Ciclo de Refrigeração por Absorção – Água/Amônia

PME 5409-Engenharia Termo Ambiental

São Paulo, 21/08/09

José Eduardo Prata No USP: 6507322

Introdução Refrigeração e Condicionamento de ar são

fundamentais na indústria, comércio e residências. Seja para armazenamento de produtos, controle da qualidade de processos ou conforto térmico

Os dois principais tipos de sistemas de refrigeração e condicionamento de ar são os ciclos de refrigeração por absorção e os ciclos de refrigeração por compressão de vapor

Ciclos de absorção são operados a calor e ciclos de compressão são operados a trabalho

O sistema de absorção foi patenteado por Ferdinand Carré em 1860 nos EUA.

Ciclo de Refrigeração por Absorção de Amônia

Vapor de Amônia a alta pressão

Para o meio

Amônia líquida

Vapor de Amônia a baixa pressão

Da câmara fria

Da fonte de alta temperatura

Para o meio

Solução fraca de amônia

Solução forte de amônia

Figura 1: Esquema ilustrativo do ciclo de refrigeração por absorção de amônia

Válvula de expansão

Válvula redutora de pressão

Ciclo de Refrigeração por Compressão a Vapor

Figura 2: Esquema ilustrativo do ciclo de refrigeração por compressão a vapor

Coeficiente de Performance - COP

Um ciclo de refrigeração pode ser analisado em termos de sua eficiência energética, através do COP, que é uma grandeza adimensional.

Refrigeração por Compressão a Vapor: O COP é dado pela relação entre a capacidade de refrigeração obtida e o trabalho para tal.

comp

evap

W

QCOP

(1)

Coeficiente de Performance - COP

Refrigeração por Absorção: O COP é dado pela relação entre a capacidade de refrigeração obtida e a taxa de adição de calor ao gerador

ger

evap

Q

QCOP

(2)

Coeficiente de Performance - COP

COP de ciclos de absorção de amônia giram em torno de 0,6 Enquanto o COP de ciclos de compressão estão em torno de 3 Comparar os desempenhos nos ciclos com base nos valores de COP não é se mostra condizente com a realidade, visto que são definidos diferentemente. Energia na forma de trabalho é normalmente muito mais valiosa e cara que energia na forma de trabalho

Vantagens da Refrigeração por Absorção

Utilização de energia térmica em detrimento da energia elétrica (compressor)

A potência elétrica para funcionamento da bomba de solução representa menos de 1% da capacidade de refrigeração

Grande variedade de possíveis fontes de energia térmica: água quente, vapor, queima de gás natural, energia solar, biomassa, gases de exaustão de motores de combustão interna, etc..

Cogeração (produção simultânea de energia térmica e energia mecânica a partir de um único combustível, sendo esta última habitualmente convertida em energia elétrica através de um alternador)

Vantagens da Refrigeração por Absorção

Figura 3: Diagrama ilustrativo da Cogeração

Refrigerante

Características necessárias para um agente refrigerante:

Uma vez que a refrigeração se efetua pela evaporação de um

líquido, o refrigerante deve ser volátil ou capaz de se evaporar;

O calor latente de vaporização deve ser bastante elevado para

que o resultado desejado seja obtido com um mínimo de

refrigerante em circulação;

É importante que seja seguro nas condições normais de

funcionamento. Os refrigerantes não devem ser combustíveis,

manter a chama ou ser explosivos;

O refrigerante deve ser inofensivo às pessoas e ter um odor que

revele a sua presença. Os vazamentos devem ser detectáveis por

verificação simples;

RefrigeranteCaracterísticas necessárias para um agente refrigerante (continuação):

O custo deve ser razoável e deve existir em abundância para seu emprego comercial; O refrigerante deve ser estável, sem qualquer tendência a se decompor nas condições de funcionamento; Não deve ter efeito prejudicial sobre os metais, lubrificantes e outros materiais usados no sistema; O refrigerante deve ter pressões de evaporação e condensação razoáveis; A temperatura crítica deve estar bem acima da temperatura de condensação.

Refrigerante

Amônia ( R717) A Amônia atende quase a totalidade desses requisitos, com ressalva apenas quanto à sua toxicidade e por tornar-se explosiva em concentrações de 15% a 30% em volume

É considerado o único refrigerante natural, ecologicamente correto, por não agredir a camada de ozônio, diferentemente dos CFCs

Com a crescente preocupação com as questões ambientais, a aplicabilidade da amônia, como refrigerante, tem sido redescoberta. Conquistando novos nichos de mercado, e perdendo a imagem de utilizada exclusivamente em instalações frigoríficas de médio e grande porte

Estudo de Caso – Ciclo Comercial 5TREquipamentos Servel-Robur, modelo ACF 60-00, capacidade de 5TR

Figura 4: Ciclos Comerciais de Refrigeração por absorção de amônia

Estudo de Caso – Ciclo Comercial 5TREquipamentos Servel-Robur, modelo ACF 60-00, capacidade de 5TR

Figura 6: Fan Coil e Aquecedor de Ar (simuladores de carga térmica)

Figura 5: Ciclo instrumentado

Estudo de Caso – Ciclo Comercial 5TREquipamentos Servel-Robur, modelo ACF 60-00, capacidade de 5TR

(a): Gerador;(b): Bomba de solução;(c): Retificador;(d): Câmara de nivelamento;(e): Pré-absorvedor;(f): Absorvedor;(g): Condensador;(h): Trocador de calor;(i): Evaporador;(j): Válvula de expansão 1;(k):Válvula de expansão 2; 

Figura 7: Ciclo aberto para visualização

Estudo de Caso – Ciclo Comercial 5TRModelo do Ciclo Comercial

Figura 8: Esquema do ciclo comercial

Estudo de Caso – Ciclo Comercial 5TR

Simulação

Dados de entrada: Temperatura na saída do absorvedor: T1= 40oCTemperatura de condensação: T10= 40oCTemperatura de evaporação: T14= -10oCTemperatura na saída do gerador: T7= 87oCCarga térmica: Qevap= 5TREficiência da bomba: hb=0,50Efetividade do trocador de calor: εTC =0,95Efetividade do retificador: εret =0,95Efetividade do trocador do absorvedor: εabs =0,95

Estudo de Caso – Ciclo Comercial 5TR

SimulaçãoCondições Operacionais: Título na saída do absorvedor: q1= 0 (líquido saturado)Título na saída de solução do gerador: q5= 0 (líquido saturado)Título na saída do gerador: q7= 1 (vapor saturado seco)Título no retorno para o gerador: q8= 0 (líquido saturado)Título na saída do retificador: q9= 1 (vapor saturado seco)Título na saída do condensador: q10= 0 (líquido saturado)Título na saída do evaporador: q14= 0,915 Fração mássica na saída do retificador: x7= 0,999Diferença de composição na recirculação do absorvedor: x1-x5=0,3Igualdade de pressões: P1= P6=P13=P14=P15=Pb (Pressão baixa)P2= P3=P4=P5=P7=P8=P9=P10=Pa (Pressão alta)P11=P12=Pm (Pressão intermediária)

Estudo de Caso – Ciclo Comercial 5TR

Resultados

COP kW

Qabs ][kW

Qger ][kW

Qcond ][kW

Qret ][kW

Wbr

0,6259 28,69 28,09 16,95 3,232 0,14

Bibliografia KUEHN, T.H.; RAMSEY, J. W.; THRELKELD, J.L. Thermal Environmental Engineering. Upper Saddle River, EUA: 3ª ed.Prentice-Hall, 1998.

ORTIGOSA, S. A.Modelagem, Simulação e Otimização de um ciclo comercial de produção de água gelada por absorção de amônia. 2007. Trabalho de Formatura-Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007.

SONNTAG, E. R.; VAN WYLEN, J.G. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. Edgar Blucher, São Paulo, 1976.

  STOECKER, J. G.; JONES, J. W. Refrigeração e Ar Condicionado. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1985.