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APLICAÇÃO DA LÓGICA FUZZY NO CONTROLE DA

CRISTALIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR

ABSORÇÃO COM PAR ÁGUA – BROMETO DE LÍTIO

Por

João Erivando Soares Marques

Tese de Doutorado apresentada à Universidade Federal da Paraíba para a

obtenção do grau de Doutor

João Pessoa – PB Março, 2010

Universidade Federal da Paraíba

Centro de Tecnologia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - Mestrado - Doutorado -

JOÃO ERIVANDO SOARES MARQUES



ABSORAÇÃO COM PAR – BROMETO DE LÍTIO

Tese apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Mecânica da

Universidade Federal da Paraíba, em

cumprimento às exigências para obtenção do

grau de Doutor.

Orientador : Prof. Dr. Carlos Antonio Cabral dos Santos

Prof. Dr. Francisco Antônio Belo

João Pessoa – PB Março, 2010

M357a Marques, João Erivando Soares. Aplicação da lógica fuzzy no controle da cristalização de

um sistema de refrigeração por absorção com par – brometo de lítio / João Erivando Soares Marques.- João Pessoa, 2010.

94f. : il.

Tese (Doutorado) – UFPB/CT Orientadores: Carlos Antonio Cabral dos Santos, Francisco

Antônio Belo 1. Engenharia Mecânica. 2.Refrigeração por absorção. 3. Controle

Fuzzy. 4. Gás natura. 5. Conversor de freqüência. UFPB/BC CDU: 621(043)

O coração do homem pode fazer planos, mas

a resposta certa dos lábios vem do Senhor.

(Provérbios 16:1)

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho, em primeiro lugar, ao nosso Senhor e Salvador Jesus

Cristo, e em segundo, a minha querida esposa Dora, a minha amada filha Natália, aos meus

pais Pedro Alves e Francisca Inêz, e a todos os meus familiares.

AGREDECIMENTOS

A Deus, pela oportunidade de exaltá-lo, pela provisão, proteção e força necessária à

caminhada.

A todos os familiares, em especial minha amada esposa Dora e minha querida filha

Natália por fazerem parte da minha sustentação familiar.

Ao amigo Jorge Luiz pelo seu inestimável apoio e motivação, e pelas preciosas

meditações na Palavra de Deus.

A amiga Suerda por sua dedicação, amizade e companheirismo ao longo da

caminhada.

Ao amigo Edil Nascimento e a sua família, pela amizade e apoio na realização

desse sonho.

Ao amigo Casal Missionário, Profª. Vera Lúcia e Luís Lula Gonzaga, pelas orações,

e afetividade durante minha formação espiritual.

Ao amigo Felipe e os demais integrantes da UNIPAC (Universidade para Cristo),

pelo encorajamento no Campo Missionário.

Ao Professor Dr. Francisco Antônio Belo, pela oportunidade a desenvolver esse

trabalho e por sua orientação e amizade.

Ao professor Dr. Carlos Antônio Cabral dos Santos, pelo inestimável incentivo,

orientação e assistência fornecida na concretização desse trabalho.

Ao professor Ronildo Inácio Soares de Alencar, pela a orientação e compreensão

dada ao longo da caminhada.

Ao professor Dr. Moacir Martins Machado, pela orientação e contribuição dada ao

longo da caminhada.

Ao professor Dr. Marcelo Magalhães Ávila Paz, pela orientação e compreensão

dada ao longo da caminhada.

Ao professor Dr. Marco Antônio W. Cavalcanti, pelo inestimável apoio e incentivo

acadêmico.

Aos professores Dr. Antônio Pralon Ferreira Leite, Dr. Gabriel Francisco da Silva,

Dr. João Bosco de Arquino Silva, também membros desta banca examinadora, pela

atenção e preciosa contribuição.

Ao coordenador e vice-coordenador da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica,

Dr. Rodinei Medeiros Gomes e Dr. Romberg Rodrigues Gondim pelo apoio e compreensão

na realização deste trabalho.

Aos técnicos em mecânica do Laboratório de Energia Solar (LES), Cláudio

Viscente dos Santos, Ernandes Alves, João de Deus Nunes Júnior, Sérgio Pessoa de Lima

Marques.

Aos técnicos em eletrônica (LES), Luiz Francisco da Cruz e Diógenes Montenegro

Gomes de Brito Silva, pelo auxílio nas confecções de circuitos elétricos, montagem e

experimentação.

Aos colegas de pós-graduação, Wesley Almeida, Leonaldo Lira, Frank Wesley,

Abel Lima, Douglas Riffel, Gerson, Alexandre pela amizade e contribuição dada neste

trabalho.

Às secretárias do PPGEM, Mônica e Andréia, pela atenção e disponibilidade no

realizar de suas atividades.

A secretária da RECOGÁS/LES, Srª Iolanda Fonseca pela dedicação e amizade.

Às pessoas que fazem parte dos serviços gerais, Antônio e Lúcia pela ajuda

necessária e indispensável nas atividades.

Às recepcionistas, Célia e Eliana pela disponibilidade e atenção no desempenhar de

suas atividades.

Ao CNPq pela bolsa de estudos recebida deste órgão.

Enfim, a todos que contribuíram, direta ou indiretamente, para a realização deste

trabalho.



ABSORÇÃO COM PAR ÁGUA – BROMETO DE LÍTIO

RESUMO

Neste trabalho apresenta-se o estudo teórico e experimental de um sistema de

controle para um gerador de vapor. Este sistema foi desenvolvido para controlar a

cristalização de um sistema de refrigeração por absorção. O sistema de controle mantém a

pressão do gerador acima da zona de cristalização do diagrama temperatura-pressão-

concentração de solução saturadas do LiBr-água. O controle é realizado por meio do uso

simultâneo do relé e o conversor de freqüência. O conversor de freqüência atua na

velocidade do motor de acionamento da bomba da torre de resfriamento do condensador,

enquanto o relé opera no queimador do gerador, consecutivamente na potência térmica de

combustão. O sistema de controle pode atuar em quaisquer valores de referência de pressão

acima da zona de cristalização do sistema de refrigeração por absorção. No controle da

vazão foram utilizados técnicas de controle e modelagem Fuzzy e para controlar a potência

térmica combustão, o controle on-off. Foram realizados dez experimentos diferentes, que

comprovam a eficiência do sistema de controle.

Palavras-chave – Refrigeração por Absorção, Controle Fuzzy, Cristalização, Gás natural,

Conversor de Freqüência.

APPICATION OF FUZZY LOGIC IN CONTROL THE

CRYSTALLIZATION OF AN ABSORPTION REFRIGERATION

SYSTEM WITH PAIR WATER – LITHIUM BROMIDE

ABSTRACT

This work presents theoretical and experimental study of a system of control

for a steam generator. This system was developed to control the crystallization of a cooling

system for absorption. The control system maintains the pressure generator above the zone

of crystallization of diagram temperature pressure-saturated solution concentration of

LiBr-water. The control is accomplished through simultaneous use of the relay and the

frequency converter. The frequency converter acts in engine speed of pump firing of

condenser cooling tower, while the relay operates directly into the burner of the generator,

consecutively in thermal power of combustion. The control system can act in any pressure

reference values above the zone of crystallization of absorption cooling system. In the

control flow control techniques were used and fuzzy Modeling and control power thermal

combustion, on-off control. Ten different experiments were conducted, which proved the

efficiency of the system of control.

Keywords – Cooling by Absorption, Fuzzy Control, Crystallization, Natural Gas,

Frequency Converter.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 1

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................

5

2.1 Histórico do Sistema de Refrigeração por Absorção ..............................................

5

2.2 Sistemas de Refrigeração por Absorção.................................................................. 7

2.3 Comparações entre as Tecnologias, Amônia e Água-Brometo de Lítio.................. 13

2.4 Processo de Absorção ............................................................................................. 16

2.5 Diagrama Entalpia x Concentração para o Refrigeração por Absorção.................. 18

2.6 Cristalização ............................................................................................................ 21

2.7 Entalpia de Solução de Água-LiBr ......................................................................... 25

2.8 Controle de Capacidade em um Processo de Absorção .......................................... 26

2.9 Sistema de Controle ................................................................................................ 29

2.9.1 Controle Liga/Desliga ............................................................................................. 31

2.9 Controle Fuzzy ........................................................................................................ 32

2.9.1 Fuzzificação ............................................................................................................ 34

2.9.2 Regras ..................................................................................................................... 35

2.9.3 Inferência Fuzzy ..................................................................................................... 36

2.9.4 Defuzzificação ........................................................................................................ 37

3 ANÁLISE ENERGÉTICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE SIMPLES EFEITO .................................................................

38

3.1 Aplicação das Leis de Conservação em cada Componentes do Ciclo de Refrigeração ............................................................................................................

38

3.1.1 Gerador ................................................................................................................... 42

3.1.2 Absorvedor .............................................................................................................. 43

3.1.3 Condensador ........................................................................................................... 44

3.1.4 Evaporador .............................................................................................................. 45

3.1.5 Trocador de Calor da Solução ................................................................................. 46

3.1.6 Sistema .................................................................................................................... 47

4 MATERIAS E MÉTODOS .................................................................................. 51

4.1 Introdução .............................................................................................................. 51

4.2 Unidade de um Sistema de Refrigeração por Absorção de Simples Efeito .... 51

4.2.1 Gerador ................................................................................................................... 53

4.2.2 Condensador ........................................................................................................... 54

4.2.3 Absorvedor .............................................................................................................. 54

4.2.4 Evaporador .............................................................................................................. 54

4.2.5 Trocador de Calor ................................................................................................... 55

4.2.6 Tubo em U ............................................................................................................. 56

4.2.7 Torres de Resfriamento ........................................................................................... 57

4.2.8 Túnel de Combustão ............................................................................................... 59

4.2.8.1 Queimador .............................................................................................................. 59

4.2.8.2 Gás Natural ............................................................................................................. 60

4.3 Sistema Experimental ............................................................................................. 61

4.4 Instrumentação do Sistema de Refrigeração por Absorção .................................... 66

4.4.1.1 Calibração dos Sensores de Temperatura ............................................................... 67

4.4.1.2 Calibração dos Transdutores de Pressão ................................................................. 68

4.5 Sistema de Controle ................................................................................................ 69

4.5.1 Modelagem do Controlador Fuzzy ......................................................................... 73

4.5.1.1 Entradas do Controlador (Temperatura e Pressão de Condensação) ...................... 75

4.5.1.2 Saída do Controlador (Vazão) ................................................................................ 76

4.5.1.3 Funções de Pertinência do Sistema de Controle ..................................................... 76

4.5.1.3.1 Variável Linguística Temperatura do Condensador ............................................... 76

4.5.1.3.2 Variável Linguística da Pressão do Gerador .......................................................... 78

4.5.1.3.3 Variável Linguística da Vazão ................................................................................ 79

4.5.1.4 Sistema de Inferência Fuzzy ................................................................................... 81

4.5.1.5 Características do Controlador Fuzzy ..................................................................... 83

4.5.2 Controle On-Off .................................................................................................... 84

5 RESULTADOS E DISCURSSÕES ..................................................................... 85

5.1 Introdução ............................................................................................................... 85

5.2 Resultados ............................................................................................................... 85

6 CONCLUSÕES E RECOMENTAÇÕES ........................................................... 89

6.1 Conclusões .............................................................................................................. 89

6.2 Recomendações ...................................................................................................... 90

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 91

APÊNDICE A ........................................................................................................ 95

CURVAS DE CALIBRAÇÃO DOS SENSORES DE TEMPERATURA PT-100 95

APÊNDICE B ....................................................................................................... 100

CURVAS DE CALIBRAÇÃO DOS TRANSDUTORES DE PRESSÃO ............ 100

APÊNDICE C......................................................................................................... 103

CURVAS DOS EXPERIMENTOS DO SISTEMA DE REFRIGERAÇAO POR ABSORÇÃO ...........................................................................................................

103

APÊNDICE D ....................................................................................................... 159

CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DO BROMETO DE LÍTIO ........................ 159

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Semelhança entre os ciclos de refrigeração por compressão e absorção.. 7

Figura 2.2 Sistema de refrigeração por absorção........................................................ 9

Figura 2.3 Diagrama de simples efeito, ciclo de água gelada e brometo de lítio, para a produção de gelo, ..........................................................................

10

Figura 2.4 Diagrama de duplo efeito, ciclo de água gelada e brometo de lítio, para a produção de gelo ....................................................................................

11

Figura 2.5 Diagrama de um sistema de refrigeração por absorção, utilizando Amônia e água ..........................................................................................

12

Figura 2.6 Temperatura de cristalização da solução de água-brometo de lítio versus concentração em massa da solução da solução de brometo de lítio ...........................................................................................................

14

Figura 2.7 Processo de absorção ................................................................................ 16

Figura 2.8 Transferência de calor de acordo com a Figura 2.7.................................. 17

Figura 2.9 Troca de calor em um refrigerador por absorção de simples efeito, no Diagrama hx .............................................................................................

19

Figura 2.10 Processo de equilíbrio do vapor d’água.................................................... 22

Figura 2.11 Diagrama de temperatura-pressão-concentração H2O-LiBr (STOECKER, 1985) .................................................................................

23

Figura 2.12 Entalpia de solução de H2O-LiBr ............................................................. 26

Figura 2.13 Redução da capacidade de refrigeração pelo aumento da temperatura de condensação e redução da concentração de Lir que deixa o Gerador ......

29

Figura 2.14 Representação de um sistema de controle em malha aberta .................... 30

Figura 2.15 Representação de um sistema de controle em malha fechada................... 30

Figura 2.16 Controle on-off ......................................................................................... 31

Figura 2.17 Arquitetura geral de um controlador fuzzy .............................................. 33

Figura 2.18 Funções de pertinência da variável lingüística temperatura ..................... 34

Figura 3.1 Esquema da unidade de refrigeração por absorção de simples efeito ...... 40

Figura 4.1.a Sistema de refrigeração por absorção de simples efeito .......................... 52

Figura 4.1.b Sistema de refrigeração por absorção de simples efeito .......................... 53

Figura 4.2 Trocador de calor no sistema de refrigeração por absorção de simples efeito .........................................................................................................

56

Figura 4.3 Tubo em “U” no sistema de refrigeração por absorção ............................ 57

Figura 4.4 Torre de resfriamento do absorvedor ....................................................... 58

Figura 4.5 Torre de resfriamento do condensador ..................................................... 58

Figura 4.6 Tonel de combustão ................................................................................. 59

Figura 4.7 Queimador ................................................................................................ 60

Figura 4.8 Conjunto motor-bomba ............................................................................ 62

Figura 4.9 Conversor de frequência ........................................................................... 62

Figura .4.10 Relé de estado sólido................................................................................. 63

Figura 4.11 Sensor de temperatura Pt-100 .................................................................. 64

Figura 4.12 Circuito condicionamento do sinal analógico com sensor Pt-100 ........... 64

Figura 4.13 Transdutores de pressão ........................................................................... 65

Figura 4.14 Medidor de vazão ultra-sônico ................................................................. 65

Figura 4.15 Módulo de aquisição de dados ................................................................. 66

Figura 4.16 Banho termostático de circulação, modelo Thermo Haake C-10 ............. 67

Figura 4.17 Imagem do sistema de controle ................................................................ 70

Figura 4.18 Entradas do sistema supervisório ............................................................. 71

Figura 4.19 Código fonte do sistema de controle ........................................................ 72

Figura 4.20 Diagrama esquemático do controle do SRA ........................................... 73

Figura 4.21 Variável lingüística de entrada e saída do sistema de controle Fuzzy na modelagem ..............................................................................................

75

Figura 4.22 Funções de pertinência variável lingüística Temperatura de Condensação ............................................................................................

77

Figura 4.23 Funções de pertinência variável lingüística Pressão de Condensação .... 78

Figura 4.24 Funções de pertinência variável lingüística de vazão .............................. 80

Figura 4.25 Controle on-off ......................................................................................... 84

Figura 5.1 Pressões do gerador de vapor ................................................................... 87

Figura A.1 Sensor de temperatura PT-0...................................................................... 95






Figura B.1 Transdutor de pressão TP-1 ...................................................................... 100

Figura B.2 Transdutor de pressão TP-2 ...................................................................... 101

Figura C.1.1 Pressão do gerador ................................................................................... 104

Figura C.1.2 Pressão do absorvedor .............................................................................. 104

Figura C.1.3 Temperatura do gerador ........................................................................... 105

Figura C.1.4 Temperatura do condensador ................................................................... 105

Figura C.1.5 Temperatura do absorvedor ...................................................................... 106

Figura C.1.6 Temperatura do trocador de calor ponto 3 ............................................... 106


Figura C.1.8 Vazão da torre de resfriamento condensador ........................................... 107

Figura C.1.9 Concentração da solução gerador ............................................................. 108

Figura C.1.10 Concentração da solução absorvedor ....................................................... 108
























LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Condições de estado da solução nos diversos pontos do sistema ............. 41

Tabela 3.2 Coeficiente para determinação de orvalho ............................................... 48

Tabela 4.1 Equações lineares dos sensores de temperatura ....................................... 68

Tabela 4.2 Equações lineares dos sensores de pressão ............................................... 69

Tabela 4.3 Característica da variável “Temperatura de Condensação”....................... 77

Tabela 4.4 Característica da variável “Pressão do Gerador” ...................................... 79

Tabela 4.5 Característica das funções de pertinência da vazão .................................. 80

Tabela4.6 Matriz associativa Fuzzy do Controtalador .............................................. 81

Tabela 5.7 Base de Regras para o Controlador Fuzzy ................................................ 81

Tabela 5.8 Características do Controlador Fuzzy ....................................................... 83

Tabela 5.9 Regras de decisão do CH .......................................................................... 84

Tabela A.1 Valores médio de tensão na faixa de temperatura equivalente ................. 98

Tabela B.1 Valores médio de tensão na faixa de pressão do gerador equivalente ...... 101

Tabela B.2 Valores médio de tensão na faixa de pressão do absorvedor equivalente 102

Tabela D.1 Propriedades do fluido de trabalho ........................................................... 159

LISTA DE SÍMBOLOS

A Coeficiente calculado em função da concentração

B Coeficiente calculado em função da concentração

C-O-A Centro da Área

C-O-M Centro de Máximo

cp Calor especifico

cps Calor específico na condição de saturação

COP Coeficiente de desempenho do sistema

COPideal Coeficiente de desempenho ideal do sistema

D Coeficiente calculado em função da concentração

DT Diferença de temperatura no trocador de calor intermediário

dm Diferencial de massa

dt Diferencial de temperatura

E Energia

F Fração de uma mistura (vazão)

f Taxa suprida da solução

hi Entalpia

M Substância em moles, estado de uma mistura no diagrama h x X

. Vazão másica

N Estado de uma mistura no diagrama h x X

n Representa cada ponto do sistema de refrigeração por absorção

P Pressão

Pcond Pressão do condensador

Pger Pressão do gerador

Q Taxa de transferência de calor

QM Queimador

q Taxa de transferência de calor por unidade de peso

SRA Sistema de refrigeração por absorção

T Temperatura

TD Temperatura de orvalho

TP Transdutor de pressão

t tempo

u Energia interna

V Velocidade

v Volume específico

vc Volume de controle

W Trabalho

X Concentração mássica

X0 Concentração do refrigerante

X3 Concentração da solução diluída

X4 Concentração da solução concentrada

Z Altura da solução concentrada

Z0 Altura relativa à superfície da terra

Letras Gregas

Eficiência Energética

global Coeficiente calculado em função da concentração

Umidade absoluta

Subscrito

ab Absorvedor

c Condensador

e Condição de entrada

ev Evaporador

s Sistema

sa. Condição de saída

tc Condensador

_______________________________________________________________________________________

CAPÍTULO II

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Histórico do Sistema de Refrigeração por Absorção

Os sistemas de absorção passaram por muitas oscilações de uso ao longo do

tempo posterior a sua primeira aplicação prática. Foi predecessor do sistema de

compressão de vapor no Século XIX, e os sistemas água-amônia tinham grande aplicação

em refrigeradores domésticos e em grandes instalações industriais, como indústria química

e de processo. O sistema LiBr-água foi comercializado entre os anos 40 e 50 como

resfriadores de água para ar condicionado de grande edifício (VARANI, 2001).

O sistema refrigeração data do século XIX teve seu grande desenvolvimento a

partir do ano de 1845 com os trabalhos da família Carré. Neste ano Edmund Carré projetou

e comercializou uma máquina com um refrigerante binário, composto de água e ácido

sulfúrico, empregado no resfriamento de água de beber (MOREIRA, 2004)

Ferdinand E. Carré, em 1851, irmão de Edmund Carré projetou o primeiro

sistema comercial empregando água e amônia, e de 1859 ate 1960, 14 patentes com o par

água-amônia forma registrados.

A partir de 1880 nos Estados Unidos, Carl Von Linde desenvolveu o sistema

de refrigeração por compressão de vapor, desde então os sistemas de refrigeração por

absorção tornaram-se menos atrativos. Somente em épocas quando o custo de energia

onerava-se significativamente (e. g. no período após a primeira guerra mundial)

provocando a latente necessidade do aproveitamento de resíduos térmicos é que os

Capítulo 1I – Revisão Bibliográfica

6

sistemas de refrigeração por absorção voltaram a ser utilizados em larga escala

(MOREIRA, 2004).

Em 1899 H. Geppert patenteou um sistema de absorção contínuo que não

requeria bomba como os sistemas anteriores. Fez uso de como gás inerte, mas não obteve

sucesso.

Em 1920, o sistema de absorção já era produzido comercialmente e por volta

da década de 30, na Suécia, produziu-se o primeiro refrigerador doméstico da marca

Electrolux. Sua utilização restringiu-se aos anos cinqüenta, quando fora substituído pela

refrigeração por compressão (SILVA, 1994).

Na Suécia por volta de 1930 foi desenvolvido o refrigerador Electrolux de uso

domésticos baseado nas patentes de G. Munters e B. Von Platen. Estes refrigerantes foram

comercializados em muitos países até os anos 50, quando foram preteridos frente ao

avanço tecnológico dos refrigeradores por compressão de vapor (MOREIRA, 2004).

Em 1945, os sistemas de absorção usando a tecnologia Água-Brometo de Lítio

(H2O-LiBr) tiveram seu desenvolvimento pela Carrie, sendo amplamente utilizados em

condicionamento de ar em grandes edifícios (SANTOS, 2005a).

A partir da década de 1970, com as duas crises internacionais de energia

envolvendo o abastecimento de petróleo, a primeira em 1979, surgiu um novo interesse

nesta tecnologia, podendo ser atribuído ao fato dos sistemas de absorção utilizar uma fonte

de energia térmica de baixa temperatura, tornando-se economicamente atrativos em

projetos de cogeração e recuperação de calor rejeitado. Empresas como Trane Company,

Carrier e York nos Estados Unidos associadas a grandes empresas japonesas detém uma

alta tecnologia neste setor (GUIMARÃES, 1993 apud SILVA, 1994).

Em 1966, o primeiro chiller de absorção com brometo de lítio, foi feito em

Shangai. Durante 30 anos, diferentes tipos de chillers resfriadores de água, chillers

aquecedores de água, bombas de calor etc., foram feitos por fabricantes da China. A

produção e instalação de sistemas de brometo de lítio encontram-se na escala como a 2ª no

mundo. A produção anual em 1997 alcançou o valor de 3.500 unidades (VARANI, 2001).


7

2.2 Sistema de Refrigeração por Absorção

O ciclo de absorção é similar em certos aspectos ao ciclo de compressão de

vapor. Ambos operam com condensador, dispositivo de expansão e o evaporador, com

vapor de baixa pressão no evaporador, sendo transformada em vapor de alta pressão e

entregue ao condensador, Figura 2.1.

Figura 2.1 – Semelhança entre os ciclos de refrigeração por compressão e

absorção.

Enquanto o sistema por compressão a vapor utiliza o compressor para esta

tarefa, o sistema de refrigeração por absorção, primeiro absorve vapor de baixa pressão em

um líquido absorvente, incorporando neste processo de absorção a conversão de vapor em

líquido em um processo similar ao de condensação, rejeitando calor durante o processo. O

passo seguinte é elevar a pressão do líquido com auxílio de uma bomba e finalmente

liberar o vapor do líquido absorvente adicionando-se calor (STOECKER, 1985).

Os sistemas de refrigeração por absorção utilizam energia térmica como

alimentação de entrada para obtenção de frio, diferentemente do ciclo de compressão de

vapor que utiliza potência elétrica. Mesmo sabendo que os sistemas de absorção oferecem

coeficientes de desempenho bem menores do que os dos sistemas convencionais (ciclo de


8

compressão de vapor), eles estão se tornando cada vez mais atrativos, considerando alguns

fatores importantes como aproveitamento de uma fonte de calor disponível muitas vezes

desperdiçada (resíduos energéticos).

Os equipamentos de refrigeração por absorção são máquinas de produção de

frio ou valor que operam com um dos princípios mais primitivos da refrigeração. O ciclo

usa um absorvente como um fluído secundário para absorver um fluído primário, sendo

este um refrigerante que é vaporizado. O processo de evaporação absorve calor (por

exemplo, da água), suprindo assim a refrigeração necessária.

Geralmente os equipamentos de absorção de amônia e água são usados em

grandes aplicações industriais, que requerem baixas temperaturas para o processo de

resfriamento: nestes ciclos utiliza-se amônia como refrigerante e água como absorvente.

Outra modalidade menor de equipamento de absorção usa água (refrigerante) e brometo de

lítio (absorvente) para a produção de frio, podendo também gerar água ou ar aquecidos,

proporcionando conforto em aquecimento e outros propósitos domésticos (COSTA, 1982).

Os equipamentos baseados no par H2O-LiBr são caracterizados pelo número de

vezes que a solução é aquecida para produção de vapor, ou seja, o número de efeitos, que

pode ser de simples, duplo e triplo efeito. O sistema de simples efeito usa o calor de

entrada uma única vez. O sistema de duplo efeito utiliza o calor de entrada no primeiro

gerador de vapor, e o vapor gerado a alta pressão é utilizada como fonte térmica para o

segundo efeito, no segundo gerador de vapor. Por fim, o sistema de triplo efeito, utiliza o

calor de entrada no primeiro gerador de vapor, gerando vapor a alta pressão, e esse vapor

gerado é utilizado como fonte térmica para o segundo efeito, no segundo gerador de vapor;

o vapor gerado no segundo gerador serve como fonte térmica para o terceiro efeito, no

gerador de vapor correspondente. Com a tecnologia de múltiplos efeitos obtêm-se COP

mais saltos, mas só pode ser utilizada quando fontes de calor, temperatura mais alta,

estiverem disponíveis (SANTOS, 2005b).

A mais comum dessas máquinas é a de duplo efeito, para produzir água gelada

no verão e água quente no inverno, sendo que algumas podem produzir água fria e água

quente simultaneamente. Nos equipamentos de duplo efeito que empregam o sistema água

e brometo de lítio, os equipamentos são comuns aos de uma unidade de simples efeito e

apresentam a vantagem de maior rendimento no ciclo. Atualmente na Europa, sobretudo

em instalações de ar condicionado é adotada preferencialmente a solução binária

constituída de água e brometo de lítio, que é menos perigosa do que a mistura de água e


9

amônia. No entanto, no Brasil a grande maioria dos sistemas opera com misturas de água e

amônia, (GOUVÊA, 2004).

A capacidade da máquina de absorção é baseada no fluxo de calor disponível e

nas temperaturas de entrada e saída do líquido a ser resfriado ou aquecido (usualmente a

água). De modo geral, um sistema de refrigeração por absorção consiste basicamente em

um evaporador, um absorvedor, um condensador, um gerador, um trocador de calor, uma

pequena bomba e auxiliares, Figura 2.2.

Figura 2.2 - Sistema de refrigeração por absorção

Onde:

qa – Calor de Absorvedor;

qc – Calor do Condensador;

qe – Calor do Evaporador;

qg – Calor do Gerador.

No caso do sistema de água e brometo de lítio, o fluido refrigerante (água)

vaporiza-se no evaporador, como conseqüência da baixa pressão que é mantida, retirando

calor do ar a ser refrigerado. No restante do processo de absorção ocorre a regeneração do

refrigerante para completar o ciclo.

Condensador 40ºC

Gerador 100ºC

Evaporador 10ºC

Absorvedor 30ºC

Trocador de calor

Solução de LiBr

52°C

Vapor de água

Vapor de água

m .

qc qg

qg

qa

Válvula de

Expansão


10

A Figura 2.3 ilustra um sistema de refrigeração por absorção empregando o par

água e brometo de lítio. Deve-se observar que o esquema mostrado é típico de uma

máquina com única fase ou único estágio de evaporação, sendo empregada para

capacidades de 5 a 1500 toneladas de refrigeração.

Figura 2.3 - Diagrama de simples efeito, água e brometo de lítio, para a

produção de água gelada.

No absorvedor, a solução fraca de brometo de lítio proveniente do gerador

absorve o vapor de água proveniente do evaporador para formar a solução forte (brometo

de lítio diluído). A solução diluída é bombeada através do trocador de calor, onde sua

temperatura sofre um ligeiro aumento. Essa solução forte de brometo de lítio é então

encaminhada ao gerador, onde o calor residual (de chaminés ou disponíveis em sistemas de

Trocador De

Calor

Condensador

Gerador de vapor

FONTE TÉRMICA

Saída dos produtos Da combustão

Entrada dos produtos Da combustão

Válvula de Expansão

Sistema de Arrefecimento

Sistema de Arrefecimento Sistema de

Água gelada

Solução diluída Mistura de água e vapor Solução concentrada Água Água gelada

Válvula de

Expansão

Evaporador Absorvedor


11

cogeração como, por exemplo, biogás) é utilizado para desprender o vapor de água da

solução fervente, encaminhando-o para o condensador, onde é convertido em líquido que

flui para o evaporador abaixo, recomeçando novamente o ciclo.

A Figura 2.4 apresenta uma unidade de duplo efeito, onde também se utiliza

brometo de lítio e água.

Figura 2.4 - Diagrama de duplo efeito, água e brometo de lítio, para a produção

de água gelada.

Sistema de Água gelada

Condensador

Gerador de vapor II

FONTE TÉRMICA

Saída dos produtos

Da combustão Entrada dos produtos

Da combustão


Sistema de Arrefeciment

Sistema de Arrefecimento

Solução diluída Vapor de água Solução concentrada na Mistura de água e vapor Gerador I Água Solução concentrada no Gerador de Vapor II Água gelada





Gerador de

Vapor I

Trocador de

Calor

Trocador de

Calor


12

Neste último esquema, denominado dual ou de unidade de duplo efeito,

existem duas fases de geração. A vantagem de dobrar o efeito da unidade é aumentar o

coeficiente de performance.

Na Figura 2.5 é mostrado um esquema típico de sistema de refrigeração por

absorção empregando solução de amônia e água. O vapor de amônia a baixa pressão que

deixa o evaporador, entra no absorvedor onde é absorvido pela solução fraca de amônia,

formando a solução forte. A solução forte é então bombeada através de um trocador de

calor ao gerador, onde é mantida a uma alta pressão e temperatura. Nessas condições, o

vapor de amônia separa-se da solução, em conseqüência da transferência de calor dos gases

da fonte de alta temperatura. O vapor de amônia gerado vai para o condensador, onde é

condensado, dirigindo-se para a válvula de expansão e em seguida para o evaporador onde

se evapora retornado ao absorvedor. A solução fraca de amônia gerada no gerador retorna

ao absorvedor através do trocador de calor, reiniciando o ciclo.

Figura 2.5 - Diagrama de um sistema de refrigeração por absorção, utilizando

amônia e água

Condensador

Gerador


Combustor

Bomba

Vapor de Amônia a Baixa Pressão

Solução Forte

de Amônia

Trocador de calor Dispositivo

de Expansão

Amônia Líquida

Vapor de Amônia a Alta Pressão

Solução Fraca de Amônia


13

2.3 Comparações entre as Tecnologias, Amônia-Água e Água-Brometo de

Lítio

A água é o fluido refrigerante, para sistemas de refrigeração por absorção,

quando aplicada nos absorventes inorgânicos, pois os sistemas que operam com a amônia

realizando o papel de fluido refrigerante apresentam pressão elevada. A água tem o maior

calor latente de evaporação, é atóxico e não explosivo. Sua principal desvantagem como

refrigerante é que, para alcançar uma temperatura de refrigeração, requer operação em

níveis de pressão inferiores a pressão atmosférica.

Como vantagem observa-se que, devido à solubilidade do brometo de lítio em

água, que é quase de 70% em massa, obtém-se uma favorável elevação de temperatura.

Acrescido a esse fator tem-se que as linhas de concentração constante divergem, resultando

a característica da temperatura do ponto de ebulição na parte de alta temperatura do ciclo

ser maior que na parte de baixa temperatura, o que é desejado em sistemas de refrigeração

por absorção. Outra vantagem desta solução reside no fato da água não ser volátil,

conseqüentemente não existirá a mistura de água com brometo de lítio quando o vapor de

água deixar o gerador, dispensando assim a necessidade de um analisador ou retificador no

sistema.

Embora a solução Água – Brometo de Lítio se adapte bem aos sistemas de

refrigeração por absorção, existem algumas desvantagens a serem citadas, tais como:

corrosão, alta viscosidade, solubilidade limitada e limitação prática de temperatura.

Outra problemática na solução Água – Brometo de Lítio é que o Brometo de

Lítio cristaliza a concentrações moderadas. A figura 2.6 demonstra a temperatura de

cristalização de brometo de lítio. Outra desvantagem dessa solução está associada com a

baixa pressão e com a alta viscosidade, que vêm ultimamente sendo superadas pelos

projetos de equipamentos (SANTOS 2005a).


14

Figura 2.6 – Temperatura de cristalização da solução de água brometo de lítio versus

concentração em massa da solução de brometo de lítio.

Desde a invenção dos sistemas de refrigeração por absorção, o par água-

amônia foi extensamente usado com o propósito de esfriar e aquecer. A solução água-

amônia reúne alguns dos mais importantes critérios de seleção para fluido de trabalho em

sistemas de refrigeração por absorção. A água é um apropriado absorvente da amônia,

devido a seu baixo custo, disponibilidade, não toxicidade e grande afinidade com o vapor

de amônia, sendo mutuamente solúveis numa grande faixa de condições operacionais.

Ambas, a amônia (refrigerante) e água (absorvente) são altamente estáveis para uma

extensiva gama de temperatura e pressão operacionais e em geral compatíveis com um

grande número de materiais de construção, devido à alta afinidade. A amônia possui

características termodinâmicas favoráveis como o seu grande desvio negativo da Lei de

Raoult, baixo peso molecular e por tanto um elevado calor latente de vaporização que é

necessário para desempenho do sistema. Pode ser usado em aplicações que exijam baixas

temperaturas. Considerando que a amônia e a água são voláteis, o ciclo exige um

retificador para reter a água que ocasionalmente evapora com a amônia. Este equipamento

é característica básica de sistemas que operam com esta solução, pois tem um retificador,

pode ocorrer alta pressão de operação e alta temperatura no gerador (entre 125 e 170ºC,

não sendo satisfatória para uso com coletores solares – estas temperaturas só podem ser

obtidas com relação à concentração média de coletores parabólicos que aumentam as

Concentração de solução (%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -200

-150

-50

100

0

50

150

200

250

300

T(ºC)


15

exigências de manutenção devido à necessidade de direcionar-se ao sol), toxicidade, e ação

corrosiva para o cobre e suas ligas. Porém, o par H2O/NH3 é um composto natural,

ambientalmente amigável, e de baixo custo (SRIKHIRIN et al., 2001; FLORIDES et al.,

2003; KOYFMAN et al., 2003).

Provavelmente, a maior desvantagem dos sistemas água-amônia se deve ao

fato da água ser volátil, desta forma, o vapor de amônia que deixa o gerador carrega

consigo certa quantidade de vapor de água. Por essa razão, a eficiência dos sistemas de

água-amônia é consideravelmente aperfeiçoada com o uso de um analisador ou retificador,

que tem a função de retirar resquícios de água que se volatiliza com mistura que deixa o

gerador, permitindo assim que a amônia pura adentre o condensador. Este analisador é

basicamente uma coluna de destilação acoplada à porção superior do gerador (SANTOS,

2005a).

De acordo com (KRREN e HOURUZ, 2001 apoud SANTOS 2005a), sistemas

de refrigeração que utilizam solução por Água-Amônia levam desvantagem quando

aplicados a alta temperatura. De fato, o custo de bombeamento é relativamente alto devido

a elevada pressão requerida no absorvedor. Associado a esse fato, a destilação do vapor

aumenta a complexidade da unidade e os custos fixos. Adicionalmente, o manuseio e a

estocagem de amônia pressurizada exigem medidas preventivas e de proteção devido a sua

toxicidade, volatilidade e ao seu caráter inflamável.

A água quando aplicada nos absorventes inorgânicos (como por exemplo, o

brometo de lítio) é o fluido refrigerante mais viável, pois os sistemas que operam com a

amônia realizando o papel de fluido refrigerante apresentam pressão elevada. A água tem o

maior calor latente de evaporação, é atóxico e não explosivo. Sua principal desvantagem

como refrigerante é que, para alcançar uma temperatura de refrigeração viável, requer

operação em nível de pressão inferior a pressão atmosférica (SOUZA, 2007).

O uso do par água-brometo de lítio em sistemas de refrigeração por absorção

começou por volta de 1930. Duas características excelentes da H2O-LiBr são a não-

volatilidade do absorvente, brometo de lítio (a necessidade de um retificador é eliminada) e

o calor de vaporização da água (refrigerante) extremamente alto. Permite a utilização de

fontes de calor de baixas temperaturas, entre 75 e 120 ºC, que podem ser alcançadas com

coletores de planas de alto desempenho, com coletores parabólicos e com coletores de

tubos evacuados que são de custo mais baixo e de mais fácil instalação e operação que os

coletores parabólicos. Outra vantagem desta solução reside no fato da água não ser volátil,


16

conseqüentemente não existirá a mistura de água com brometo de lítio quando o vapor de

água deixar o gerador, dispensando assim a necessidade de um analisador ou retificador no

sistema (FLORIDES et al., 2003). Porém, usando água como refrigerante limita a

aplicação em baixas temperaturas, e o sistema deve ser operado sob condições de vácuo, o

que traz sérios problemas, pois o ar pode entrar no sistema, o que é impróprio para a

operação e manutenção da umidade. Outra desvantagem é que ao usar água como

refrigerante, se requer condensadores esfriados com água para alcançar as temperaturas

correspondentes ao acondicionamento de ar; ademais as temperaturas correspondendo à

refrigeração não podem ser alcançadas regulamente com condensadores esfriados com

água. Isto é devido o fato do brometo de lítio não é suficientemente solúvel em água para

permitir que o absorvedor seja esfriado com ar.

A maioria das máquinas que utilizam solução Brometo de Lítio, devido à

operação em vácuo, tem sérios problemas, pois o ar pode entrar no sistema, o que é

impróprio para a operação e manutenção da unidade.

2.4 Processo de Absorção

A Figura 2.7 apresenta o processo de absorção. O processo ocorre quando a

corrente de vapor D (Kg/h) (P10 X10, h10, t10) é introduzido em um fluxo liquido F6 (Kg/h)

(P6, X6, h6, t6), então o vapor pode ser absorvido pelo líquido se a temperatura líquida for

mantida baixa o suficiente, por resfriamento (BOSNJAKOVIC, 1965 apoud VARANI,

2001).

Figura 2.7 – Processo de absorção.


17

Imediatamente, após a mistura na seção transversal M, o estado da mistura M é

encontrado no diagrama hX, Figura 2.8, na linha que conecta F6 e D. Em todo caso, M fica

na região de saturação, de forma que, mesmo com o equilíbrio local total o vapor inteiro

não pode ser absorvido, mas M (kg/kg) do material permanecer na fase de vapor,

considerando somente (kg/kg) seria absorvido no estado líquido Figura 2.8. Se, deseja-se

absorver todo o vapor a temperatura de T1, à quantidade de calor Qab/F1 pode ser retirado

pelo empregando um trocador de calor com água de resfriamento. A liquefação ocorre

somente se o ponto F1 está abaixo da linha de vaporização. A quantidade de calor Qab/D

(kj/kg) por Kg/s de vapor absorvido pode ser lido no diagrama hX, pela extensão da linha

de F6 até F1 para d na ordenada Xd do vapor.

Assim, é possível a mistura do líquido absorver o vapor que é

consideravelmente mais resfriado que ele próprio. Na Figura 2.8, Td<T1<T6.

Figura 2.8 – Transferência de calor de acordo com a Figura 2.7


18

Esta propriedade da mistura é que torna a operação de uma refrigeração de

absorção sem requerer trabalho. Em contraste, a temperatura de condensação de uma

substância pura deve sempre ser mais baixo do que ou igual à temperatura do vapor.

Pode ser visto no diagrama hX que a uma dada pressão P e a uma dada

temperatura da água fria T13, o limite da habilidade da absorção da solução é dada pelo

estado 1’ à linha líquida. Se esta concentração é ultrapassada uma parte do vapor

permanece em fase de vapor, desde que a quantidade de calor Qab/D que deve ser removida

por kg de vapor absorvido seja menor, tão próximo da linha de saturação quanto possível.

Quanto mais próximo da linha de saturação, tanto menor deve ser a quantidade de líquido

circulando e menor será o consumo da água de resfriamento por kg de vapor absorvido.

Para o caso em que resfriamento adicional é omitido, Qab = 0, e o líquido F6

pode absorver a menor quantidade de vapor. Nesse caso, o processo de mistura é

adiabático. Se, é desejável haver escoamento de líquido puro na saída, então, o valor mais

alto de concentração atingível cai na linha de mistura adiabática no estado N (sobre a linha

de líquido). Isto significa que . Nesse caso, X1<XN tal que, embora não

seja necessária a água de resfriamento, será requerida grande quantidade de refrigerante

circulando. Por causa do pequeno aumento de concentração Permitida (XN – X6), o líquido

pode absorver somente uma pequena quantidade de vapor.

2.5 Diagrama Entalpia x Concentração para o Refrigeração por

Absorção

O diagrama hX Figura 2.9, ((BOSNJAKOVIC, 1965 apoud VARANI, 2001)

da mistura de trabalho é também de grande ajuda na investigação da refrigeração por

absorção.


19

Figura 2.9 – Troca de calor em um refrigerador por absorção de simples efeito,

no Diagrama hX.

As quantidades usualmente especificadas são: temperatura do refrigerante na

saída do gerador T7 (vapor quente), temperatura da água de resfriamento T13 e temperatura

baixa desejada T1 (temperatura salmoura). Primeiro verifica-se as isotermas

correspondentes a essas temperaturas na região de líquido. Para que o vapor no

condensador possa ser liquefeito a temperatura da água de resfriamento T15, estado 8, a

pressão Pcond no gerador e no condensador deve ser escolhida tão alta que a linha P =


20

constante passe sobre o ponto 8. O ponto 8 (X8 = Xd) usualmente passa próximo do eixo da

ordenada direita. A pressão Pevap no evaporador e no absorvedor, escolhida como base nas

seguintes considerações.

A solução rica 3, a qual é liberada a temperatura T1 da bomba, deve ser

aquecida para a pressão Pcond no gerador, para a o estado de vaporização 3’ com a

vaporização para o estudo 4. O estado 7 do vapor gerado (que passa na linha úmida para

pressão 7) depende caminho de como o processo de vaporização no gerador é conduzido

Figura 2.9. Assume-se que o vapor 7 está em equilíbrio com a vaporização da solução rica,

ponto 3’. Os passos subseqüentes não são afetados por esta suposição. No condensador o

vapor é liquefeito, ponto 8, e o resfriamento do condensado resfriado para melhor

temperatura, T8 = t.

Desde que na montante e na jusante da válvula, X8 = X9 e h8 = h9, os dois

estados dos pontos 8 e 9 coincidem, e 9 fica na região de vapor úmido na pressão de

evaporação Pevap. O condensado se separa, então, em uma pequena quantidade de vapor 9df

e mais líquido 9fd. Aqui a temperatura T9 é consideravelmente menor do que T8, isto é, T9

< T8. Esta mistura líquido-vapor alcança o evaporador a uma temperatura baixa t9, onde

evapora com a adição de calor Qev.

A quantidade de calor Qev é usualmente transferida para uma salmoura na

temperatura T1 Tev, através da qual a capacidade de resfriamento desejada é realizada. Em

evaporação a pressão Pevap constante, a temperatura da mistura eleva até certo grau, por

exemplo, para T10, onde T10 T11 deve ser mantida. Então a pressão de evaporação Pevap

deve sob certas circunstâncias ser escolhida um pouco menor do que a pressão de saturação

do refrigerante amônia pura, a mesma temperatura de vaporação Tev.

Em condições de regime permanente o vapor que deixa o evaporador deve ter

a mesma composição com a mistura que está chegando em 9, isto é:

X10 = X9 = X8 = X7 = X

Na Figura, parte do líquido vaporiza a uma baixa pressão Pevap depois do

estrangulamento, tal que o estado 6 consiste da mistura de muito líquido 6fd e pouco vapor

6df.

Se, no absorvedor, vapor 10 e solução 6 são misturados, ainda

adiabaticamente, então de acordo com a regra da mistura resulta o estado M1, que cai na

região de vapor úmido. Na condição de regime permanente XM1 = X1, porque esta é a

composição da mistura bombeada para o gerador. Se, entretanto, deseja-se ter só bomba de


21

líquido sem o compressor de vapor, então M1 deve ser primeiro liquefeito. Para essa

proposição a quantidade de calor que deve ser retirado por kg de vapor é:

kj/kg)

O estado liquido 1 deve ficar sobre ou abaixo da linha de vapor, da pressão de

vapor do absorvedor Pevap. Por esta razão T1 T13, se a água de resfriamento é para efetuar

o resfriamento. A solução 1 deixa a bomba a uma pressão Pcond, estado 3, e assim h3 – h1 é

muito pequeno tal que 3 e 1 caem uma próxima da outra:

As quantidades de calor podem ser lidas imediatamente no diagrama hX.

O fluido em 3 (solução diluída) com resultado da adição de calor no gerador

separa-se em 2 correntes: 7 (vapor) e 4 (solução concentrada). Os pontos dos estados, 3, 4,

e 7 determinam o requerimento de calor. O lugar onde a extensão da linha intercepta a

ordenada Xd leva ao ponto auxiliar H, com a entalpia hH.

Similarmente, o calor de absorvedor Qab é encontrado com o auxílio do ponto

A com a entalpia hA.

Na Figura 2.9, pode-se encontrar o calor do condensador Qc, a capacidade de

refrigeração Qev e o valor equivalente ao trabalho da bomba:

Todas as quantidades de calor têm como referência 1kg de vapor e são

medidas no ordenada Xd. Portanto é desnecessária uma base mais precisa.

2.6 Cristalização

O Brometo de Lítio é um sal formado pelo Lítio do minério de Lítio e do

Brometo obtido a partir da água do mar, possui características semelhantes ao Cloreto de

Sódio (NaCl), tendo, porém maior poder de absorção de água que o NaCl. Tal poder de

absorção está relacionado à sua concentração na solução e à temperatura desta. A solução

aquosa de brometo de lítio é amplamente usada como fluido de trabalho em sistema de

refrigeração por absorção.


22

O Brometo de Lítio é um sal sólido cristalino que na presença de vapor de

água absorve e torna-se uma solução líquida. Se conectarmos dois recipientes, como na

Figura 2.10, um contendo solução de H2O-LiBr e outro com água pura, ocorrerá

transferência de massa (vapor d’água) devido à diferença de concentração. Por

conseqüência o vapor d’água do vaso da esquerda será absorvido pela solução de H2O -

LiBr do vaso da direita. Isso causará o efeito de refrigeração no vaso da esquerda. Devido à

queda de pressão as concentrações dos fluidos se tornariam iguais no equilíbrio, quando a

solução de H2O -LiBr não pode mais continuar com o processo de absorção devido à sua

saturação. Para que o processo seja contínuo adiciona-se calor no vaso da direita com o

propósito de separar o refrigerante. Esse processo, portanto é reversível.

Figura 2.10 – Pressão de equilíbrio do vapor d’água

A figura 2.11 é um diagrama em que estão representados temperatura-pressão-

concentração para soluções de H2O-LiBr, a concentração é a abscissa do gráfico e a

pressão de vapor de água é considerada a ordenada. A carta é aplicada em condições de

saturação onde a solução está em equilíbrio com o vapor de água.

Vapor de água

Água pura Solução de LiBr-água

Vapor de água


23

Figura 2.11 – Diagrama de temperatura-pressão-concentração H2O-LiBr (Stoecker, 1985)

Em soluções salinas, tais como a solução aquosa de Brometo de Lítio (LiBr),

e água, a ocorrência de precipitado quando a concentração dessa solução excede o limite

de solubilidade. O limite de solubilidade é fortemente afetado pela concentração e


24

temperatura, enquanto é fracamente influenciado pela pressão. Além disso, a cristalização

é um processo sensível a local de nucleação local, ocorrendo conseqüentemente, o aumento

do tamanho dos próprios cristais. Pela natureza dos sais, como o LiBr, sabe-se que estes

precipitam na solução quando tem excedido o seu limite de solubilidade. O limite de

solubilidade do sal LiBr é fortemente ligado à sua fração mássica na solução bem como à

temperatura.

A formação de cristais de LiBr é muito sensível à presença de pontos de

nucleação, ou seja, ela acontece mais rapidamente onde já existem efetivamente cristais de

sal. Se não existem pontos de nucleação, a supersaturação ocorrerá no ponto à

concentração estiver mais do limite de solubilidade (HEROLD et al, 1996).

Quando o fluxo pára, a tubulação perde calor para o ambiente e os cristais

hidratados formados na tubulação tornam-se cada vez mais sólidos. Observando o

escoamento da solução antes da interrupção em virtude da cristalização, percebem-se

sólidos flutuantes. Caso não seja utilizado filtro no sistema, a observação desses sólidos

será o motivo do desligamento iminente da máquina.

Quando o fluxo de solução pára durante a operação da máquina de absorção,

isso tende a acontecer na saída do trocador de calor da solução. Esse ponto é o mais crítico

do sistema quando se trata de cristalização, porque na saída do dispositivo, antecedente ao

absorvedor nos dois sistemas (duplo e simples efeito), a temperatura é relativamente baixa

e a concentração da solução é elevada. Além disso, há uma diminuição de concentração

devido à formação de vapor por causa do processo de estrangulamento. Como o vapor

formado nessa situação é somente vapor d’água, a solução torna-se mais concentrada.

Um método que pode ser usado para evitar o fenômeno de cristalização é

assegurar uma fonte de calor de temperatura suficientemente baixa para resfriar o

absorvedor. Analisando as propriedades da solução observa-se que baixas temperaturas no

absorvedor requerem baixas concentrações de solução e conseqüentemente, menor será a

possibilidade de formação de precipitado. Em climas com temperatura ambiente alta, é

mais difícil conseguir manter baixa a concentração da solução no absorvedor, pois a

temperatura mínima que pode ser obtida é limitada pela temperatura ambiente.

Um acúmulo demasiado de água no evaporador devido ao aumento de pressão

provocado, por exemplo, por gases não condensáveis, aumentará a concentração da

solução no absorvedor.


25

Quando ocorre cristalização obstruindo a tubulação do sistema, a atitude a ser

tomada é de alguma forma, aquecer a parte onde ocorreu essa precipitação, permitindo que

a bomba possa fazer circular a solução, visto que o produto formado é bastante viscoso.

Quando esse fenômeno ocorre no absorvedor, implica que o nível de água no evaporador

está mais alto do que deveria. Portanto, é necessário drenar parte dessa água para diluir a

solução que se tornou concentrada no absorvedor.

Os fabricantes de sistemas de refrigeração por absorção geralmente incluem

controles sensíveis à possibilidade de cristalização, que tomam ações no sentido de se

reduzir estas condições, seja pelo controle de temperatura de entrada da água de

condensação no absorvedor, por redução da entrada de calor no gerador ou desviando parte

da água líquida do evaporador para o absorvedor, diluindo a solução ali presente. Existem

alguns pontos críticos relacionados à cristalização em um sistema de absorção, pode-se

citar a tubulação que leva solução concentrada do gerador com mais sujeita a tal

acontecimento, devido à alta concentração da solução de água-LiBr que por ali fui

(CARVALHO, 2007).

2.7 Entalpia de Solução de Água-LiBr

Para que se passam realizar os cálculos térmicos sobre um ciclo absorção,

dados sobre entalpia da solução de trabalho nos pontos mais importantes do ciclo deverão

estar disponíveis. Água na forma de líquido ou vapor fluí do condensador e evaporador, as

entalpias nestes pontos podem ser obtidas de uma tabela de propriedades da água. A

solução H2O-LiBr está presente no gerador e absorvedor e a sua entalpia é função a

temperatura e concentração da solução. Na Figura 2.12 apresenta dados de entalpia para

soluções de H2O-LiBr.


26

Figura 2.12 – Entalpia de soluções de H2O-LiBr

2.8 Controle de Capacidade em um Processo de Absorção

A necessidade do controle de capacidade ocorre quando há alguma variação

na carga térmica, o que reflete em variação da demanda por refrigeração no evaporador.

Sem nenhum controle de capacidade a temperatura do fluido que deixa o evaporador tende

a decrescer seguida pela queda da pressão no evaporador da unidade de absorção. A


27

pressão se reduziria a um ponto onde o fluido refrigerante poderia congelar.

(CARVALHO, 2007).

De acordo com STOECKER, (1985), o sistema em que a cristalização tem

maior chance de ocorrer é onde a solução do gerador deixa o trocador de calor, e uma

condição de operação condizente à cristalização é de baixas pressões de condensação. As

unidades de absorção de LiBr-água comerciais possuem controles que evitam a

cristalização, uma das maneiras usuais é manter a pressão de condensação artificialmente

alta, mesmo quando a água de resfriamento de baixa temperatura é disponível para o

condensador.

Segundo STOECKER, (1985), o verdadeiro significado de controle de

capacidade é “redução de capacidade”, já que a operação sem controle de capacidade

produz a máxima capacidade de refrigeração. A necessidade do controle de capacidade

ocorre quando a carga de refrigeração sofre uma queda, o que reflete em uma redução na

temperatura de água gelada de retorno a unidade de absorção (admitindo uma vazão

constante de escoamento de água gelada). Sem nenhum controle de capacidade a

temperatura da água gelada que deixa o evaporador decresceria como ocorreria com a

pressão no lado de baixa pressão da unidade de absorção. A pressão do lado de baixa se

reduziria ao ponto onde a água refrigerante se congelaria.

A maioria dos sistemas de controle nas unidades de absorção tenta regular uma

temperatura constante da água gelada que deixa o evaporador. Para cargas menores do que

a plena carga de refrigeração, a capacidade de refrigeração da unidade de absorção precisa,

portanto, ser reduzida. Muitos métodos são disponíveis para se conseguir esta redução, mas

o efeito líquido de todos eles é o de reduzir a vazão da água refrigerante são:

1. Reduzindo a vazão entregue pela bomba de solução – a adoção causará

redução da vazão de solução, portanto, este deverá ser acompanhado da

redução da taxa de transferência de calor ao gerador, pois, sem isto, poderá

se ultrapassar o limite de cristalização da solução, o que originará o

fenômeno da cristalização;

2. Reduzindo a temperatura do gerador – este método pode ser executado

através da redução da taxa de transferência de calor ao gerador, o que é

obtido, reduzindo-se a vazão de vapor, água quente, gases residual ou a

queima de combustível, dependendo da forma de fornecimento de calor ao


28

gerador. Com a diminuição da taxa de transferência de calor ao gerador,

haverá menor desprendimento de vapor d’água da solução o implicará em

menor vazão de refrigerante;

3. Aumentando a temperatura de condenso-se água de resfriamento suprida

ao condensador, o que por sua vez pode ser conseguido desviando-se uma

fração de água em torno da torre de resfriamento. Com a aplicação deste

método, se reduzirá a condensação de vapor no condensador, reduzindo-se

assim a vazão de refrigerante.

Um método adicional para reduzir a capacidade de refrigeração de uma

unidade de absorção é o de aumentar a temperatura de condensação; isto pode ser feito

convenientemente aumentando-se a temperatura da água de resfriamento suprida ao

condensador, o que por sua vez pode ser conseguido desviando-se uma fração de água em

torno da torre de resfriamento. O efeito, sobre a eficiência do ciclo, do aumento da

temperatura de condensação é o mesmo que o da redução na temperatura do gerador, ou

seja, redução da concentração de LiBr da solução que retorna do gerador para o absorvedor

como mostra no diagrama esquemático p-x-t na Figura 2.13. Se o ponto A é a condição de

operação original, um aumento na temperatura e pressão de condensação move a condição

da solução ao longo de uma linha de temperatura constante do gerador para o ponto B, e

assim a concentração de LIBr cai. Para uma dada vazão de solução movimentada pela

bomba, a vazão de refrigerante circulando para o condensador e evaporador decresce

(STOECKER, 1985).


29

Figura 2.13 – Redução da capacidade de refrigeração pelo aumento da temperatura de

condensação e redução da concentração de LiBr que deixa o gerador.

2.9 Sistema de Controle

Um controlador automático compara o valor de saída da planta com a entrada

de referência (valor desejado), determina o desvio e produz um sinal de controle que vai

reduzir o a zero ou a um valor pequeno. A maneira pela qual o controlador automático

produz o sinal de controle é chamada de ação de controle (OGATA, 2003).

Um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas)

reunidos com o propósito de controlar as saídas dos processos. Por exemplo, uma caldeira

produz como resultado do fluxo de combustível. Neste processo, subsistemas chamados

válvulas de combustível e atuadores de válvulas de combustível são usados para regular a

temperatura de uma sala controlando a saída de calor da caldeira. Outros subsistemas,

como os termostatos, que se comportam como sensores, medem a temperatura da sala. Na

sua forma mais simples, um sistema de controle fornece uma saída ou resposta para uma

dada entrada ou estímulo (NISE, 2000).

Existem duas formas básicas de sistemas de controle: sistemas em malha

aberta e sistemas em malha fechada. Para um sistema em malha aberta, Figura 2.4, entrada


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é escolhida com base na experiência, de tal forma que o sistema dê o valor de saída

desejado. Essa saída, entretanto, não é modificada de forma a seguir as alterações nas

condições de operação. Assim, por exemplo, um ar-condicionado, deve ter uma chave

seletora que permita a seleção do elemento de aquecimento de 1KW ou 2KW. A entrada

do sistema é um sinal determinado pela chave seletora. A temperatura obtida na sala

aquecida é determinada pela seleção da potência do aquecedor (BOLTON, W., 1995) .

Figura 2.14 – Representação de um sistema de controle em malha aberta.

No sistema de malha fechada, conhecidos também como sistemas

retroalimentados, determinam a ação corretiva com base em variáveis medidas, Figura 2.5.

Para tanto, são utilizados controladores que, por meio da execução algorítmica de um

programa ou circuito eletrônico, comparam o valor atual com o valor de referência,

efetuando o cálculo para ajuste e correção. Nos sistemas de malha fechada, a ação de

controle depende de alguma maneira, da variável controlada. Como exemplo, pode-se citar

o controle da pressão através do conjunto motor-bomba: o sistema de controle do

conversor de freqüência verifica o valor da pressão e decide se aumenta ou diminui a

freqüência de acionamento do motor (BEZERRA, 2009).

Figura 2.15 – Representação de um sistema de controle em malha fechada.

G1 (s)

Controlador

G2 (s)

Planta

R(s) U(s) C(s)

referência saída

saída Lógica do controlador

Atuador Planta

Sensores

+ _

erro referência sinal

universidade federal da paraíba centro de tecnologia ... · pressão do gerador acima da zona de...

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