ANÁLISE ENERGÉTICA DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO UTILIZANDO A MISTURA AMÔNIA-ÁGUA.

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1 ANÁLISE ENERGÉTICA DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO UTILIZANDO A MISTURA AMÔNIA-ÁGUA. Luís Felipe Ribeiro Romano [Voluntário], Rubens Gallo [orientador], Rafael Santiago de Campos [Colaborador] Campus Cornélio Procópio Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Av. Alberto Carazzai, 1640 Cornélio Procópio PR luis.felipe.ribeiro.romano@gmail.com, rubensgallo@utfpr.edu.br, rafael.santiago.de.campos@gmail.com Resumo Visando uma análise energética de um ciclo de refrigeração por absorção, com a mistura amônia-água como fluido de serviço, foi efetuada uma simulação em MATLAB para determinar as propriedades termodinâmicas de cada estado do sistema a partir de algumas condições de contorno específicas para o funcionamento de um ciclo de refrigeração ideal. Palavras-chave: Refrigeração por absorção; Amônia e água; Análise energética; Matlab Abstract - Aiming an energetic analysis of an absorption refrigeration cycle, with the ammonia-water mixture as service fluid, a simulation was performed in MATLAB in order to determine the thermodynamic properties of each system state from certain specific boundary conditions for the operation of an ideal refrigeration cycle. Keywords: Absorption refrigeration; Ammonia and water; Energetic analysis; Matlab. INTRODUÇÃO Os sistemas de refrigeração por absorção são um dos mais antigos métodos de refrigeração. Esses sistemas utilizam pares de fluidos na sua operação, geralmente amôniaágua ou água-brometo de lítio, um como refrigerante e outro como absorvente [1]. Entretanto com a introdução do sistema de compressão de vapor, o ciclo de absorção caiu em desuso. O sistema de refrigeração por absorção é um sistema em que o custo de operação é mais baixo que um sistema de refrigeração por compressão de vapor [2]. Hoje, com a alta demanda de mercado para sistemas de climatização, tornou-se necessário retomar o estudo e a viabilização dos ciclos de refrigeração por absorção. Existem duas principais diferenças entre os sistemas. Uma deles é a natureza do processo de compressão: em vez de se comprimir o vapor entre o evaporador e o condensador, o refrigerante de um sistema de absorção é absorvido por uma substância secundária, chamada de absorvente, de modo a formar uma solução liquida [3]. Este modelo faz uso do par amônia e água (NH 3 -H 2 O), embora também possa ser utilizado o par água e brometo de lítio (H 2 O -LiBr), no qual os primeiros componentes da cada par são os refrigerantes de seus respectivos ciclos. Após a escolha do sistema, foi desenvolvido um modelo computacional ideal para análise energética.

2 CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO O ciclo de refrigeração por absorção opera a partir do mesmo princípio físico que o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, o aumento de energia em um fluido a partir de sua evaporação. Figura 1. Ciclo de refrigeração por absorção de amônia-água de simples efeito [1]. Na figura 1 podemos observar os principais componentes do ciclo de absorção e algumas das condições de contorno, que serão descritas posteriormente. Balanço de massa e energia. Utilizando equações de balanço de massa, e balanço de energia, foi feita a análise termodinâmica do refrigerador. Gerador. O componente fundamental para funcionamento do ciclo de absorção. É nele que a mistura amônia-água recebe o calor necessário para quebrar as ligações e se separar, enviando amônia pura (em um ciclo ideal) para o ponto 5 e solução fraca de amônia-água para o ponto 6. Absorvedor. Componente onde ocorre a mistura dos fluidos dos pontos 2 e 7, a amônia pura entra em contato com a solução fraca proveniente do gerador. Condensador. O vapor de água superaquecido, vindo do gerador é condensado ao estado de líquido saturado (x=0) e uma temperatura fixada como dado de entrada. Evaporador. Componente do sistema onde ocorre a troca de calor entre o meio a ser refrigerado e o fluido refrigerante. Válvulas de expansão. Equipamento necessário para a queda de pressão, devido a expansão do fluido. As válvulas de expansão são consideradas adiabáticas. A queda de temperatura na

3 válvula de expansão ocorre por causa da maior energia interna do vapor em relação ao líquido [4]. Bomba. Responsável pela movimentação do fluído, entre o absorvedor e gerador, e aumento de pressão do sistema. Propriedades da mistura amônia-água. Para a análise energética de um sistema de refrigeração por absorção, é necessário um método matemático simples e eficiente para a determinação dos valores de propriedades termofísicas do fluido de trabalho (mistura) [5]. Para determinação das propriedades do fluido de trabalho foram utilizadas a temperatura T (p,ɛ) (K), descrita pela equação (1), em função da pressão p (MPa) e da concentração ɛ (%) de amônia, e a entalpia h l (kj/kg), descrita pela equação (2), em função da temperatura T (p,ɛ) (K) e concentração ɛ (%), equação (2) [5]. Tabela 1. Constantes para a equação (1). (1) i m i n i a i ,324004E , ,435624E ,218943E ,143526E ,105256E ,719281E ,122362E ,224368E ,201780E ,110834E ,145399E , ,221246E , ,135529E , T 0 =100 K p o =2 MPa (2) onde representa a entalpia da solução no estado de liquido saturado.

4 Tabela 2. Constantes para a equação (2). i m i n i a i ,761080E ,256905E ,247092E ,325952E ,158854E ,619084E ,114314E ,118157E ,284179E ,741609E ,891844E ,161309E ,622106E ,207588E ,687393E ,350716E1 h o =100 kj/kg T 0 =273,16 K A expressão de entalpia é expressa graficamente no diagrama de entalpia-concentração de Merkel-Bosnjakovic [6]. Propriedades da amônia pura. Nos pontos 5, 8, 1 e 2, onde circula apenas amônia pura, fezse uso das tabelas de amônia saturada provenientes de [3] para determinação das suas respectivas propriedades. Condições de contorno. Para a simulação computacional, foram necessárias algumas condições de contorno que simplificassem o ciclo e determinassem seu funcionamento. As condições de contorno foram retiradas de [7]. - A bomba é isentrópica; - refrigerante é água pura; - As válvulas de expansão são adiabáticas; - os estados 3, 6 e 8 são de líquidos saturados; - Não há perda de carga nas tubulações; - o estado 2 é de vapor saturado; - a temperatura no estado 5 é dada pela equação (3). A temperatura T 5 (ºC) é determina pelas temperaturas do condensador (T cond ), do evaporador (T evap ), e também pela temperatura do absorvedor (T abs ), todas expressas em graus Celsius (ºC). (3)

5 RESULTADOS O sistema de refrigeração por absorção de amônia-água foi simulado em MATLAB. Na tabela 3 estão os dados de entrada do programa. Tabela 3. Dados de entrada do programa. Capacidade 1 kw Temperatura do evaporador T ev -10ºC Temperatura do condensador T con 30ºC Temperatura do absorvedor T abs 40ºC Diferença de concentração Δɛ 10% Levando em consideração as condições de contorno e os dados de entrada, foi efetuada a simulação do ciclo e os resultados obtidos de cada estado encontram-se nas tabelas 4 e 5. Tabela 4. Propriedades dos estados do sistema de refrigeração por absorção amôniaágua Estado Temperatura (ºC) Entalpia (kj/kg) Pressão (kpa) X (%) ɛ (concentração de amônia em %) ,45 290, ,6 290, , , , , ,2 1167, , , , ,95 290, , ,1 0 - Tabela 5. Resultados da simulação do sistema de refrigeração por absorção amôniaágua con = 1,1774 kw ev = 1kW b = 0,0088 kw ger = 2,8899 kw abs = 2,7212 kw COP = 0, = 0,9024*10^-3 kg/s 3 = 6,3171*10^-3 kg/s 7 = 5,4147*10^-3 kg/s

6 CONCLUSÕES Para a análise do ciclo de refrigeração por absorção foram gerados os dados a partir de uma simulação em MATLAB baseados nas condições de contorno impostas para o sistema, considerado ideal. Por se tratar de um ciclo que possui um fluido de trabalho diferente do sistema de refrigeração por compressão de vapor, foram necessárias equações de cálculo de estado da mistura amônia-água, (1) e (2). Após a obtenção de todos os estados, verificou-se que a energia necessária para a operação do sistema está dentro de uma faixa que torna viável a sua aplicação com a utilização de fontes alternativas de energia, possuindo um bom aproveitamento energético. REFERÊNCIAS [1] MENNA, M. R. M. Modelagem e Análise de Custo de Sistemas de Refrigeração por Absorção. Universidade Estadual do Oeste do Paraná UNIOESTE. Toledo, [2] MARQUES, A, S. Análise Termoeconômica de um Sistema de Refrigeração Automotivo por Absorção. Universidade Federal da Paraíba - UFPB. João Pessoa, [3] MORAN, J. M.; SHAPIRO, H. N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 4ª ed. LTC, [4] MAGAZONI, F. C. Analise Dinâmica de um Chiller de Absorção de Brometo de Lítio Água em Processo de Água em Processo de Resfriamento de Dorna de Fermentação Alcoólica. Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC. Florianópolis, [5] M. CONDE ENGINEERING. Thermophysical Properties of {NH3 + H2O} Mixtures for the Industrial Design of Absorption Refrigeration Equipment. Zurich, [6] PERRY, R. H.; GREEN, D. W.; MALONEY, J.O. Perry s Chemical Engineering Handbook. 7th ed. New York, [7] ASHRAE Handbook of Fundamentals. American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers. Atlanta, 2009.