APLICAÇÃO DA LÓGICA FUZZY NO CONTROLE DA CRISTALIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO COM PAR ÁGUA BROMETO DE LÍTIO.

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1 Universidade Federal da Paraíba Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - Mestrado - Doutorado - 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

2 JOÃO ERIVANDO SOARES MARQUES APLICAÇÃO DA LÓGICA FUZZY NO CONTROLE DA CRISTALIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR 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

3 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, f. : 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)

4

5 O coração do homem pode fazer planos, mas a resposta certa dos lábios vem do Senhor. (Provérbios 16:1)

6 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.

7 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.

8 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.

9 APLICAÇÃO DA LÓGICA FUZZY NO CONTROLE DA CRISTALIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR 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-pressãoconcentração 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.

10 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.

11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Histórico do Sistema de Refrigeração por Absorção Sistemas de Refrigeração por Absorção Comparações entre as Tecnologias, Amônia e Água-Brometo de Lítio Processo de Absorção Diagrama Entalpia x Concentração para o Refrigeração por Absorção Cristalização Entalpia de Solução de Água-LiBr Controle de Capacidade em um Processo de Absorção Sistema de Controle Controle Liga/Desliga Controle Fuzzy Fuzzificação Regras Inferência Fuzzy Defuzzificação ANÁLISE ENERGÉTICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE SIMPLES EFEITO Aplicação das Leis de Conservação em cada Componentes do Ciclo de Refrigeração Gerador Absorvedor Condensador... 44

12 3.1.4 Evaporador Trocador de Calor da Solução Sistema MATERIAS E MÉTODOS Introdução Unidade de um Sistema de Refrigeração por Absorção de Simples Efeito Gerador Condensador Absorvedor Evaporador Trocador de Calor Tubo em U Torres de Resfriamento Túnel de Combustão Queimador Gás Natural Sistema Experimental Instrumentação do Sistema de Refrigeração por Absorção Calibração dos Sensores de Temperatura Calibração dos Transdutores de Pressão Sistema de Controle Modelagem do Controlador Fuzzy Entradas do Controlador (Temperatura e Pressão de Condensação) Saída do Controlador (Vazão) Funções de Pertinência do Sistema de Controle Variável Linguística Temperatura do Condensador Variável Linguística da Pressão do Gerador Variável Linguística da Vazão Sistema de Inferência Fuzzy Características do Controlador Fuzzy Controle On-Off... 84

13 5 RESULTADOS E DISCURSSÕES Introdução Resultados CONCLUSÕES E RECOMENTAÇÕES Conclusões Recomendações REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE A CURVAS DE CALIBRAÇÃO DOS SENSORES DE TEMPERATURA PT APÊNDICE B CURVAS DE CALIBRAÇÃO DOS TRANSDUTORES DE PRESSÃO APÊNDICE C CURVAS DOS EXPERIMENTOS DO SISTEMA DE REFRIGERAÇAO POR ABSORÇÃO APÊNDICE D CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DO BROMETO DE LÍTIO

14 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, Figura 2.4 Diagrama de duplo efeito, ciclo de água gelada e brometo de lítio, para a produção de gelo Figura 2.5 Diagrama de um sistema de refrigeração por absorção, utilizando Amônia e água 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 Figura 2.7 Processo de absorção Figura 2.8 Transferência de calor de acordo com a Figura Figura 2.9 Troca de calor em um refrigerador por absorção de simples efeito, no Diagrama hx Figura 2.10 Processo de equilíbrio do vapor d água Figura 2.11 Diagrama de temperatura-pressão-concentração H 2 O-LiBr (STOECKER, 1985) Figura 2.12 Entalpia de solução de H 2 O-LiBr Figura 2.13 Redução da capacidade de refrigeração pelo aumento da temperatura de condensação e redução da concentração de Lir que deixa o Gerador Figura 2.14 Representação de um sistema de controle em malha aberta Figura 2.15 Representação de um sistema de controle em malha fechada Figura 2.16 Controle on-off Figura 2.17 Arquitetura geral de um controlador fuzzy Figura 2.18 Funções de pertinência da variável lingüística temperatura Figura 3.1 Esquema da unidade de refrigeração por absorção de simples efeito Figura 4.1.a Sistema de refrigeração por absorção de simples efeito Figura 4.1.b Sistema de refrigeração por absorção de simples efeito Figura 4.2 Trocador de calor no sistema de refrigeração por absorção de simples efeito... 56

15 Figura 4.3 Tubo em U no sistema de refrigeração por absorção Figura 4.4 Torre de resfriamento do absorvedor Figura 4.5 Torre de resfriamento do condensador Figura 4.6 Tonel de combustão Figura 4.7 Queimador Figura 4.8 Conjunto motor-bomba Figura 4.9 Conversor de frequência Figura.4.10 Relé de estado sólido Figura 4.11 Sensor de temperatura Pt Figura 4.12 Circuito condicionamento do sinal analógico com sensor Pt Figura 4.13 Transdutores de pressão Figura 4.14 Medidor de vazão ultra-sônico Figura 4.15 Módulo de aquisição de dados Figura 4.16 Banho termostático de circulação, modelo Thermo Haake C Figura 4.17 Imagem do sistema de controle Figura 4.18 Entradas do sistema supervisório Figura 4.19 Código fonte do sistema de controle Figura 4.20 Diagrama esquemático do controle do SRA Figura 4.21 Variável lingüística de entrada e saída do sistema de controle Fuzzy na modelagem Figura 4.22 Funções de pertinência variável lingüística Temperatura de Condensação Figura 4.23 Funções de pertinência variável lingüística Pressão de Condensação Figura 4.24 Funções de pertinência variável lingüística de vazão Figura 4.25 Controle on-off Figura 5.1 Pressões do gerador de vapor Figura A.1 Sensor de temperatura PT Figura A.2 Sensor de temperatura PT Figura A.3 Sensor de temperatura PT Figura A.4 Sensor de temperatura PT Figura A.5 Sensor de temperatura PT Figura A.6 Sensor de temperatura PT Figura B.1 Transdutor de pressão TP Figura B.2 Transdutor de pressão TP

16 Figura C.1.1 Pressão do gerador Figura C.1.2 Pressão do absorvedor Figura C.1.3 Temperatura do gerador Figura C.1.4 Temperatura do condensador Figura C.1.5 Temperatura do absorvedor Figura C.1.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.1.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.1.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.1.9 Concentração da solução gerador Figura C.1.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.2.1 Pressão do gerador Figura C.2.2 Pressão do absorvedor Figura C.2.3 Temperatura do gerador Figura C.2.4 Temperatura do condensador Figura C.2.5 Temperatura do absorvedor Figura C.2.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.2.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.2.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.2.9 Concentração da solução gerador Figura C.2.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.3.1 Pressão do gerador Figura C.3.2 Pressão do absorvedor Figura C.3.3 Temperatura do gerador Figura C.3.4 Temperatura do condensador Figura C.3.5 Temperatura do absorvedor Figura C.3.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.3.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.3.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.3.9 Concentração da solução gerador Figura C.3.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.4.1 Pressão do gerador Figura C.4.2 Pressão do absorvedor Figura C.4.3 Temperatura do gerador

17 Figura C.4.4 Temperatura do condensador Figura C.4.5 Temperatura do absorvedor Figura C.4.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.4.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.4.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.4.9 Concentração da solução gerador Figura C.4.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.5.1 Pressão do gerador Figura C.5.2 Pressão do absorvedor Figura C.5.3 Temperatura do gerador Figura C.5.4 Temperatura do condensador Figura C.5.5 Temperatura do absorvedor Figura C.5.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.5.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.5.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.5.9 Concentração da solução gerador Figura C.5.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.6.1 Pressão do gerador Figura C.6.2 Pressão do absorvedor Figura C.6.3 Temperatura do gerador Figura C.6.4 Temperatura do condensador Figura C.6.5 Temperatura do absorvedor Figura C.6.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.6.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.6.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.6.9 Concentração da solução gerador Figura C.6.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.7.1 Pressão do gerador Figura C.7.2 Pressão do absorvedor Figura C.7.3 Temperatura do gerador Figura C.7.4 Temperatura do condensador Figura C.7.5 Temperatura do absorvedor Figura C.7.6 Temperatura do trocador de calor ponto

18 Figura C.7.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.7.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.7.9 Concentração da solução gerador Figura C.7.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.8.1 Pressão do gerador Figura C.8.2 Pressão do absorvedor Figura C.8.3 Temperatura do gerador Figura C.8.4 Temperatura do condensador Figura C.8.5 Temperatura do absorvedor Figura C.8.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.8.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.8.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.8.9 Concentração da solução gerador Figura C.8.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.9.1 Pressão do gerador Figura C.9.2 Pressão do absorvedor Figura C.9.3 Temperatura do gerador Figura C.9.4 Temperatura do condensador Figura C.9.5 Temperatura do absorvedor Figura C.9.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.9.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.9.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.9.9 Concentração da solução gerador Figura C.9.10 Concentração da solução absorvedor Figura C.10.1 Pressão do gerador Figura C.1.2 Pressão do absorvedor Figura C.10.3 Temperatura do gerador Figura C.10.4 Temperatura do condensador Figura C.10.5 Temperatura do absorvedor Figura C.10.6 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.10.7 Temperatura do trocador de calor ponto Figura C.10.8 Vazão da torre de resfriamento condensador Figura C.10.9 Concentração da solução gerador

19 Figura C Concentração da solução absorvedor

20 LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 Condições de estado da solução nos diversos pontos do sistema Tabela 3.2 Coeficiente para determinação de orvalho Tabela 4.1 Equações lineares dos sensores de temperatura Tabela 4.2 Equações lineares dos sensores de pressão Tabela 4.3 Característica da variável Temperatura de Condensação Tabela 4.4 Característica da variável Pressão do Gerador Tabela 4.5 Característica das funções de pertinência da vazão Tabela4.6 Matriz associativa Fuzzy do Controtalador Tabela 5.7 Base de Regras para o Controlador Fuzzy Tabela 5.8 Características do Controlador Fuzzy Tabela 5.9 Regras de decisão do CH Tabela A.1 Valores médio de tensão na faixa de temperatura equivalente Tabela B.1 Valores médio de tensão na faixa de pressão do gerador equivalente Tabela B.2 Valores médio de tensão na faixa de pressão do absorvedor equivalente 102 Tabela D.1 Propriedades do fluido de trabalho

21 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 c p c ps COP Calor especifico Calor específico na condição de saturação Coeficiente de desempenho do sistema COP ideal 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 h i 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 P cond P ger Q QM q Pressão do condensador Pressão do gerador Taxa de transferência de calor Queimador Taxa de transferência de calor por unidade de peso

22 SRA T TD TP t u V v vc W X X 0 X 3 X 4 Z Z 0 Sistema de refrigeração por absorção Temperatura Temperatura de orvalho Transdutor de pressão tempo Energia interna Velocidade Volume específico Volume de controle Trabalho Concentração mássica Concentração do refrigerante Concentração da solução diluída Concentração da solução concentrada Altura da solução concentrada Altura relativa à superfície da terra Letras Gregas global Eficiência Energética Coeficiente calculado em função da concentração Umidade absoluta Subscrito ab c e ev s Absorvedor Condensador Condição de entrada Evaporador Sistema

23 sa. tc Condição de saída Condensador

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28 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

29 Capítulo 1I Revisão Bibliográfica 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 (H 2 O-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 unidades (VARANI, 2001). 6

30 Capítulo 1I Revisão Bibliográfica 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. absorção. Figura 2.1 Semelhança entre os ciclos de refrigeração por compressão e 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 7

31 Capítulo 1I Revisão Bibliográfica 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 H 2 O-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 8

32 Capítulo 1I Revisão Bibliográfica 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. Vapor de água 52 C Gerador 100ºC q g q c Condensador 40ºC Trocador de calor Válvula de Expansão Vapor de água Solução de LiBr Absorvedor 30ºC q a Evaporador 10ºC. m Figura Sistema de refrigeração por absorção q g Onde: q a Calor de Absorvedor; q c Calor do Condensador; q e Calor do Evaporador; q g 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. 9

33 Capítulo 1I Revisão Bibliográfica 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. Sistema de Arrefecimento Condensador FONTE TÉRMICA Saída dos produtos Da combustão Entrada dos produtos Da combustão Trocador De Calor Gerador de vapor Válvula de Expansão Válvula de Expansão Sistema de Arrefecimento Absorvedor Evaporador Sistema de Água gelada Solução diluída Mistura de água e vapor Solução concentrada Água Água gelada Figura 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 10

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