 para sistemas de pequena capacidade) 20 TABELA 2-CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE SISTEMAS DE ABSORÇÃO DE DUPLO EFEITO, FOGO INDIRETO CARACTERÍSTICA VALORES TÍPICOS Pressão de entrada de vapor (bar) 9,0 Consumo de vapor (kg/h/TR) 4,5 Temperatura do fluido de aquecimento 190ºC Potência térmica fornecida (kW/TR) 2,93 Temperatura de entrada da água de resfriamento (ºC) 29,0 Vazão de água de resfriamento (l/min/TR) 13,6 a 17,0 Temperatura de saída da água gelada (ºC) 6,0 Vazão de água gelada (l/min/TR) 9,0 Potência elétrica consumida (kW/TR) 0,01 a 0,04 Capacidade nominal (TR) 100 a 1700 Comprimento (m) 3 a 9 Largura (m) 1,8 a 3,6 Altura (m) 2,4 a 4,3 Peso em operação (kgf) 6800 a 60000 TABELA 3-CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE SISTEMAS DE ABSORÇÃO DE DUPLO EFEITO TIPO, FOGO DIRETO CARACTERÍSTICA VALORES TÍPICOS Consumo de combustível (kg/h/TR) 3,5 a 3,8 Coeficiente de Eficácia (base PCS) 0,92 a 1,0 Temperatura de entrada da água de resfriamento (ºC) 29,0 Vazão de água de resfriamento (l/min/TR) 16,7 a 17,0 Temperatura de saída da água gelada (ºC) 6,0 Vazão de água gelada (l/min/TR) 9,0 Potência elétrica consumida (kW/TR) 0,01 a 0,04 Capacidade nominal (TR) 20 a 1500 Comprimento (m) 3 a 10 (mínimo de 1,5 para alguns modelos) Largura (m) 1,5 a 6,5 (mínimo de 1,2 para alguns modelos) Altura (m) 2,0 a 3,7 Peso em operação (kgf) 5000 a 80000 (mínimo de 1500 p/ alguns modelos) 21 A temperatura da água gelada que deixa o evaporador deve variar de 4,4ºC a 15,6ºC. O limite superior é fixado pelo lubrificante da bomba de refrigerante e tem certa flexibilidade. O limite inferior é uma medida de segurança frente ao risco do refrigerante (água) congelar. A temperatura da água de resfriamento na entrada dos tubos do absorvedor está, normalmente, limitada entre 7,2ºC e 43,3ºC. O limite superior existe devido aos valores de pressão e diferença de pressão passíveis de ocorrer entre o gerador-absorvedor, condensador- evaporador, ou ambos, além de reduzir as concentrações da solução absorvente e efeitos corrosivos. O limite inferior de temperatura existe porque, a valores excessivamente baixos de temperatura de água de resfriamento, a pressão de condensação cai muito e quantidades elevadas do vapor de refrigerante arrastam a solução para o condensador. Abaixamentos bruscos da temperatura da água de resfriamento, para altas cargas de refrigeração, também podem causar cristalização da solução. Assim, alguns fabricantes diluem a solução com uma quantidade limitada de refrigerante líquido, para evitar a ocorrência de cristalização. Esta diluição é feita em etapas. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Tendo em vista o exposto até aqui no presente trabalho, pode-se inferir que os sistemas de refrigeração por absorção, em especial do tipo Água/Brometo de Lítio, necessitam de uma menor potência externa fornecida que os sistemas de refrigeração por compressão de vapor para a realização de uma mesma carga térmica de resfriamento. Isto se deve pelo seguinte: O refrigerante não é comprimido entre o condensador e o evaporador; O refrigerante é absorvido por uma substância secundária (absorvente), formando uma solução líquida; e a solução líquida é bombeada a uma alta pressão, requerendo uma quantidade significativamente menor de trabalho. Mais especificamente sobre os chillers de absorção Água/Brometo de Lítio, pode-se analisar da figura 12, abaixo, que a performance de sistemas de Duplo efeito é mais viável e retorna uma efetividade maior que a de um sistema de simples efeito. 22 FIGURA 12-COMPARAÇÃO ENTRE O COP: DUPLO EFEITO X SIMPLES EFEITO Além disso, vale lembrar que estudos presentes na bibliografia consultada apontam que o chiller abordado neste trabalho pode ter seu desempenho otimizado, desenvolvendo componentes mais eficientes. Principalmente tratando-se do gerador, evaporador e absorvedor, que apresentam, dentre todos os componentes do equipamento, as maiores perdas de exergia. 5. PRINCIPAIS FABRICANTES Neste tópico, é apresentada a tabela a seguir que contém os principais fabricantes do equipamento pertinente ao trabalho e seus países de origem. TABELA 4-FABRICANTES Fabricantes Fornecedores da Tecnologia - País Carrier Ebara - Japão Trane Kawasaki - Japão McQuay Sanyo - Japão York Hitachi - Japão Dumham Bush Thermax - Índia 23 6. REFERÊNCIAS ADEWUSI, S. A.; ZUBAIR, S. M. Second law based thermodynamic analysis of ammonia- water absorption systems. Energy Conversion and Management. ISSN 0196-8904. Vol. 45, n.º 15-16 (2004), p. 2355-2369. ASHRAE - The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) - Handbook of Refrigeration: Absorption cooling, heating, and refrigeration equipment. Atlanta, USA, 2006. CARRIER, CORPORATION. Single-Effect, Steam Hermetic Absorption Liquid Chiller [em linha]. New York, USA: 2010. [Disponível em:<http://www.corp.carrier.com/Carrier+Corporate+Sites/Corporate>. EZZINE, N. BEN [et al.]. Solar cooling with the absorption principle: first and Second Law analysis of an ammonia--water double-generator absorption chiller. Desalination. ISSN 0011- 9164. Vol. 168 (2004), p. 137-144. FIORELLI, F. A. S.; JUNIOR, S. O.; NETO, A. H.; TRIBESS, A. SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO. São Paulo, 2004, 33 p. Apostila do Curso de Engenharia Mecânica – Escola Politécnica da USP. FLORIDES, G A [et al.]. Design and construction of a LiBr–water absorption machine. Energy Conversion and Management. Vol. 44 (2003), p. 2483–2508. FRANCISCO, A. [et al.]. Development and testing of a prototype of a low power water: ammonia absorption equipment for solar applications. Renewable Energy. Vol. 25 (2002), p. 537-544. GHADDAR, N.K.; SHIHAB, M.; BDEIR, F. Modeling and simulation of a solar absorption system performance in Beirut. Renewable Energy. Vol. 10 (1996), p. 539-558. 24 HOVSAPIAN, Z.O. Thermodynamic optimization of a solar system for cogeneration of water heating/purification and absorption cooling. Florida: University Famu–Fsu college of Engineering, 2009. Tese de doutoramento.INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 5ª Ed. Rio de Janeiro: Editora LTC 2003. KANG, Y.T.; KUNUGI, Y.; KASHIWAGI, T. Review of advanced absorption cycles: performance improvement and temperature enhancement. International Journal of Refrigeration. Vol. 23 (2000), p. 388–401. KIM, D.S.; INFANTE FERREIRA, C.A. Analytic modelling of steady state single-effect absorption cycles. International Journal of Refrigeration. Vol. 31, n. 6 (2008a), p. 1012-1020. LIN, P.; WANG, R.Z.; XIA, Z.Z. Numerical investigation of a two-stage air-cooled absorption refrigeration system for solar cooling: Cycle analysis and absorption cooling performances. Renewable Energy. Vol. 36 (2011), p. 1401-1412. MORAN, M.J.; SHAPIRO, H.N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 4ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2002. PIMENTA, J. Fluidos Refrigerantes. Revista Mercofrio. Vol. nº27 (2006). PRATIHAR, A.K.; KAUSHIK, S.C.; AGARWAL, R.S. Simulation of an ammonia-water compression-absorption refrigeration system for water chilling application. International Journal of Refrigeration. Vol. 33 (2010), p. 1386-1394. SOUZA, B. F. C. R. Modelação de um sistema de refrigeração por absorção. Aveiro: Universidade de Aveiro – Departamento de Engenharia Mecânica. Tese de Mestrado. 2011. 130p. 25 TALBI, M.; AGNEW, B. Energy recovery from diesel engine exhaust gases for performance enhancement and air conditioning. Applied Thermal Engineering. Vol. 22 (2002), p. 693-702. WHITMAN, WILLIAM C. [et al.] - Refrigeration and Air Conditioning Technology. 6th Edition. New York, USA: Delmar Cengage Learning, 2008.
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