Refrigeração e Ar Condicionado

Transcrição

1 Refrigeração e Ar Condicionado Ciclo de Refrigeração Por Absorção Filipe Fernandes de Paula filipe.paula@engenharia.ufjf.br Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/37

2 Introdução 2/37

3 Introdução O funcionamento da refrigeração por absorção se baseia no fato de que os vapores de alguns fluidos refrigerantes são absorvidos a frio, em grandes quantidades, por certos ĺıquidos ou soluções salinas; Se esta solução binária concentrada é aquecida, verifica-se uma destilação fracionada na qual o vapor formado será rico no fluido mais volátil (fluido refrigerante), podendo ser separado, condensado e aproveitado para a produção de frio; O ciclo de absorção é similar ao ciclo de compressão de vapor em certos aspectos, como a utilização de um condensador, uma válvula de expansão e um evaporador; Os fluidos mais usados no ciclo de absorção são o brometo de ĺıtio (LiBr) e a amônia (NH 3 ) em conjunto com a água. 2/37

4 Introdução A diferença entre os ciclos está no modo em que o refrigerante tem sua pressão elevada; No ciclo por absorção, a pressão é elevada da seguinte forma: O vapor de refrigerante é absorvido por um ĺıquido. Esse processo libera calor; O ĺıquido tem sua pressão elevada por uma bomba; Através de aplicação de calor, o refrigerante é retirado do ĺıquido. O ciclo a absorção é dito um ciclo operado por calor porque a maior parte do custo de operação e associada com o fornecimento de calor que libera o vapor do ĺıquido de alta pressão; A bomba consome uma pequena quantidade de trabalho. Se o calor pode ser obtido a baixo custo, o sistema de absorção pode ser atrativo economicamente. 3/37

5 Introdução 4/37

6 Ciclo de Absorção 5/37

7 Ciclo de Absorção O vapor de baixa pressão que sai do evaporador é absorvido por uma solução ĺıquido no absorvedor; O processo de absorção libera calor, por isso o absorvedor precisa ser resfriado a água ou a ar. A bomba recebe o ĺıquido 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 solucão ĺıquida retorna para o absorvedor pela válvula redutora de pressão cujo propósito é promover a queda de pressao para manter as diferenças de pressão entre o gerador e o absorvedor. 5/37

8 Ciclo de Absorção 6/37

9 Ciclo de Absorção Os fluxos de calor de e para os quatro trocadores de calor que compõem o ciclo de asorção ocorrem da seguinte forma: O calor de uma fonte de alta temperatura entra no gerador, enquanto que 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. Um trocador de calor pode ser acrescentado ao ciclo básico, para transferir calor entre as duas correntes de soluções. O trocador de calor aquece a solução fria do absorvedor em seu caminho para o gerador e esfria a solução que retorna do gerador para o absorvedor. 7/37

10 Ciclo de Absorção 8/37

11 Análise Termodinâmica do Ciclo por Absorção 9/37

12 COP do Ciclo de Absorção 9/37

13 Coeficiente de Desempenho do Ciclo de Absorção O COP do ciclo de absorção é definido como: COP abs = Capacidade de Refrigeração Taxa de Adição de Calor no Gerador = Q o Q g (1) Em geral o COP abs do ciclo de absorção é muito menor que o COP do ciclo de compressão de vapor; Essa não é uma desvantagem para ciclos de absorção, pois a energia na forma de trabalho é muito mais valiosa e cara do que energia na forma de calor. 9/37

14 Composição da Mistura 10/37

15 Composição da Mistura O fluido utilizado é usualmente uma mistura binária, isto é, mistura com dois componentes: refrigerante ou soluto e o absorvente ou solvente; O estado termodinâmico de uma mistura não pode ser determinado somente através da pressão e temperatura, como no caso de substâncias puras; Existe a necessidade de se conhecer uma outra propriedade, a qual denomina-se concentração. X = Massa da Substância que não é a água Massa de Refrigerante + Massa de Absorvente As duas misturas de grande uso comercial são: Em refrigeração, solução de amônia (refrigerante) + água (absorvente); em ar condicionado, solução de brometo de ĺıtio (absorvente) + água (refrigerante), a qual é menos perigosa que a mistura anterior. (2) 10/37

16 Balanços Devido à presença de dois fluidos no sistema por absorção e adição de mais componentes, a análise termodinâmica desse ciclo é um pouco mais complexa; Deve-se levar em conta não só o balanço de energia, mas também o balanço de massa do absorvente e refrigerante; ṁin h in ṁ out h out + Q Ẇ = 0 (3) ṁin = ṁ out (4) 11/37

17 Balanços ṁin x abs,in = ṁ out x abs,out (5) ṁin x refri,in = ṁ out x refri,out (6) 12/37

18 Análise Termodinâmica Equação 3 é usado para encontrar o balanço energético; A equação 4 é o balanço de massa global; Equações 5 e 6 são balanços de mass apenas para o absorvene ou refrigerante, respectivamente. 13/37

19 Sistema Água-LiBr 14/37

20 Sistema LiBr-Água Nos sistemas de refrigeração por absorção LiBr-Água, a água é utilizada como refrigerante e o brometo ĺıquido é o absorvente; Por utilizar água como refrigerante, não é possível obtenção de temperaturas abaixo de zero e assim são sistemas empregados em condicionamento de ar; 14/37

21 Sistema LiBr-Água 15/37

22 Sistema LiBr-Água Condensador ṁ 1 = ṁ 2 = ṁ (7) Q c = ṁ(h 1 h 2 ) (8) Válvula de expansão de refrigerante (VER) ṁ 2 = ṁ 3 = ṁ (9) h 2 = h 3 (10) Evaporador ṁ 4 = ṁ 3 = ṁ (11) Q o = ṁ(h 4 h 3 ) (12) 16/37

23 Sistema LiBr-Água Válvula de expansão de solução (VES) ṁ 9 = ṁ 10 = ṁ s,forte (13) h 9 = h 10 (14) Absorvedor ṁ s,fraca = (1 + λ)ṁ (15) ṁ s,forte = λṁ (16) Q a = ṁ[(h 4 h 5 ) + λ(h 10 h 5 )] (17) Onde λ é o coeficiente de circulação e é dado por: X s,fraca λ = (18) X s,forte X s,fraca 17/37

24 Sistema LiBr-Água Trocador de Calor ṁ 6 = ṁ 7 = ṁ s,fraca (19) ṁ 8 = ṁ 9 = ṁ s,forte (20) Q TC = (1 + λ)ṁ(h 7 h 6 ) (21) Q TC = λṁ(h 8 h 9 ) (22) Gerador ṁ 7 = ṁ 8 + ṁ 1 (23) Q g = ṁ[(h 1 h 7 ) + λ(h 8 h 7 )] (24) 18/37

25 Sistema LiBr-Água Bomba de Solução ṁ 5 = ṁ 6 = ṁ s,fraca (25) Ẇ B = ṁ s,fraca (h 6 h 5 ) = (1 + λ)ṁ(h 6 h 5 ) (26) Ẇ B = (1 + λ)ṁv s,fraca (P 6 P 5 ) (27) Ẇ B = (1 + λ)ṁv s,fraca (P c P e ) (28) 19/37

26 Sistema LiBr-Água 20/37

27 Sistema LiBr-Água 21/37

28 Sistema LiBr-Água Pode-se também utilizar as propriedades de cada componente da mistura separadamente. h sol = X i h LiBr + (1 X i )h H2 O (29) 22/37

29 Sistema LiBr-Água Fontes térmicas para sistemas de refrigeração Água-LiBr: Sistemas de alta capacidade empregam vapor de água ou água quente; Sistemas de baixa capacidade empregam óleo ou água; Sistemas de único estágio típicos necessitam de fontem térmica a aproximadamente 120 C para produzir água a 7 C, para o condensador operando a aprox 46 C e o absorvedor operando a aprox. 40 C os COPs variam de 0,6 a 0,8 para sistemas de único estágio e 1,2 a 1,4 para sistemas de múltiplo estágio 23/37

30 Sistema LiBr-Água Exemplo 1 -Dado o ciclo de absorção da figura, determine: a taxa de transferência de energia em cada componente e o COP abs do ciclo, sabendo que a concentração da solução forte é X 8 = 0, 664 e a concentração da solução fraca é X 5 = 0, 5. 24/37

31 Sistema Água-Amônia 25/37

32 Sistema Água-Amônia Nestes sistemas, a amônia é o refrigerante e a água o absorvente; Apresentam maior versatilidade que os sistemas baseados em Água-LiBr pois podem ser empregados para resfriamento a temperaturas abaixo de 0 C (refrigeração) e também temperaturas acima de 0 C (ar condicionado); Entretanto são sistemas mais complexos tanto no projeto quanto na operação, devido a menor diferença dos pontos de ebulição do refrigerante e absorvente ( = 133 C) 25/37

33 Sistema Água-Amônia Por este motivo, o vapor gerado no gerador de vapor é composto por amônia e água, o que acarreta as seguintes características negativas: Transferência de calor no evaporador e condensador não ocorre a temperatura constante; Aumento da temperatura de evaporação; Evaporação incompleta; Acúmulo de água no evaporador, gerando mal funcionamento do sistema; Aumento da razão de circulação. Para atenuar estes efeitos, é necessário minimizar a concentração de vapor de água na amônia na entrada do condensador; Isso é realizado pela utilização de uma coluna de retificação e um dephlegmator entre o gerador e o absorvedor. Emprega-se também um trocador de calor de sub-resfriamento; A adição destes componentes aumenta a complexidade do sistema, custo e reduz o COP quando comparado aos sistemas que empregam Água-LiBr 26/37

34 Sistema Água-Amônia 27/37

35 Sistema Água-Amônia Função da coluna de retificação e do dephlegmator: A função da coluna de retificação e do dephlegmator é reduzir a concentração de água na saída do gerador; Neste caso, o percentual de água é inferior a 1%, ao invés de 5% sem a utilização destes equipamentos; A coluna de retificação é projetada de modo que o tempo de residência dos fluidos seja elevada, levando a elevadas taxas de transferência de calor e massa sejam atingidas; Em geral é do tipo contra-corrente; Função da trocador de calor de sub-resfriamento: Em geral é do tipo contra-corrente; Aumentar o efeito de refrigeração; Garantir a entrada de ĺıquido na válvula de expansão de refrigerante; 28/37

36 Sistema Água-Amônia Funcionamento do sistema de refrigeração com água-amônia: Tem-se vapor a baixa pressão e baixa temperatura na saída do evaporador, ocorrendo troca térmica no trocador de calor de sub-resfriamento; O refrigerante adentra o absorvedor, em que é absorvido pela solução fraca em amônia advinda da válvula de expansão; A taxa de transferência de calor associada a absorção é rejeitada para a fonte térmica externa; A solução rica em amônia é bombeada pela bomba de solução até a pressão do gerador de vapor; Esta solução a elevada pressão é pré-aquecida no trocador de calor II antes de se dirigir ao gerador de vapor; No gerador de vapor, taxa de transferência de calor é realizada e, como resultado, tem-se formação de vapor de amônia e água; 29/37

37 Sistema Água-Amônia Funcionamento do sistema de refrigeração com água-amônia: Na coluna de retificação, as temperaturas do vapor e da água são reduzidos; No dephlegmator, o vapor de água é resfriado e condensado, sendo então removido da mistura. Este processo é exotérmico, ou seja, ocorre transferência de calor para as vizinhanças; O vapor na saída do dephlegmator é praticamente puro em amônia se dirige ao condensador, rejeitando calor para o ambiente externo; Ao passar pelo trocador de calor de sub-resfriamento, o ĺıquido atinge um determinado grau de subresfriamento; O ĺıquido se dirige ao dispositivo de expansão e posteriormente ao evaporador, onde ocorre o efeito de refrigeração; Ocorre transferência de calor e massa entre a água condensada (formada no dephlegmator) e a solução rica na coluna de retificação; 30/37

38 Sistema Água-Amônia A solução fraca em refrigerante se dirige ao trocador de calor da solução, sendo resfriada (pré-aquece a mistura rica); A solução fraca ainda em alta pressão expande novamente antes de retornar ao absorvedor, reiniciando o ciclo. 31/37

39 Sistema Água-Amônia Coluna de retificação e dephlegmator: 32/37

40 Sistema Água-Amônia 33/37

41 Sistema Água-Amônia Condensador ṁ 10 = ṁ 11 = ṁ (30) Q c = ṁ(h 10 h 11 ) (31) Válvula de expansão de refrigerante (VER) ṁ 12 = ṁ 13 = ṁ (32) h 12 h 13 (33) Evaporador ṁ 13 = ṁ 14 = ṁ (34) Q o = ṁ(h 14 h 13 ) (35) 34/37

42 Sistema Água-Amônia Válvula de expansão de solução (VES) ṁ 7 = ṁ 8 = ṁ s,fraca (36) h 7 h 8 (37) Absorvedor ṁ + ṁ s,fraca = ṁ s,forte (38) ṁ s,fraca = λṁ (39) ṁ s,forte = (λ + 1)ṁ (40) λ = 1 X s,forte X s,forte X s,fraca (41) 35/37

43 Sistema Água-Amônia Absorvedor Q a = ṁ[(h 1 h 2 ) + λ(h 8 h 2 )] (42) Bomba de solução ṁ 3 = ṁ 2 = ṁ s,forte (43) Ẇ B = (1 + λ)ṁ s,forte v sol (P 3 P 2 ) (44) Trocador de calor I ṁ 11 = ṁ 12 = ṁ (45) ṁ 14 = ṁ 1 = ṁ (46) Q TCI = ṁ(h 12 h 11 ) = ṁ(h 1 h 14 ) (47) 36/37

44 Sistema Água-Amônia Trocador de calor II ṁ 6 = ṁ 7 = ṁ s,fraca (48) ṁ 3 = ṁ 4 = ṁ s,forte (49) Q TCII = (1 + λ)ṁ(h 3 h 4 ) = λṁ(h 6 h 7 ) (50) Gerador ṁ 4 + ṁ 6 = ṁ 10 (51) Q g Q d = ṁ[(h 10 h 4 ) + λ(h 6 h 4 )] (52) 37/37