Aula 04 - Apostila Refrigeração Por Absorção

Escola Politcnica da Universidade de So Paulo

Departamento de Engenharia Mecnica

SISTEMAS DE REFRIGERAO POR ABSORO

Sistemas de Refrigerao por Absoro

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SISTEMAS DE REFRIGERAO POR ABSORO

1. INTRODUO O interesse pela utilizao de sistemas de refrigerao por absoro vem aumentando

devido s possibilidades de emprego de rejeitos trmicos de processos industriais e sistemas de potncia (como os gases efluentes de turbinas a gs) como insumo energtico, alm de apresentar uma alternativa tecnolgica aos ciclos de refrigerao que empregam CFCs.

O sistema de absoro foi patenteado nos Estados Unidos em 1860 pelo francs Ferdinand Carr (Stoecker & Jones, 1985). Desde ento, a popularidade de sistemas de absoro aumentou e diminuiu em funo de condies econmicas e de desenvolvimento tecnolgico. As vantagens de sistemas de absoro, contudo, permanecem as mesmas ao longo do tempo e incluem as seguintes (Dorgan et al., 1995):

Sistemas de absoro necessitam de menor consumo de energia eltrica quando comparados com os sistemas de compresso de vapor;

Plantas de absoro so silenciosas e livres de vibrao; Calor recuperado pode ser utilizado como insumo energtico (em substituio

ao trabalho mecnico) em ciclos de refrigerao por absoro; Plantas de absoro no causam dano camada de oznio e podem ter menor

impacto no aquecimento global do que outras opes; Plantas de absoro so economicamente atrativas quando os custos dos

combustveis so substancialmente menores que os de energia eltrica, com o custo do combustvel de 12 a 20 % do custo da energia eltrica.

As temperaturas de evaporao obtidas com sistemas de refrigerao podem variar de 10C a -59C, com vrios ciclos e fluidos. Para bombas de calor as temperaturas de entrada no evaporador podem atingir facilmente 100C (ASHRAE Refrigeration Handbook, 1994).

Neste texto so apresentados os princpios de operao dos sistemas a absoro e os principais tipos de sistemas existentes, com nfase nos sistemas que empregam o par H2O-LiBr, devido ao interesse que estes sistemas tem despertado no Brasil.


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2. PRINCPIOS DE OPERAO 2.1. DESCRIO GERAL DO CICLO

O ciclo de refrigerao por absoro transfere calor da regio de baixa temperatura para a regio de alta temperatura atravs de processos de absoro e dessoro do fluido refrigerante na fase vapor por/de uma soluo liquida (que normalmente uma mistura binria composta pelo refrigerante e uma outra substncia, por exemplo, um sal como o brometo de ltio). Durante o processo de absoro h transferncia de calor para a regio de temperatura intermediria (meio ambiente para um ciclo de refrigerao) e durante o processo de dessoro h fornecimento de calor para o ciclo a partir de uma fonte de calor a alta temperatura, conforme mostrado na Fig. 1, alm de uma nova transferncia de calor para a regio de temperatura intermediria.

O ciclo de absoro composto por, basicamente, quatro processos, sendo dois deles caracterizados por trocas de calor e os dois outros caracterizados por trocas simultneas de calor e massa. Estes processos so os seguintes:

vaporizao do refrigerante no evaporador;

absoro do refrigerante pela soluo no absorvedor;

separao (dessoro) do refrigerante no gerador; condensao do refrigerante no condensador.

Figura 1. Processos de (a) absoro produzindo o efeito de refrigerao e (b) dessoro de refrigerante necessitando de uma fonte de calor.

A Figura 2 apresenta o princpio geral de um sistema de refrigerao por absoro. Nela pode-se constatar que os processos de converso de energia existentes neste sistema


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ocasionam uma degradao de parte do calor fornecido ao ciclo no gerador, do nvel de temperatura dessa fonte de calor at a temperatura do meio ambiente, para valorizar o calor transferido no evaporador da temperatura da regio que se quer refrigerar at a temperatura do meio ambiente.

Meio Ambiente

Gerador

Condensador

Evaporador

Absorvedor

Insumo Energtico

Regio a ser Refrigerada

Figura 2. Princpio geral de um sistema de refrigerao por absoro.

Este tipo de sistema de refrigerao tambm pode ser considerado como um duplo conversor de exergia:

o conjunto gerador-condensador um conversor de exergia trmica em exergia qumica (a degradao de parte do calor fornecido ao ciclo no gerador, do nvel de temperatura dessa fonte de calor at a temperatura do meio ambiente, provoca a separao do refrigerante da soluo);

o conjunto evaporador-absorvedor um conversor de exergia qumica em exergia trmica (a absoro do refrigerante pela soluo acarreta a valorizao do calor transferido no evaporador da temperatura da regio que se quer refrigerar at a temperatura do meio ambiente).

2.2. COMPORTAMENTO DE MISTURAS BINRIAS

Uma mistura homognea tem composio uniforme e no pode ser separada em seus componentes por mtodos puramente mecnicos. Seu estado termodinmico no pode ser determinado apenas por duas propriedades independentes, como no caso de uma substncia


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pura. A composio da mistura, descrita pela concentrao (relao entre a massa de um dado componente da mistura e a massa total da mistura) necessria como informao complementar s duas propriedades independentes (por exemplo, presso e temperatura) para definir seu estado termodinmico.

A miscibilidade de uma mistura uma caracterstica importante para definir seu potencial de aplicao em sistemas de absoro. A misturas miscvel se ela no se separar aps o processo de mistura. Uma mistura miscvel homognea. Algumas misturas podem no ser miscveis em todas as condies, sendo a temperatura a principal propriedade a influenciar a miscibilidade. As misturas binrias destinadas a sistemas de absoro devem ser completamente miscveis nas fases lquida e vapor, em todos os estados do ciclo refrigerao.

O conhecimento do comportamento de uma mistura binria em condies prximas regio de saturao importante nos sistemas de refrigerao por absoro. Este comportamento pode ser analisado a partir da descrio da seguinte experincia. A Fig. 3a mostra um dispositivo formado por um pisto e um cilindro que contm uma mistura binria na fase lquida, sendo x1 a concentrao da substncia B, definida por:

massa da substncia Bmassa da mistura

x = (1)

(a) (b) (c) Figura 3. Processos de evaporao e condensao de uma mistura binria e homognea:

(a) lquido sub-resfriado, (b) mistura bifsica, (c) diagrama temperatura-concentrao.


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O pisto tem massa fixa e durante seu movimento no h atrito mecnico entre sua superfcie lateral e a parede do cilindro, assegurando-se desta forma que os processos analisados a seguir ocorrem a presso constante.

A Figura 3c apresenta o diagrama temperatura-concentrao (T-x) para a mistura presso dada pelo efeito do peso do pisto e presso atmosfrica, sendo o estado inicial da mistura dado pelo ponto 1. medida que calor lentamente transferido mistura sua temperatura aumenta e, no ponto 2 comea a haver formao de vapor, como mostrado na Fig. 3c. Para temperaturas superiores a T2 (e estados na regio de saturao) as concentraes das fases lquida e vapor so determinadas pelos valores de x3 e x4, ou seja, a concentrao de B na fase vapor maior que a concentrao de B na fase lquida, fato que til no desenvolvimento de sistemas por absoro. Continuando-se o aquecimento da mistura ser atingido o ponto 5, onde toda a mistura estar na fase vapor e, para aquecimentos adicionais, ter-se- vapor superaquecido (ponto 6). Caso a presso total seja alterada e o experimento descrito anteriormente seja repetido para vrias concentraes, as linhas de vaporizao e condensao sero deslocadas como mostrado na Fig. 4.

Figura 4. Diagrama temperatura concentrao apresentando trs isobricas.

Uma representao mais completa das propriedades de uma mistura binria feita atravs do diagrama entalpia-concentrao, como mostrado na Fig.5. Este diagrama inclui, para uma mistura binria homognea, as regies de lquido sub-resfriado, de mudana de fase e vapor superaquecido. As linhas de vaporizao e condensao esto separadas, para uma


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mesma presso, por uma distncia proporcional entalpia de vaporizao de cada constituinte da mistura. As linhas de temperatura constante so apresentadas nas regies de lquido e vapor, mas no o so na regio de saturao (a isoterma mostrada na figura visa apenas mostrar o comportamento desta linha na regio de saturao).

Figura 5. Diagrama entalpia concentrao para uma mistura binria homognea.


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2.3. COMPOSIO DO SISTEMA DE REFRIGERAO POR ABSORO

A Figura 6 apresenta a composio de um sistema de refrigerao por absoro simplificado. Os componentes so:

gerador, onde h separao (dessoro) do refrigerante da substncia absorvente; condensador, onde o refrigerante condensado e h transferncia de calor para o

meio;

vlvula de expanso, destinada a reduzir a presso do refrigerante do nvel do condensador para o nvel do evaporador;

evaporador, onde o refrigerante passa da fase lquida para a fase vapor, devido ao calor transferido da regio a ser refrigerada;

absorvedor, onde o refrigerante absorvido pela substncia absorvente, com transferncia de calor para o meio;

bomba de soluo, responsvel pela transferncia da mistura pobre em absorvente do absorvedor para o gerador.

Neste ciclo simplificado admite-se que apenas o refrigerante vaporizado no gerador, e desta forma somente o refrigerante percorre o condensador, vlvula de expanso e evaporador.

CondensadorGerador

Absorvedor Evaporador

Vlvula de ExpansoVlvula RedutoraBomba

Qge

Qab Qev

Qcd

Wb

Vapor de altapresso

Vapor de baixapresso

Solu

o

Solu

o ge ce

cs

ee

es

as

Figura 6. Sistema de refrigerao por absoro


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Pode-se observar na Fig. 6 que o sistema de absoro tem essencialmente calor como insumo energtico, uma vez que a energia consumida pela bomba de soluo (trabalho de bombeamento) muito menor que as quantidades de calor envolvidas nos trocadores de calor e massa, sendo desprezada em anlises simplificadas. Desta forma podem ser identificadas duas entradas de calor no sistema (no gerador e no evaporador) e dois rejeitos trmicos (no condensador e no absorvedor).

Uma anlise comparativa do ciclo por absoro com o ciclo por compresso de vapor, como ilustrado pela Fig. 7, evidencia que os componentes evaporador, condensador e vlvula de expanso so comuns aos dois ciclos. Na Fig. 7 o lado esquerdo representa o ciclo de compresso e o lado direito o ciclo de absoro, sendo que o evaporador e o condensador so comuns para os dois ciclos. Entretanto, a funo executada pelo compressor no ciclo de compresso, isto o aumento dos nveis de presso e temperatura do estado de sada do evaporador at o estado de entrada no condensador, realizada no ciclo de absoro pelo conjunto absorvedor-bomba-gerador, que so os equipamentos onde ocorrem os processos de separao e mistura dos componentes da mistura binria empregada no sistema. Estes processos so desencadeados pelas transferncias de calor existentes no gerador e absorvedor. Desta forma tem-se que o ciclo de absoro pode ser considerado como um ciclo que consome essencialmente calor, enquanto que o ciclo de compresso um ciclo que consome trabalho.

CondensadorGerador

Absorvedor Evaporador

Vlvula de Expanso

Vlvula Redutora

Bomba Compressor

Ciclo de absoro Ciclo de compressoQge

Qab Qev

Qcd

Wb Wcp

Figura 7. Comparao entre os ciclos por compresso e por absoro.


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A Figura 8 mostra uma representao simplificada para os dois ciclos, a partir dos nveis de temperatura entre os quais os ciclos operam. Para o ciclo por compresso pode-se ter um sistema de refrigerao que transfere calor da regio a Tev para T0. Para o ciclo de absoro pode-se considerar um dispositivo que opera entre trs nveis de temperatura (Tev, T0 e Tge), composto por um motor trmico que opera entre Tge e T0, acoplado a um ciclo de refrigerao que transfere calor de Tev para T0.

Refrigerador RefrigeradorW

MotorTrmico

W

Qge

QcdQab

Qev

Qcd

Qev

Tge

T0

Tev

AbsoroCompresso

Figura 8. Comparao entre os ciclos por compresso e por absoro.

As representaes da Fig. 8 permitem determinar as expresses dos valores mximos do coeficiente de eficcia dos ciclos de compresso e absoro, dados os nveis de temperatura entre os quais os ciclos operam, considerando que todos os processos sejam reversveis. Estas expresses so as seguintes:

para o ciclo de compresso

( )max 0ev

ev

TCOPT T

=

(2)

para o ciclo de absoro

( )( )

0max

0

ev ge

ge ev

T T TCOP

T T T

=

(3)


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2.4. ANLISE E DESEMPENHO DO CICLO DE ABSORO.

O desempenho do ciclo de absoro normalmente quantificado atravs do emprego do coeficiente de performance, definido para um ciclo de refrigerao como a relao entre a capacidade de refrigerao e a potncia trmica consumida no gerador:

ev

ge

QCOP Q=

(4)

O desempenho exergtico do ciclo de absoro dado pela relao entre o fluxo de exergia transferido gua gelada e o fluxo de exergia fornecido ao gerador do ciclo (Oliveira Jnior et al., 1990), como apresentado pela Eq. 5:

ev evex

ge ge

QQ

=

(5)

A Equao 5 evidencia que o rendimento exergtico pode ser dado como uma funo do coeficiente de eficcia e dos fatores de Carnot do evaporador e condensador:

evex

geCOP

= (6)

A determinao dos valores de evQ e geQ feita a partir da realizao dos balanos de massa e energia para o misturador e separador do ciclo de absoro.

Considerando um ciclo que opera com o par gua-brometo de ltio, pode-se introduzir o parmetro f, definido pela Eq.7, que permite a representao dos balanos de entalpia por unidade de vazo mssica do refrigerante evaporado (no caso em estudo gua):

vazo mssica de soluo diludavazo mssica de gua evaporada

f = (7)

possvel demonstrar que f pode ser expresso em termos das concentraes das solues concentrada (em brometo de ltio) e diluda:

c

c d

xfx x

=

(8)

Desta forma os balanos de entalpia por unidade de vazo mssica de gua evaporada, para o separador (gerador e condensador), mostrado anteriormente na Fig. 6, so dados por:


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( )1ge ce gs geq h f h fh = + (9)

cd cs ceq h h= (10)

Para o misturador (composto pelo absorvedor e evaporador) os balanos ficam:

( )1ab as es aeq fh h f h= + (11)

ev es eeq h h= (12)

A Equao (4) pode ento ser reescrita como:

( )1 ev es ee

ge ce gs ge

q h hCOPq h f h f h

= =

+ (13)

e a vazo mssica de gua evaporada calculada a partir do balano de entalpia no evaporador, considerando-se a carga trmica de resfriamento suprida pelo ciclo:

evev

ev

Qm

q=

(14)

A compreenso dos processos que ocorrem no ciclo de absoro fica facilitada quando

eles so representados nos diagramas temperatura-concentrao-presso, entalpia-concentrao, temperatura de refrigerante-temperatura de soluo-concentrao, para solues

aquosas de brometo de ltio e no diagrama temperatura-entropia da gua, mostrados, respectivamente, na Fig.9a, 9c, 9d e 9b. O segmento ae-as representa o processo de absoro do vapor dgua pela soluo de gua-brometo de ltio. O segmento ge-gs representa o processo de dessoro do vapor dgua da soluo de gua-brometo de ltio.


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Figura 9. Representao dos processos que ocorrem no misturador absorvedor e no separador de um ciclo de absoro.


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2.5. CARACTERSTICAS DO PAR REFRIGERANTE-ABSORVENTE

As duas substncias que compem o par refrigerante-absorvente devem atender um

nmero de requisitos para serem adequadas para emprego em sistemas por absoro. Os principais requisitos, segundo a ASHRAE (ASHRAE Handbook of Fundamentals, 1981) so:

Afinidade: o absorvente deve ter grande afinidade qumica pelo refrigerante nas condies em que o processo de absoro ocorre. Esta afinidade acarreta um

desvio negativo do comportamento previsto pela lei de Raoult e resulta em um coeficiente de atividade menor que um para o refrigerante. Isto reduz a quantidade

de absorvente que circula e, conseqentemente, o desperdcio de energia devido aos efeitos de variao de temperatura. Alm disto o tamanho do trocador de calor

que transfere calor do absorvente para a soluo refrigerante-absorvente (existente em sistemas reais) pode ser reduzido. Por outro lado , uma elevada afinidade est associada com uma elevada entalpia de diluio, tendo como conseqncia um consumo adicional de energia (na forma de calor) no gerador para separar o refrigerante do absorvente.

Relao de Volatilidades: o refrigerante deve ser muito mais voltil que o absorvente, de forma a permitir a separao das duas substncias facilmente.

Entalpia de Vaporizao/Condensao: as entalpias de vaporizao e condensao do refrigerante devem ser elevadas para que as vazes de refrigerante

e absorvente possam ser reduzidas ao mnimo possvel.

Presso: desejvel que as presses de operao sejam moderadas. Presses elevadas requerem o emprego de equipamentos com paredes espessas e presses muito baixas (vcuo) demandam equipamentos volumosos e dispositivos especiais para reduzir a perda de carga nos escoamentos de refrigerante na fase vapor.

Viscosidade: os fluidos devem ter baixa viscosidade para promover os processos de transferncia de calor e massa, bem como reduzir problemas com bombeamento dos fluidos.

Ausncia de Fase Slida: o par refrigerante-absorvente no deve formar uma fase slida na faixa de composies e temperaturas existente nas condies de operao

do sistema de absoro, pois isto poderia ocasionar uma parada do equipamento.

Estabilidade: A estabilidade qumica deve ser praticamente absoluta, pois os

fluidos so submetidos a condies severas durante os vrios anos de operao do


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sistema. Eventuais instabilidades podem resultar na formao de substncias danosas como gases, slidos ou uma substncia corrosiva.

Corroso: particularmente importante que os fluidos de trabalho ou qualquer substncia resultante de instabilidade qumica no ataquem os materiais

empregados no sistema de absoro. Inibidores de corroso so geralmente empregados.

Segurana: os fluidos de trabalho no devem ser txicos e nem substancialmente inflamveis caso o sistema seja operado em ambientes ocupados por pessoas. Para aplicaes industriais este requisito menos crtico.

Os pares de fluidos de trabalho gua-amnia e gua-brometo de ltio so, atualmente,

os nicos pares que tm largo emprego comercial e que satisfazem vrios dos critrios listados anteriormente. Entretanto, estes pares tambm apresentam alguns inconvenientes. Assim, a relao de volatilidades para o par gua-amnia menor que o desejado, apresenta presses de trabalho levemente elevadas, e tem restries para emprego em residncias, devido toxicidade da amnia. Por outro lado o par gua-brometo de ltio pode apresentar

formao de fase slida, uma vez que a gua congela a 0C, o que inviabiliza seu emprego para fins de refrigerao, caracterizando-o como adequado para sistemas destinados ao

condicionamento ambiental. Alm deste aspecto o brometo de ltio pode cristalizar a valores moderados de concentrao (por exemplo, h cristalizao na concentrao de 67% de brometo de ltio na soluo para uma temperatura de saturao da gua pura de 20C e temperatura da soluo de 75C). Outras desvantagens do par gua-brometo de ltio esto associadas com os baixos valores de presso de trabalho e altos valores de viscosidade da soluo de brometo de ltio. Os principais aspectos positivos deste par so alta relao de

volatilidades e afinidade qumica, alta estabilidade, elevado valor da entalpia de vaporizao/condensao, e alto padro de segurana.

3. TIPOS DE SISTEMAS A ABSORO 3.1. SISTEMAS QUE EMPREGAM O PAR H2O-LiBr

3.1.1. Sistemas de Simples Efeito A Figura 10 mostra um esquema de um chiller a absoro comercial de simples

efeito do tipo fogo-indireto, onde pode ser observada uma das configuraes dos principais componentes. Durante a operao vapor enviado para os tubos do gerador provocando a


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ebulio da soluo absorvente que est em contato com a parte externa desses tubos. O vapor de refrigerante (vapor d'gua) liberado escoa para o condensador passando atravs dos eliminadores de gotas existentes entre estes dois componentes. No condensador o vapor condensado na parte externa de tubos resfriados por gua que normalmente a seguir enviada

para uma torre de resfriamento. Os dois processos, ebulio e condensao, ocorrem num vaso com mesmo valor de presso, que de cerca de 6,0 kPa.

Figura 10. Chiller a Absoro de Simples Efeito (cortesia Trane Co.).


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O refrigerante condensado passa atravs de um orifcio ou purgador de lquido localizado no fundo do condensador sendo assim enviado para o evaporador. No evaporador o

refrigerante borrifado sobre tubos por onde circula o fluxo de gua que deve ser resfriado (proveniente da regio que demanda efeito de refrigerao). O resfriamento da gua que circula no interior dos tubos conseguido pela transferncia de calor para o refrigerante (gua lquida) provocando assim sua vaporizao. O refrigerante que no vaporizado coletado no fundo do evaporador, enviado para a bomba de refrigerante, passa no sistema de distribuio localizado acima no banco de tubos do evaporador, e finalmente novamente borrifado sobre

os tubos por onde circula a gua gelada. O refrigerante vaporizado enviado para o absorvedor onde ser absorvido pela soluo proveniente do gerador.

A soluo concentrada (por ter liberado vapor de refrigerante) que deixa o gerador escoa por um dos lados do recuperador de calor de soluo onde resfriada pelo fluxo de

soluo diluda que provm do absorvedor e se dirige para o gerador. Consegue-se desta forma reduzir a quantidade de energia (na forma de calor) necessria para aquecer a soluo no gerador.

Aps passar pelo recuperador de calor a soluo enviada para o sistema de

distribuio localizado acima dos tubos do absorvedor, sendo ento borrifada sobre a superfcie externa dos tubos do absorvedor. Durante este processo a soluo concentrada

absorve o vapor de refrigerante que sai do evaporador. Ao longo do processo de absoro necessrio transferir energia da soluo devido aos processos de condensao e diluio do

vapor de refrigerante na soluo (entalpia de condensao e diluio). Para que isto ocorra h um fluxo de gua de resfriamento que passa no interior dos tubos do absorvedor. A presso

no vaso que contm o evaporador e absorvedor de cerca de 0,7 kPa. A soluo diluda que deixa o absorvedor bombeada pela bomba de soluo para o recuperador de calor de soluo e, posteriormente, para o gerador. A Tabela 1 apresenta algumas caractersticas tpicas destes

sistemas de absoro. Os valores tpicos de coeficiente de eficcia para unidades de grande porte, em

condies estabelecidas pelas normas ARI (American Refrigeration Institute) situam-se entre 0,7 e 0,8 (ASHRAE, 1994).

3.1.2. Sistemas de Duplo Efeito Uma forma de melhorar o desempenho do sistema de simples efeito consiste em

empregar o princpio de evaporao de mltiplo efeito tradicionalmente utilizado em


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indstrias qumicas. Para o sistema de absoro este tipo de concepo traduz-se em um sistema com gerador de duplo efeito.

A Figura 11 mostra o esquema de um sistema de refrigerao a absoro existente no mercado, de duplo efeito e do tipo fogo-indireto. Os principais componentes so anlogos ao

sistema de simples efeito, excetuando-se o gerador primrio, condensador, trocador de calor e trocador de calor de sub-resfriamento de condensado.

A operao deste sistema similar quela do sistema a simples efeito. O gerador primrio aquecido com vapor a cerca de 9 bar, havendo ento a liberao do refrigerante. Este vapor enviado para os tubos do gerador secundrio onde se condensa, provocando a concentrao da soluo que escoa pela parte externa dos tubos, com a conseqente liberao

adicional de vapor de refrigerante (sem consumir uma quantidade extra de insumo energtico externo). A presso interna na regio do gerador primrio de cerca de 1,02 bar.

Tabela 1. Caractersticas Tpicas de Sistemas de Absoro de Simples Efeito

(ASHRAE Refrigeration Handbook, 1994).

CARACTERSTICA VALORES TPICOS Presso de entrada de vapor (bar) 1,6 - 1,8

Consumo de vapor (kg/h/TR) 8,3 - 8,5

Temperatura do fluido de aquecimento 115C a 132C, e 90C para sistemas de pequena capacidade

Potncia trmica fornecida (kW/TR) 5,3 a 5,4, podendo chegar a 5,0 para sistemas de pequena capacidade Temperatura de entrada da gua de resfriamento

(C) 29,0

Vazo de gua de resfriamento (l/min/TR) 13,6 at 24,2 para sistemas de pequena capacidade Temperatura de sada da gua gelada (C) 6,0

Vazo de gua gelada (l/min/TR) 0,15 (podendo chegar a 0,164 para sistemas de pequena capacidade) Potncia eltrica consumida (kW/TR) 0,01 a 0,04 (com um mnimo 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 operao (kgf) 5000 a 52000 (300 para sistemas de pequena capacidade)


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O trocador de calor de soluo adicional (trocador de calor de alta temperatura) opera com as solues intermediria (que sai do gerador primrio) e diluda (que vai para o gerador) e tem como objetivo pr-aquecer a soluo diluda. Devido relativamente grande diferena de presso entre os dois geradores, h um dispositivo mecnico de controle de vazo na sada deste trocador de calor para manter um selo lquido entre os dois geradores. Uma vlvula,

colocada na sada do trocador de calor e controlada pelo nvel de lquido do gerador primrio, pode manter este selo.

Figura 11. Chiller a Absoro de Duplo Efeito.


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Um ou mais trocadores de calor podem ser empregados para sub-resfriar o condensado, pr-aquecendo as solues diluda e/ou intermediria. Isto resulta na reduo da

quantidade de vapor requerida para produzir um dado efeito de refrigerao. A soluo concentrada que se dirige para o absorvedor pode ser misturada com a

soluo diluda e bombeada para ser borrifada sobre os tubos do absorvedor, ou ento pode ser enviada diretamente do trocador de calor de baixa temperatura para o absorvedor.

Os chiller de duplo efeito podem ser classificados em funo do fluxo que a soluo absorvedora percorre no equipamento. Existem trs configuraes atualmente em uso:

fluxo em srie: toda a soluo que deixa o absorvedor enviada para uma bomba e em seguida passa, seqencialmente, pelo trocador de calor de baixa temperatura,

tocador de calor de alta temperatura, gerador do primeiro estgio, gerador do segundo estgio, trocador de calor de baixa temperatura e absorvedor (Fig. 12a);

fluxo srie-reverso: a soluo que deixa o absorvedor bombeada atravs do trocador de calor de baixa temperatura e em seguida enviada para o gerador do

segundo estgio. Neste ponto a soluo dividida em dois fluxos, sendo um deles dirigido para o trocador de calor de baixa temperatura e depois para o absorvedor.

O outro fluxo passa seqencialmente por uma bomba, trocador de calor de alta temperatura, gerador do primeiro estgio e trocador de calor de alta temperatura.

Este fluxo reencontra a soluo que sai do gerador de segundo estgio e ambos os fluxos passam pelo trocador de baixa temperatura, indo para o absorvedor (Fig. 12b).

fluxo em paralelo: a soluo que deixa o absorvedor bombeada atravs de partes

adequadas do trocador de calor combinado de alta e baixa temperatura, sendo em

seguida dividida em dois fluxos, um que vai para o gerador do primeiro estgio e outro que vai para o segundo estgio. Os dois fluxos retomam para as partes apropriadas do trocador de calor combinado, so misturadas e enviadas para o

absorvedor (Fig 12c).


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(a)

(b)

(c)

Figura 12. Configuraes de fluxo para chillers duplo efeito (cortesia Trane Co.): (a) em srie, (b) srie-reverso e (c) em paralelo


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Os sistemas de duplo efeito consomem vapor a presses moderadas, de 6,5 a 10 bar, ou ento lquidos com temperaturas de150 a 200C. Os coeficientes de eficcia tpicos vo de 1,1 a 1,2. Um sistema de duplo eleito produz uma capacidade de resfriamento de cerca de 50 a 80% superior de um sistema de simples efeito, para um mesmo consumo de energia. A

Tabela 2 apresenta algumas caractersticas tpicas de sistemas de duplo efeito encontrados no mercado.

Tabela 2. Caractersticas Tpicas de Sistemas de Absoro de Duplo Efeito (ASHRAE Refrigeration Handbook, 1994).

CARACTERSTICA VALORES TPICOS Presso de entrada de vapor (bar) 9,0

Consumo de vapor (kg/h/TR) 4,5 Temperatura do fluido de aquecimento 190C Potncia trmica fornecida (kW/TR) 2,93

Temperatura de entrada da gua de resfriamento (C) 29,0

Vazo de gua de resfriamento (l/min/TR) 13,6 a 17,0 Temperatura de sada da gua gelada (C) 6,0

Vazo de gua gelada (l/min/TR) 9,0 Potncia eltrica 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 operao (kgf) 6800 a 60000

A Figura 13 mostra um esquema de um chiller a absoro de duplo efeito do tipo fogo direto. As principais diferenas com relao ao tipo fogo indireto consistem na no existncia

do trocador de calor para sub-resfriar o condensado (oriundo do vapor de alimentao do gerador do primeiro estgio) e no fato do gerador de primeiro estgio operar com gases de combusto. A operao deste sistema idntica descrita para o sistema de fogo indireto. Os combustveis normalmente empregados nos sistemas fogo direto so o gs natural ou leo

combustvel, sendo que a maioria dos modelos pode utilizar os dois combustveis.


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Figura 13a. Chiller a Absoro de Duplo Efeito do Tipo Fogo Direto (cortesia Trane Co.).

Figura 13b. Chiller a Absoro de Duplo Efeito do Tipo Fogo Direto (cortesia Trane Co.).

A Tabela 3 apresenta caractersticas tpicas de sistemas de duplo estgio do tipo fogo

direto encontrados no mercado (ASHRAE, 1994).


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Tabela 3. Caractersticas Tpicas de Sistemas de Absoro de Duplo Efeito tipo Fogo Direto

CARACTERSTICA VALORES TPICOS Consumo de combustvel (kg/h/TR) 3,5 a 3,8 Coeficiente de Eficcia (base PCS) 0,92 a 1,0

Temperatura de entrada da gua de resfriamento (C) 29,0

Vazo de gua de resfriamento (l/min/TR) 16,7 a 17,0 Temperatura de sada da gua gelada (C) 6,0

Vazo de gua gelada (l/min/TR) 9,0 Potncia eltrica consumida (kW/TR) 0,01 a 0,04

Capacidade nominal (TR) 20 a 1500 Comprimento (m) 3 a 10 (mnimo de 1,5 para alguns

modelos)

Largura (m) 1,5 a 6,5 (mnimo de 1,2 para alguns modelos)

Altura (m) 2,0 a 3,7

Peso em operao (kgf) 5000 a 80000 (mnimo de 1500 p/ alguns modelos)

3.1.3. Componentes de Sistemas a Absoro que Empregam o Par H2O-LiBr So descritos a seguir os principais componentes de sistema de refrigerao a absoro

que empregam o par gua-brometo de ltio.

Gerador (dessorvedor) O gerador pode ser do tipo fogo-direto e fogo-indireto. O gerador do tipo fogo-indireto um trocador de calor e massa do tipo casco e tubo,

sendo que o fluido de aquecimento (vapor ou um fluido a temperatura moderada) escoa pelo interior dos tubos e a soluo absorvente mantida do lado do casco ou lanada na forma de

spray por sobre os tubos. O vapor de refrigerante liberado da soluo passa por um separador lquido-vapor composto por chicanas e eliminadores de gotas, sendo posteriormente

enviado para o condensador. Materiais ferrosos so usados para o compartimento do absorvente. Os materiais empregados para o banco de tubos podem ser cobre, ligas cobre-

nquel, ao inoxidvel ou titnio.


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O gerador do tipo fogo direto formado por trs regies: uma onde fica o queimador (tubo de fogo), outra por onde escoam os gases de combusto e finalmente a regio onde feita a separao das gotculas de lquido arrastadas pelo vapor de gua. O tubo de fogo um vaso com parede dupla que contm em seu interior um queimador de gs natural ou leo

combustvel. A soluo diluda escoa pela regio anular (entre as duas paredes do vaso), sendo aquecida pela parede interna. A regio por onde circulam os gases de combusto

normalmente um trocador de calor do tipo tubular ou de placas, conectado diretamente ao tubo de fogo. A soluo aquecida proveniente do tubo de fogo posteriormente aquecida no

trocador por onde passam os gases de combusto, entrando em condies de ebulio. Os gases de combusto deixam o gerador, enquanto que a soluo absorvente e o vapor do

refrigerante passam para a cmara de separao lquido-vapor. Nesta cmara ocorre a separao entre o vapor e soluo. Os materiais de construo empregados so ao carbono

para as partes que contm o absorvente e ao inoxidvel para o trocador de calor que opera com os gases de combusto.

Os geradores de sistemas com duplo efeito ou sistemas com vrios estgios de separao so usualmente do tipo casco e tubos, semelhantes queles de sistemas de um nico

efeito, sendo que o meio de aquecimento o vapor de refrigerante que escoa no interior dos tubos do gerador primrio. Os materiais de construo so ao carbono para as regies em

contato com o absorvente e cobre ou ligas cobre-nquel para os tubos. Os eliminadores de gotas so de ao inoxidvel.

Condensador Os condensadores so compostos por bancos de tubos localizados na regio ocupada

pelo vapor do refrigerante. Estes tubos so resfriados por gua que escoa pelo interior dos tubos, provocando a condensao do vapor na superfcie externa dos tubos. O compartimento do condensador construdo em ao carbono e o material do banco de tubos cobre ou cobre-

nquel.

Os condensadores do estgio de alta presso de sistemas de duplo efeito so a parte

interna dos tubos do gerador do segundo estgio. O refrigerante na fase vapor proveniente do gerador do primeiro estgio condensa no interior dos tubos, provocando a concentrao da

soluo absorvente do gerador do segundo estgio.

Evaporador Este trocador de calor usualmente do tipo casco e tubo, sendo que o refrigerante

borrifado sobre a superfcie externa dos tubos. O lquido a ser resfriado passa pela parte


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interna dos tubos. Os bancos de tubos do evaporador so construdos em cobre ou numa liga cobre-nquel. O compartimento do evaporador construdo em ao carbono e os eliminadores

de gotas em ao inoxidvel.

Absorvedor O absorvedor composto por um banco de tubos sobre os quais a soluo forte

borrifada na presena do vapor de refrigerante. Durante o processo de absoro h

transferncia de calor (entalpia de diluio e condensao) para a gua de resfriamento que escoa atravs dos tubos. A soluo diluda removida pela parte inferior do banco de tubos do

absorvedor. Os materiais empregados so ao carbono para o compartimento do absorvedor e cobre ou ligas de cobre-nquel para o banco de tubos.

Recuperador de calor da soluo Este trocador de calor do tipo casco e tubo ou de placas e tem como objetivo

transferir calor entre os dois fluxos de soluo: o que deixa o gerador e o que deixa o absorvedor. O material de construo o ao carbono ou ao inoxidvel.

Sub-resfriador de condensado Este trocador empregado em sistemas de duplo efeito e destina-se a pr-aquecer a

soluo que entra no gerador, a partir do sub-resfriamento do condensado que deixa o estgio de alta presso. Trata-se de uma variante do recuperador de calor da soluo.

Bombas As bombas movimentam a soluo absorvente e o refrigerante na fase lquida nos

sistemas a absoro. As bombas podem ser do tipo individual (um motor, um impulsor e um fluxo de fluido) ou combinado (um motor, mltiplos impulsores e mltiplos fluxos de fluido). Os motores e bombas so hermticos ou semi-hermticos. Os motores so resfriados e os mancais lubrificados pelo fluido que est sendo bombeado ou por um suprimento filtrado de refrigerante lquido. Os impulsores so normalmente fabricados em lato, ao fundido ou ao

inoxidvel; as volutas so fabricadas em ao ou ao fundido impregnado.

Sistema de purga Estes dispositivos so necessrios nos sistemas de absoro que operam com o par

gua-brometo de ltio para remover incondensveis (ar) que se infiltram no sistema ou hidrognio (que produto de processos de corroso). Os gases incondensveis, mesmo em pequenas quantidades, podem acarretar reduo na capacidade de resfriamento e at mesmo

conduzir cristalizao da soluo.


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Clulas de paldio Estas clulas so encontradas em grandes unidades do tipo fogo-direto e pequenas

unidades do tipo fogo-indireto. Elas so destinadas remoo de pequenas quantidades de hidrognio gerado num processo de corroso. Estes dispositivos operam segundo o princpio

de que membranas de paldio aquecidas so permeveis apenas ao hidrognio.

Inibidores de corroso So empregados para proteger as partes internas do sistema de refrigerao de efeitos

corrosivos provocados pela soluo absorvente na presena de ar. Os compostos tpicos

empregados so o cromato de ltio, nitrato de ltio ou molibdato de ltio. Para que estes inibidores sejam eficazes os contaminantes e a faixa de pH da soluo devem estar dentro de valores aceitveis. O controle do pH da soluo conseguido pela adio de hidrxido de ltio e cido hidrobrmico.

Aditivos para incrementar a transferncia de calor e massa Estes aditivos, como o lcool octlico, destinam-se a melhorar os coeficientes de

transferncia de calor e massa dos processos de absoro do vapor de gua e resfriamento da soluo de brometo de ltio. Com estes aditivos reduz-se a tenso superficial e aumenta-se- a

conveco na interface entre o vapor de refrigerante e a soluo (efeito Marangoni), incrementando a taxa de absoro do vapor de gua pela soluo.

Controle do fluxo de refrigerante O controle do fluxo de refrigerante entre o condensador e o evaporador ,

normalmente obtido com orifcios (adequados para os estgios de alta ou baixa presso) ou por purgadores de liquido (adequados apenas para condensadores de estgio de baixa presso).

Controle do fluxo de soluo O controle do fluxo de soluo entre o gerador e absorvedor realizado atravs do

emprego de vlvulas de controle de vazo (para o gerador primrio de sistemas de duplo efeito), bombas de soluo de velocidade varivel ou purgadores de lquido.

3.1.4 Controles Operacionais A funo primordial do sistema do controle de operar com segurana o sistema de

absoro, modulando sua capacidade para satisfazer as demandas de refrigerao. Os sistemas

modernos so equipados com sistemas eletrnicos de controle.


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A temperatura da gua que deixa o evaporador fixada num valor desejado ("set point"). Desvios deste valor indicam que a capacidade do sistema e a carga de refrigerao so diferentes. A capacidade do sistema de refrigerao ajustada atravs da modulao do sistema de controle da energia consumida (vapor, combustvel). A modulao da energia consumida implica numa mudana da concentrao da soluo absorvente que entra no absorvedor, caso a vazo da soluo permanea constante.

Alguns equipamentos empregam sistemas de controle da vazo de soluo que enviada para o gerador combinado com o controle de capacidade. A vazo de soluo pode

ser reduzida atravs de vlvulas reguladoras ou por alterao na rotao da bomba de soluo, medida que a carga de refrigerao diminui (diminuindo a carga trmica no gerador), possibilitando o aumento do coeficiente de eficcia em condies de carga parcial.

Quando h um abaixamento da temperatura da gua de resfriamento (que alimenta o absorvedor e o condensador) pode ocorrer transporte de lquido do gerador para o condensador, com ocorrncia de cristalizao da soluo absorvente no trocador de calor de

baixa temperatura. Devido a este fato, muitos sistemas de absoro dispem de um controle que limita a entrada de energia baseado na temperatura de entrada da gua de resfriamento.

Como o desempenho energtico do sistema de absoro aumenta com a reduo da temperatura do meio externo, a capacidade do sistema para operar com menores temperaturas

de gua de resfriamento um aspecto importante, e deve ser analisado quando da especificao de suas condies de operao.

O uso de controles eletrnicos com algoritmos avanados de controle melhora significativamente o desempenho dos sistemas a absoro operando em cargas parciais,

relativamente aos antigos sistemas de controle eltricos e pneumticos. Alm disso, os controles eletrnicos tornam mais simples e confiveis a operao e o estabelecimento das condies de operao ("set up") dos chillers a absoro.

A seqncia de um procedimento tpico de partida-operao-parada de um chiller a absoro, uma vez estabelecidos os fluxos de gua gelada e gua de resfriamento, :

1. um sinal de demanda de resfriamento inicializado com, por exemplo, um sbito aumento na temperatura da gua de resfriamento;

2. so verificados todos os sistemas de segurana do chiller; 3. as bombas de soluo e do refrigerante entram em operao;

4. o queimador entra em operao (ou a vlvula que controla o fluxo de vapor ou gua quente aberta);


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5. O chiller comea a atender a carga de resfriamento e controla a temperatura da gua gelada atravs da modulao da entrada de energia;

6. durante a operao todos os limites e requisitos de segurana so continuamente verificados e eventualmente aes corretivas so desencadeadas para assegurar

condies seguras de operao; 7. quando a carga de refrigerao cai abaixo do valor mnimo suportado pelo

chiller, o sistema de alimentao de energia desativado; 8. as bombas de soluo e refrigerante continuam a operar por alguns minutos para

diluir a soluo absorvente; 9. as bombas de soluo e refrigerante so desativadas.

A Figura 14 mostra o comportamento do coeficiente de eficcia, em condies de carga parcial, para sistemas de simples efeito e de duplo efeito (Stoecker e Jones, 1985).

Figura 14. Desempenho de sistemas a absoro de simples e duplo efeito em cargas parciais (Stoecker & Jones, 1985).

3.1.5. Limites Operacionais A temperatura da gua gelada que deixa o evaporador deve estar normalmente entre

4,4C e 15,6C. O limite superior fixado pelo lubrificante da bomba de refrigerante e relativamente flexvel. O limite inferior deve-se ao risco do refrigerante (gua) congelar.

A temperatura da gua de resfriamento fornecida aos tubos do absorvedor est,

normalmente, limitada entre 7,2C e 43,3C (alguns sistemas limitam esta temperatura entre


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21C e 35C). O limite superior existe devido aos valores de presso e diferena de presso passveis de ocorrer entre o gerador-absorvedor, condensador-evaporador, ou ambos, alm de

reduzir as concentraes da soluo absorvente e efeitos corrosivos. O limite inferior de temperatura existe porque, a valores excessivamente baixos de temperatura de gua de

resfriamento, a presso de condensao cai muito e quantidades elevadas do vapor de refrigerante arrastam a soluo para o condensador. Abaixamentos bruscos da temperatura da

gua de resfriamento, para altas cargas de refrigerao, tambm podem ocasionar cristalizao da soluo. Assim, alguns fabricantes diluem a soluo com uma quantidade limitada de

refrigerante lquido, para evitar a ocorrncia de cristalizao. Esta diluio feita em etapas.

3.2. SISTEMAS QUE EMPREGAM O PAR AMNIA-GUA O sistema de absoro que opera com o par NH3-H20 um dos mais antigos sistemas

de refrigerao por absoro. Neste para a amnia o refrigerante e a gua o absorvente.

Como a gua e a amnia so volteis o gerador de um sistema convencional substitudo pela combinao de um gerador e uma coluna de retificao. Estes componentes so necessrios

para separar o vapor de gua do vapor de amnia. Um esquema de um sistema gua-amnia est mostrado na Fig. 15.

Figura 15. Sistema de Absoro gua-Amnia.


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Os nveis de presso existentes no sistema so consideravelmente maiores que aqueles reinantes nos sistemas que operam com o par H20-LiBr, devido ao emprego da amnia como

refrigerante. As presses de condensao situam-se em torno de 20 bar e as de evaporao em torno de 5 bar.

Para sistemas resfriados a ar, como o mostrado na Fig. 16, os processos de condensao e absoro ocorrem no interior de tubos, para que a parte externa dos tubos

possa ser aletada para melhorar a transferncia de calor para o ar. Para sistemas deste tipo obtm-se coeficientes de eficcia de cerca de 0,5. Os principais componentes do sistema mostrado na Fig. 16 so:

Gerador: o vaso vertical tem superfcie externa aletada para melhorar a transferncia de calor dos gases de combusto. Na parte interna h um conjunto de pratos que permitem um contato ntimo entre o fluxo descendente de vapor e o

fluxo ascendente de absorvente. O ar de resfriamento do absorvedor e condensador misturado com os gases de combusto efluentes do queimador, que depende do

ventilador do condensador para manter o fluxo adequado de ar de combusto.

Trocadores de Calor: a transferncia de calor entre as solues diluda e concentrada ocorre parcialmente no gerador-analisador. A regio contendo a soluo concentrada escoa por um tubo, em forma de espiral, colocado na regio

dos pratos do analisador e no trecho do absorvedor resfriado pela soluo. Nesta regio h a entrada da soluo concentrada proveniente do gerador que vai

absorver parte do vapor proveniente do evaporador. Este processo ocorre na parte externa da serpentina por onde circula a soluo diluda. O processo de absoro

continua no trecho do absorvedor resfriado a ar. O retificador um trocador de calor que consiste de uma serpentina em espiral

atravs da qual escoa a soluo diluda proveniente da bomba de soluo. Material de enchimento includo no analisador para incrementar o contato entre o fluxo de

condensado da serpentina (que enviado para o gerador), e o vapor (que se dirige ao condensador resfriado a ar). A funo do retificador concentrar a fase vapor (que vem do gerador) em amnia atravs do resfriamento e separao de parte do vapor de gua.

Absorvedor e Condensador: estes trocadores so tubos aletados dispostos de forma que a maior parte do fluxo do ar de entrada passa pelos tubos do

condensador e a maior parte do fluxo de ar de sada escoa pelos tubos do absorvedor.


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Evaporador: o lquido a ser resfriado borrifado sobre uma serpentina por onde escoa amnia. Durante este processo h transferncia de calor para a amnia, com

o conseqente resfriamento da gua. A gua gelada coletada na parte inferior do evaporador e enviada para a bomba de gua gelada.

Bombas de Soluo: o movimento alternativo de um diafragma flexvel movimenta a soluo atravs das sees de suco e descarga. Este movimento conseguido atravs da gerao de pulsos hidrulicos por uma bomba de pisto com

presso atmosfrica na suco.

Controle de Capacidade: normalmente empregado um termostato para "ciclar" a operao do sistema. Um controle de temperatura de gua gelada desliga os queimadores se a temperatura atingir valores prximos da condio de

congelamento.

A Tabela 4 apresenta algumas caractersticas de sistemas a absoro com o par

NH3-H20 destinados ao resfriamento de ar.

Figura 16. Chiller NH3-H20 do tipo fogo direto resfriado a ar (ASHRAE Refrigeration Handbook, 1994).


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Tabela 4. Caractersticas Tpicas de Sistemas de Absoro NH3-H20 Resfriados a Ar (ASHRAE Refrigeration Handbook, 1994).

CARACTERSTICA VALORES TPICOS Capacidade de resfriamento (kW) 10,6 17,6

Comprimento (m) 1,0 1,2 Largura (m) 0,7 0,9 Altura (m) 1,0 1,2

Peso em operao (kgf) 250 350

4. BIBLIOGRAFIA

[1] Stoecker, W.F.; Jones, J.W. 1985. Refrigerao e Ar Condicionado, McGraw-Hill do Brasil, So Paulo.

[2] Dorgan, C. B.; Steven, P. L; Dorgan, C. E. 1995. Application Guide for Absorption Cooling/Refrigeration using Recovered Heat, ASHRAE.

[3] Oliveira Jr., S. et al. 1990. New Structures and New Types of Heat Transformers. Anais do III ENCIT, Florianpolis.

[4] ASHRAE. 1981. Handbook of Fundamentals. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers.

[5] ASHRAE. 1994. Refrigeration Handbook. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers.

[6] ARI. 2000. Absorption Water Chilling and Water Heating Packages. ARI 560/2000. Air Conditioning & Refrigeration Institute.

[7] ASHRAE. 1996. Absorption/Sorption Heat Pumps and Refrigerating Systems. Technical Data Bulletin, Vol 12. N 1.

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Aula 04 - Apostila Refrigeração Por Absorção