refrigeração por absorção - revisão sobre as tecnologias disponíveis

8/8/2019 Refrigerao por absoro - reviso sobre as tecnologias disponveis

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REFRIGERAO POR ABSORO REVISO SOBREAS TECNOLOGIAS DISPONVEIS.

Jos de Araujo, Joo Pimenta e nio

Universidade de Braslia, Faculdade de Tecnologia, Departamento de EngenhariaMecnica. LaAR, Laboratrio de Ar Condicionado e Refrigerao (www.laar.unb.br)70910-900, Braslia, DF, BRASIL.

Resumo: Este artigo apresenta uma reviso bibliogrfica sobre as tecnologias

atualmente disponveis que utilizam o ciclo de absoro. Pesquisa literatura evidenciaque sistemas de simples e duplo efeito continuam em destaque, com avanosconsistentes nas pesquisas para desenvolvimento de equipamentos de triplo efeito.Refrigeradores domsticos utilizando amnia-gua-hidrognio tambm merecemsignificativa citao. As solues binrias amnia-gua e gua-brometo de ltiocontinuam a ser bastante empregadas, embora muitas pesquisas estejam emandamento na busca de outros fluidos de trabalho. Encontram-se muitos estudosrelacionados com o aumento do processo de absoro do vapor de refrigerante pelasoluo absorvente. Neste esforo, destacam-se duas correntes principais depesquisa: a aplicao de aditivos e nanopartculas soluo; e modificaes nageometria e nas superfcies de componentes do absorvedor.

Palavras-chave: Ciclo de absoro, Tecnologias disponveis, Fluidos de trabalho,Absorvedor, Coeficiente de Performance.

1. INTRODUO

Os sistemas de refrigerao baseados no ciclo por absoro tm experimentadoaltos e baixos desde sua primeira aplicao efetiva em 1859. Predominantes no inicioda indstria de refrigerao e ar condicionado, tais sistemas perderam competitividadequando do advento da distribuio de energia eltrica a baixos custos entre o final do

sculo XIX e o inicio do sculo XX.Atualmente tem-se observado um interesse renovado nos ciclos de absoro, faces crescentes preocupaes com questes energticas e ambientais. Configura-seento um desafio para o engenheiro, voltado para aplicao ou pesquisa, ter acesso ainformaes tcnicas sobre sistemas de refrigerao operando sob o ciclo de absoro,uma vez que a literatura sobre o assunto escassa e dispersa. Raras iniciativas (Wu eEames, 2000; Kang et al, 2000; Srikhirin et al, 2001) agrupam informaes sobretecnologias de absoro e inovaes ligadas a elas.

Este artigo rene em texto nico tais informaes, com enfoque sobre tecnologiasdisponveis e pesquisas voltadas para novos fluidos de trabalho e melhoria da eficinciado processo de absoro.

X CONGRESSO BRASILEIRO DE REFRIGERAO, AR CONDICIONADO,VENTILA O A UECIMENTO E TRATAMENTO DE AR.


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1.1 Fundamentos

A exemplo de um ciclo de compresso de vapores, o ciclo bsico de absoro

opera com dois nveis de presso, estabelecidos pelas temperaturas de condensao eevaporao, respectivamente. Num ciclo de absoro, o compressor substitudo poruma soluo binria (refrigerante + absorvente) e trs componentes: o absorvedor ondea soluo absorve (aspira) o refrigerante, uma bomba de recirculao para elevar apresso da soluo e um gerador onde ocorre a separao do refrigerante doabsorvente, por meio de adio de calor. No mais, o refrigerante sofre os mesmosprocessos de condensao, expanso e evaporao existentes num ciclo decompresso de vapores, numa forma contnua. Um ciclo bsico de absoro e seusprincipais componentes so mostrados na Fig. 1.

Bomba

Absorvedor

CondensadorGerador

Evaporador

vapor de refrigerante

vapor de refrigerante

Alta presso

Baixa presso

Vlvularedutoradepresso

qe

qg

qa

Tc

Ta Tr

Soluo

calor

qcTs

Fig. 1: Ciclo bsico de absoro e seus componentes principais

Variaes a partir do ciclo bsico de absoro, acrescentando ou suprimindocomponentes, operando com mais de dois nveis de presso, utilizando diferentessolues binrias ou ternrias vm ocorrendo desde ento, constituindo o que

passamos a nomear de novas tecnologias de absoro.O termo absoro descreve a transferncia de vapor para uma mistura binria nafase lquida. A absoro guarda uma similaridade com a condensao, uma vez queocorre uma mudana de fase de vapor para lquido. Contudo, o processo de absoroimplica na existncia prvia de uma substncia na fase lquida no absorvedor.

O Coeficiente de Performance (COP) caracteriza o desempenho de um ciclo derefrigerao. Quanto maior, melhor. O COP de um ciclo de absoro representaaproximadamente 1/3 do COP de um ciclo de compresso de vapores. Contudo deve-se levar em considerao nessa anlise que o custo da energia eltrica para o trabalhode compresso, bem maior do que o custo da energia trmica. Defini-se ento oCOP de um ciclo bsico de absoro pela seguinte relao:


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Taxa de refrigerao

COP =Taxa de calor adicionado ao gerador

(1)

Costuma-se desconsiderar o trabalho de bombeamento no ciclo de absoro. Astaxas de refrigerao e de calor adicionado ao gerador podem ser expressas pelastemperaturas em jogo no sistema, fazendo com que o COP possa ser definido pelaseguinte equao:

)(

)(

ras

asr

TTT

TTTCOP

= (2)

Onde,

Tr Temperatura do refrigerante no evaporador;Ts Temperatura da soluo no gerador;Ta Temperatura da soluo no absorvedor.

Considera-se que a temperatura da soluo no absorvedor aproximadamenteigual temperatura do refrigerante no condensador (Tc).

2. TECNOLOGIAS DISPONVEIS

2.1 Sistemas de simples efeito

2.1.1 Simples efeito com soluo gua-brometo de ltioO brometo de ltio um sal slido, cristalino, altamente higroscpico. Quando

dissolvido, tem uma tremenda afinidade por vapor dgua. Em sistemas base degua-brometo de ltio, a gua faz o papel do refrigerante enquanto a soluo debrometo de ltio responsvel por absorver o vapor de refrigerante oriundo doevaporador. A utilizao da soluo de gua-brometo de ltio em sistemas de absorose difundiu a partir de 1950, nos Estados Unidos, com emprego prioritariamente nascentrais de ar condicionado de grandes prdios. A Fig. 2 mostra os componentesbsicos desse sistema.

Sistemas guabrometo de ltio operam com presses bem abaixo da atmosfrica,

resultando em infiltraes de ar. Unidades de purga acompanham os equipamentospara eliminar no condensveis, normalmente constitudos do ar infiltrado e hidrogniooriundo de reaes de processos de corroso.


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qc

Bomba

Absorvedor

CondensadorGerador

Evaporador

Vlvularedutorade presso

qe

qg

qa

calor

Trocadorde Calor

Vlvuladeexpanso

Vem da torre de arrefecimento

Vai torre dearrefecimento

Fig. 2 Sistema de simples efeito gua-brometo de ltio.

Um trocador de calor incorporado ao sistema, entre o gerador e o absorvedor.Sob o ponto de vista dos fluidos de trabalho, o sistema pode ser dividido em doiscircuitos. O circuito da soluo e o do refrigerante. A soluo circula entre o gerador, otrocador de calor e o absorvedor. movida pela bomba de circulao da soluo,responsvel pelo retorno da mesma ao gerador que est num nvel de presso maiorque o absorvedor. No trocador a soluo que sai do gerador, a alta temperatura, cedecalor para a soluo que retorna para o gerador. Isso faz com que haja uma diminuiodo calor a ser adicionado ao gerador, aumentando assim o COP do sistema em cercade 6%, quando comparado ao sistema sem o trocador de calor. O circuito derefrigerante no difere daquele de um ciclo de compresso de vapores, com exceoda temperatura de evaporao cujo valor mnimo em instalaes comerciais limitadoa 3C, para evitar riscos operacionais (congelamento da gua e cristalizao dasoluo).

2.1.2 Simples efeito com soluo amnia-gua

2.1.2.1 Sistema clssicoTal sistema tem sido usado desde meados dos anos 1800. Originalmente sua

aplicao era para refrigerao, mas a partir de 1960 passou a ser utilizado, tambm,em sistemas de ar condicionado residencial e a partir de 1970 seu emprego tem sidoconsiderado em instalaes comerciais de aquecimento, refrigerao e arcondicionado.


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Aqui a amnia o refrigerante e a gua o absorvente. Amnia uma substncianaturalmente extrada na natureza, produzida em larga escala e utilizada em grandesquantidades na indstria de fertilizantes, e como matria prima na fabricao de fibras,

plsticos e explosivos, produtos de limpeza, processos de microfilmagem e outrostantos. barata e ecolgica para a natureza, porm txica para o homem. Nascondies normais de temperatura e presso um gs incolor, de baixa massaespecfica, porm de cheiro caracterstico que permite sua identificao mesmo embaixas concentraes num ambiente.

Neste sistema so utilizados analisadores e retificadores para remoo do vapordgua contido na mistura de vapor que sai do gerador, antes que este atinja ocondensador. Caso contrrio essa gua se acumula no evaporador comprometendo aeficincia de todo o sistema. Um analisador uma coluna de destilao acoplada parte superior do gerador. Um retificador na sua essncia um condensador quecondensa e reflui para o gerador aquele vapor dgua que conseguiu passar pelo

analisador, acompanhado de uma pequena parcela de vapor de amnia. Sistemas derefrigerao para conservao de alimentos ou de processos industriais operam comtemperaturas de evaporao de -34 a -45C, j equipamentos de ar condicionado dotipo residencial com capacidades na faixa de 10 a 17 kW (3 a 5 TR) operam comtemperaturas de evaporao de 0C. A Fig. 3 mostra um sistema desse tipo.

qc

Bomba

Absorvedor

CondensadorGerador

Evaporador


qe

qg

qa

calor

Trocadorde Calor

Vlvuladeexpanso

Vem da torre de arrefecimento


Analisador

Retificadorqr

Fig. 3 Sistema de simples efeito amnia-gua com analisador e retificador


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2.1.2.2 Sistema de ressoro

No sistema dito clssico, as temperaturas de evaporao e condensao so

constantes uma vez que as mudanas de fase ali ocorridas so isobricas. J nosistema de ressoro, as operaes de condensao e evaporao no se produzemmais a uma temperatura determinada, mas numa grande zona de temperaturas. Paratanto, o condensador substitudo por um ressoror (absorvedor) e o evaporador porum desgaseificador. Alm disso, ele constitudo por dois circuitos de soluoindependentes. Tal sistema mostrado na Fig. 4 foi proposto em 1913.

qr

Bomba

Absorvedor

RessororGerador

Desgaseificador


qd

qg

qa

calor

Trocadorde Calor

Vlvuladeexpanso

Fig. 4 Sistema de ressoro

Os vapores de amnia oriundos do gerador no mais se condensam, mas sim soabsorvidos no ressoror pela soluo relativamente pobre que vem dodesgaseificador. No desgaseificador, a soluo existente empobrecida pelaevaporao da amnia ao retirar calor do meio que se deseja esfriar. Essa soluoento retornada ao ressoror por meio da sua bomba. O vapor de amnia produzidodo desgaseificador passa para o absorvedor, onde a partir da se processa como numciclo convencional de absoro.

2.2 Sistemas de duplo efeito

2.2.1 Sistema duplo efeito com soluo gua-brometo de ltioDevido ao COP relativamente baixo, da ordem de 0,7, sistemas de simples efeito

no conseguem competir com ciclos por compresso de vapores. Exceto emprocessos onde h rejeitos de calor a temperaturas e presses passveis deaproveitamento por aqueles equipamentos.


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A tecnologia de duplo efeito com soluo de gua brometo de ltio foi desenvolvidacom o intuito de suprimir a deficincia apontada para aqueles sistemas. Com COP nafaixa de 1,0 a 1,2, muito mais competitiva, principalmente quando utiliza queima

direta. O sistema utiliza dois geradores (alta e baixa presso) e recebe mais umtrocador de calor (alta presso). O vapor dgua produzido no gerador de alta condensado no gerador de baixa. Na seqncia a gua passa por um redutor depresso onde parte da mesma se vaporiza, para logo em seguida voltar a condensar aoentrar no condensador. A soluo concentrada que sai do gerador de alta, passa pelotrocador de alta, tem sua presso reduzida e entra no gerador de baixa. Ali, a soluorecebe calor do vapor dgua que est condensando. A partir da o processo continuaseguindo como num sistema de simples efeito.

A Fig. 5 apresenta, esquematicamente, um sistema de duplo efeito.

qc

Bomba

Absorvedor

Condensador

Gerador I

Evaporador


qe

qg

qa

calor

Trocador deCalor de Baixapresso

Vlvuladeexpanso

Vem da torre dearrefecimento


Gerador II

Trocador deCalor de Altapresso

Fig. 5 Sistema de duplo efeito gua-brometo de ltio

Em centros com disponibilidade de gs natural uma opo necessariamente aser estudada como alternativa ou associada a solues que utilizam tecnologia porcompresso de vapores, quer com motores eltricos ou de combusto interna.


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2.2.2 Sistema duplo efeito com soluo amnia-guaA literatura diferencia estgio de efeito (Herold et al, 1996). O termo duplo efeito

refere-se configurao na qual uma certa quantidade de calor utilizada e produz

vapor refrigerante duas vezes. um caso especial de um sistema de dois estgios. Emgeral, sistemas de dois estgios podem ser imaginados como sendo constitudos dedois sistemas de simples estgio.

Existem 26 diferentes tipos de configurao para sistemas de dois estgios, pormsomente alguns deles foram avaliados quanto performance (Alefeld e Radermacher,1994 apud Herold et al, 1996). A Fig. 6 mostra um exemplo de um sistema de doisestgios e duplo efeito para soluo amnia-gua.

Bomba

Absorvedor 2

Gerador 1Gerador 2

Absorvedor 1

Vlvularedutora

de presso

qa1

qg

qa2

calor

Trocadorde Calor

qcCondensador

Evaporador qe

Retificador 2 Retificador 1

qr2 qr1

Fig.6 Sistema de duplo efeito amnia-gua

Este sistema possui dois nveis de presso. A fonte de calor para o gerador 1

provm do calor de absoro no absorvedor 2. O retificador 2, do estgio de altatemperatura, subdivido em dois retificadores que operam com nveis de temperaturadiferentes e tambm contribui como parte da fonte de calor do gerador de baixatemperatura.

2.3 Sistema GAXA sigla GAX significa trocador de calor gerador-absorvedor, do ingls generator-

absorber heat exchanger. Sua idealizao parte do princpio de um sistema amnia-gua de dois estgios, porm com a simplicidade de configurao de um sistema desimples efeito.


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O trocador de calor entre o gerador e o absorvedor suprimido. Agora a troca decalor entre as duas solues que saem daqueles componentes feita dentro deles, dao termo trocador de calor gerador-absorvedor. A Fig. 7 mostra um sistema GAX.

O processo de transferncia de calor e massa no trocador de calor gerador-absorvedor bastante complexo, envolvendo fluxos de vapor e soluo emcontracorrente, com temperaturas ascendentes da esquerda para a direita. Estatecnologia foi patenteada em 1914 por Altenkirch e Tenckhoff. Vrios estudos sobreeste sistema (Kang e Kashiwagi, 2000; Velzquez e Best, 2002; Kang et al, 2004)apontam para uma possvel produo futura em escala comercial. Um sistema GAXamnia-gua de 250 kW (71 TR) utilizando gs natural foi instalado em 1994 numprdio pblico da Holanda. Opera como bomba de calor, simultaneamente aquecendoo prdio e resfriando ambiente com computadores.

Bomba

Absorvedor

CondensadorGerador

Evaporador

Vlvula

redutorade presso

qe

qg

qa

calor

Trocadorde Calor

Vlvula

deexpanso

Rqr

qc

Fig. 7 Sistema GAX

2.4 Sistema por difusoO sistema por difuso, lanado por Platen e Munters em 1920, utiliza amnia-guacomo fluido de trabalho e a inteligente soluo de adicionar hidrognio ao ciclo paraequalizar a presso em todo o sistema. O hidrognio fica retido no evaporador e noabsorvedor por meio de sifes lquidos, sua adio permite eliminar todas as vlvulas epartes mveis dos equipamentos, o que os torna bastante silenciosos. O hidrognio noevaporador causa a reduo da presso parcial da amnia, permitindo assim suaevaporao.


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A movimentao da soluo se d pela grande quantidade de bolhasdesprendidas durante a ebulio da soluo no gerador, que sobe por um tubo delgadoarrastando consigo parcelas da soluo at o separador. No separador, o vapor de

amnia segue para o condensador e a soluo arrastada pela bomba de bolhas vertida no absorvedor. A Fig. 8 mostra um esquema simplificado de tal sistema.

A inexistncia de partes mveis e o silncio fazem com que ainda persista umnicho de mercado para esse tipo de equipamento, na rea veicular e refrigeradores dehotel. Tal sistema ainda objeto de estudos termodinmicos visando avaliar emelhorar seu COP (Zohar et al, 2005)

Absorvedor

Condensador

Gerador

Evaporador

qg

gua/Amnia

Amnia/Hidrognio

Vapor deAmnia

Amnia lquida

Vapor de

Fig. 8 Sistema de absoro por difuso

2.5 Sistemas de triplo efeitoEquipamentos de triplo efeito utilizando queima direta e soluo de gua-brometo

de ltio esto sob ativa pesquisa e desenvolvimento por vrios fabricantes, com a

perspectiva de aumento de COP para a faixa de 1,4 a 1,5, apesar de um pequenoaumento do custo inicial. Das vrias configuraes possveis de sistemas de triploefeito, trs configuraes vm merecendo uma ateno maior dos pesquisadores: fluxoparalelo, fluxo em srie e fluxo reverso. Resultados desses trabalhos demonstram quea configurao de fluxo paralelo leva a maiores valores de COP (Kaita, 2002). Um dosgrandes desafios relacionados com projetos de equipamentos de triplo efeito acorroso decorrente dos fluidos de trabalho, intensificada pelas altas temperaturas em

jogo.


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2.6 Outras tecnologiasA integrao das tecnologias de cogerao (Hwang, 2004; Maidment, 2002; Talbi

e Agnew, 2002) e energia solar com sistemas de absoro tm avanado e sido objeto

de vrios estudos e projetos j desenvolvidos (Alizadeh, 2000; Medrano et al, 2001;Izquierdo et al, 2002; Henkel et al, 2005; Fan et al, 2006).

As associaes das tecnologias por compresso de vapores e absoro tm sidobastante exploradas (Swinney et al, 2001; Infante Ferreira et al, 2006).

A tecnologia de sistemas de armazenamento de energia tambm avaliada naliteratura (Xu et al, 2007), bem como uma nova tecnologia para bombas de calorempregando solvente para extrair refrigerante do absorvedor (Cheng, 2000).

Novas tecnologias de absoro associadas ao uso de ejetores com potencial demelhoria do COP tambm so pesquisados (Eames e Wu, 2000; Chunnanond eAphornratana, 2004 ).

3. FLUIDOS DE TRABALHOO custo inicial e operacional de um equipamento de absoro tem uma grande

dependncia das propriedades do fluido de trabalho.Centenas de outros fluidos foram analisadas para uso em sistemas de absoro,

gua-hidrxido de sdio, gua-cido sulfrico, amnia-tiocianato de sdio, por exemplo.A procura por novos produtos no se limita ao fluido de trabalho, se estendendo

tambm aos aditivos que hoje so utilizados para aumentar a performance dosequipamentos (Glebov e Setterwall, 2002; Vemuri et al 2006)

Muitos estudos so apresentados na literatura para substituio dos pares gua-amnia (Romero et al, 2005) e gua-brometo de ltio. Os enfoques das pesquisas

variam desde o alargamento da faixa de operao sem ocorrncia de cristalizao(Shiming et al, 2001), ou para reduo da corroso associada com o uso deste, ouainda para reduo do tamanho dos absorvedores arrefecidos a ar (Dirksen et al, 2001;Lee, J. -W. et al, 2001; De Lucas et al, 2004; Bourois et al, 2005; Donate et al, 2006).

4. AUMENTO DA EFICINCIAA boa performance de um sistema de absoro depende da eficincia do processo

de absoro no absorvedor, e tambm de uma eficiente separao do refrigerante nogerador.

Num equipamento de absoro o absorvedor o item de maior tamanho. Osestudos de anlise e melhoria da eficincia do processo de absoro tambm podemocasionar a reduo do seu tamanho. Vrias frentes de pesquisas trabalham para essefim. Uma delas investe com propostas de mudanas na sua geometria. A utilizao detubos microrranhurados conjugados com a adio de aditivos, por exemplo (Park et al,2003; Kim et al, 2003; Park et al, 2004); propostas de aplicao de filmes plsticosentre os tubos horizontais para aumentar a rea de interface entre a soluo (Goel eGoswani, 2005); utilizao de tubos helicoidais (Yoon et al, 2005) ou verticais.


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