9.1 Relação entre o Ciclo de Absorção e o de Compressão de Vapor

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1 9.0 Rfriração por Absorção 9.1 Rlação ntr o Ciclo d Absorção o d Comprssão d Vapor O ciclo d absorção possui o vaporador, o condnsador o dispositivo d xpansão xatamnt como o ciclo d comprssão d vapor. A comprssão, ntrtanto, é substituída por outra forma d lvação d prssão do vapor. Comprssão d Vapor: - Comprssor Condnsador Absorção: - Absorv vapor m líquido nquanto rmov calor - Elva a prssão do líquido através d uma bomba - Libra o vapor por aplicação d calor Evaporador - Ciclo d comprssão > Ciclo oprado a trabalho - Ciclo d absorção > Ciclo oprado a calor

2 9. Coficint d Prformanc abs Capacidad d Rfriração Q Taxa d Adição d Calor no Grador Q abs < comp Isto s dv ao fato da nria na forma d trabalho sr muito mais valiosa. 9. Coficint d Prformanc Idal (Ciclo d Carnot) O Ciclo idal d absorção pod sr considrado composto por duas máquinas: uma máquina d potência uma máquina d rfriração. do Ciclo d Potência d Carnot pot Q W T T T a do Ciclo d Rfriração d Carnot comp Q W T T T a

3 do Ciclo d Absorção abs Q Q comp pot T ( T Ta ) T ( T T ) a Exmplo: Qual é o d um sistma d rfriração idal por absorção oprando com uma font d calor a tmpratura d 100 o C, tmpratura d rfriração d 5 o C uma tmpratura ambint d 0 o C? Solução pot Q W T T T a ,15 5, comp Q W T T T a 5 + 7,15 11,1 0 5 abs Q Q comp pot 11,1 5,,09 Anális da quação do : Aumnta T aumnta o Aumnta T aumnta o Aumnta T a rduz o

4 9.4 Diarama Concntração-Tmpratura-Prssão d Soluçõs d Bromto d Lítio-Áua (LiBr-H O) - O LiBr é um sal sólido cristalino qu a na prsnça do vapor d'áua absorv vapor torna-s uma solução líquida. - A solução líquida xrc uma prssão d vapor d'áua qu é uma função da tmpratura da concntração da solução. - Cada líquido xrc uma prssão d vapor. - No quilíbrio as duas prssõs são iuais. - Muitas outras combinaçõs d tmpratura concntração forncm a prssão d 7,8kPa.

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6 9.5 Cálculo das vazõs m Massa nos Ciclos d Absorção Exmplo: Comput a vazão m massa d rfrirant (áua) através do condnsador do vaporador no ciclo mostrado abaixo s a bomba libra 0,6k/s s prvalcm as suints tmpraturas: rador, 100 o C; condnsador, 40 o C; vaporador, 10 o C absorvdor, 0 o C. Solução A prssão no condnsador rador é fixa pla prssão d condnsação (saturação da áua pura 40 o C) > 7,8kPa A prssão no vaporador absorvdor é fixa pla prssão d vaporação (saturação da áua pura a 10 o C) > 1,kPa

7 Balanço d massa da solução no rador m m + m m1 0,6 Balanço d massa d LiBr no rador m 1x1 mx 0,6.0,50 m 0,664 m x 1 1 m x Rsolvndo m 0,45 k / s m 0,148 k / s 9.6 Entalpia d Soluçõs d LiBr As tablas d vapor podm sr utilizadas para avaliar ntalpia no condnsador vaporador

8 No rador absorvdor são utilizados diaramas ntalpia-tmpraturaconcntração (h-t-c) para a solução d LiBr. Entalpia nula para áua líquida a 0 o C (msma rfrência para áua pura) LiBr a 5 o C.

9 9.7 Anális Térmica d Sistmas d Absorção Simpls Exmplo: Para o sistma d absorção do xmplo antrior comput Q,Q,Q,Q o. a c Dados: m 0,6 1 k / s m 0,45 k / s m m m 0,148k / s 4 5 x 0,5 1 x 0, 664 Solução Entalpias da solução h 1 h(0 o C;0,5) -168 kj/k h h(100 o C;0,664) -5 kj/k Entalpias da áua líquida vapor d áua h h v (100 o C) 676 kj/k h 4 h l (40 o C) 167,5 kj/k h 5 h v (10 o C) 50 kj/k Balanço d Enria no rador + m h + Q 1 1 mh mh Q m h + mh m1h1 Q 0, ,45.( 5) 0,6.( 168) 47, kw Balanço d Enria no Condnsador m + Q kw h m4h4 Q c m m 4 mc c m c ( h h ) 4 0,148( ,5) 71, Balanço d Enria no Absorvdor m h m h m h Q a

10 Q a m h + m h m h 0,45( 5) + 0,148(50) 0,6( 168) 450, kw Balanço d Enria no Evaporador Q + m4h4 m5h5 m 4 m 5 m Q m ( h h ) 5 4 0,148(50 167,5) 48, kw Finalmnt, abs Q Q 48, 476,6 0,76 d Carnot carnot T ( T T ( T a Ta ) (10 + 7,15)(100 0),65 T ) ( ,15)(0 10) Eficiência d Rfriração η R abs carnot 0,76,65 0, Ciclo d Absorção com Trocador d Calor Not qu o ciclo qu no ciclo d absorção a solução qu dixa o absorvdor ncssita sr aqucida d 0 para 100 o C, nquanto qu a solução qu dixa o rador prcisa sr rsfriada d 100 para 0 o C. O maior custo d opração stá associado à adição d calor no rador indirtamnt havrá um custo para rjitar calor no absorvdor. A introdução d trocador ntr as corrnts d solução pobr qu dixa o rador d solução rica qu dixa o absorvdor diminui a ncssidad d adição d calor no rador d rjição d calor no absorvdor.

11 Exmplo O ciclo simpls do xmplo antrior é modificado pla insrção d um trocador d calor, como mostrado na fiura acima, d tal forma qu a tmpratura do ponto é d 5 o C. A vazão m massa do scoamnto librado pla bomba d solução é d 0,6k/s. Qual é a taxa d transfrência d nria m cada componnt o abs dst ciclo? Solução Crtas quantidads prmancm inaltradas: m m 0,6k / s 1 m m 0,45k / s 4 m m m 0,148k / s As ntalpias qu prmancm inaltradas são: h kj/k; h -5 kj/k h kj/k h 6 167,5 kj/k h 7 50 kj/k

12 As taxas d transfrência d calor no condnsador vaporador prmancm inaltradas Q c 71, kw Q kw 48, Plo diarama h-t-c, tm-s: h h(5 o C,50%) -10 kj/k Balanço d nria no trocador d calor Q tc m ( h h ) 1 0,6( 10 ( 168)) 8, 8kW 1 Da msma forma, Q tc m h h ) 0,45( 5 h ) 8, 8kW Assim, ( 4 4 h kj/k O diarama h-t-c mostra qu a solução d 66,4% com a ntalpia d -116kJ/k tm uma tmpratura d 64 o C. Através do balanços d nria no rador pod s avaliar a taxa d transfrência d calor: Q m h mh mh Q 0,148(676) + 0,45( 5) 0,6( 10) 444, 5kW Da msma forma, no absorvdor: Q a m 7h7 + m4h4 m1h1 Q a 0,148(50) + 0,45( 116) 0,6( 168) 41, kw O Coficint d Prformanc abs Q Q 48, 444,5 0,78

13 Est rprsnta uma mlhoria m rlação ao valor d 0,76 do sistma sm trocador d calor. 9.9 Confiuração d Unidads d Absorção Comrciais Numa instalação comrcial d absorção normalmnt: 1)o condnsador o rador são instalados m um msmo vaso uma vz qu opram a uma msma prssão. ) O vaporador o absorvdor são instalados m outro vaso uma vz qu também opram a uma msma prssão.

14 9.10 Cristalização A rião abaixo da linha d cristalização indica solidificação do LiBr. A solidificação do LiBr ocorr d forma qu a solução líquida fica diluída. O stado da solução continua sndo rprsntado pla linha d cristalização. Uma quda para a rião d cristalização indica formação d lama qu pod obstruir o scoamnto nos tubos intrrompr a opração da unidad d absorção. Exmplo No sistma com trocador d calor, a tmpratura d bulbo úmido do ambint dcrsc d forma qu a tmpratura da áua d rsfriamnto cai, o qu também rduz a tmpratura d condnsação para 4 o C. Todas as outras tmpraturas spcificadas prmancm inaltradas. Há alum prio d cristalização?

15 Solução: O componnt crítico do ponto d vista d cristalização é o trocador d calor. A rdução da tmpratura d condnsação aumnta a concntração dixando o rador no ponto (69%). Considrando qu a vazão m massa ntru pla bomba da solução prmanc constant m 0,6k/s, novas vazõs s aplicam ao rstant do sistma: Balanço d massa da solução no rador m 5 + m m1 0,6 Balanço d massa d LiBr no rador m x m1x1 m1x1 0,60(0,50) m 0,45k / s x 0,69 m,6 m 0,6 0,45 0,165k / s 5 0 As ntalpias na vizinhanças do trocador d calor conhcidas nst stáio são: h 1 h(0 o C;50%) -168 kj/k h h(5 o C;50%) -10 kj/k h h(100 o C;69%) -54 kj/k Um balanço d nria m torno do trocador d calor rsulta m m 1( h h1 ) 0,6( 10 ( 168)) h 4 h 54 10kJ / k m 0,45 A condição do ponto 4 (dtrminada por -10kJ/k x69%) ncontra-s cristalizada. Est xmplo ilustra fatos: (1) A posição com maior chanc d cristalização é a saída do trocador d calor. () Baixa tmpraturas d condnsação são condiçõs d possívis cristalizaçõs

16 9.11 Control d Capacidad Quando ocorr quda na cara térmica, há uma rdução na tmpratura d rtorno d áua lada à unidad d absorção (admitindo vazão d áua lada constant). Isto provocaria uma quda d prssão no lado d baixo da unidad d absorção, o qu podria conlar a áua rfrirant. Variávis qu podm sr controladas qu aftam a capacidad d rfriração m 5 m m Q G Balanço d massa d solução no rador m + m m5 m 5 m m (1) Balanço d massa d LiBr no rador m x mx m x x () m Substituindo () m (1), tm-s m 5 m m x x Finalmnt, x m 5 m 1 x Dpnd da tmpratura do absorvdor. Dpnd da tmpratura do rador. Dirtamnt proporcional à vazão da bomba.

17 O fito do control d capacidad é ralmnt na vazão d áua rfrirant. Três métodos são ralmnt mprados: a) Rdução da vazão pla bomba A rdução da vazão pla bomba implica numa rdução dirta da vazão d rfrirant. Est método só srá ficint s a taxa d adição d calor dv sr rduzida na msma proporção qu a capacidad d rfriração. A variação da vazão d rfrirant só srá proporcional à variação da vazão pla bomba s as concntraçõs não s altrarm. As concntraçõs ficam inaltradas apnas s as tmpraturas stivrm fixas. A rdução da vazão d rfrirant causa rdução na tmpratura d condnsação; aumnta na tmpratura do rador. Estas mudanças d tmpratura lvam a concntração d LiBr na saída do rador. Esta condição também pod induzir à cristalização. Método muito utilizado m unidads comrciais, mas quando há risco d cristalização é combinado com o método. b) Rdução da tmpratura do rador A rdução da tmpratura do rador pod sr obtida através: do stranulamnto do vapor, da rdução da vazão d áua qunt; tc. Exmplo: O ciclo d absorção com trocador d calor analisado no xmplo antrior é quipado com control d capacidad para stranular o vapor qu fornc calor para o rador assim rduzir para 95 o C, nquanto todas as outras tmpraturas a vazão através da bomba prmancm inaltradas, dtrmin a nova capacidad d rfriração, a taxa d adição d calor no rador o. Solução: Dados: x x(95 h o o C, psat(40 C)) 65% o h(95 C,65%) Balanço d massa d LiBr no rador:

18 m m m 5 x m m m 6 x x x m 7 0,5 0,6 0,65 0,46k / s 0,6 0,46 0,18k / s Balanço d nria no rador Balanço d nria do vaporador Coficint d Pformanc c) Aumnto da tmpratura d condnsação O aumnto da tmpratura d condnsação pod sr consuido através do dsvio da áua d rsfriamnto do condnsador. 9.1 Combinaçõs com Sistmas d Comprssão d Vapor m Sistmas Oprados com Vapor

19 Exmplo: Um sistma combinado d absorção comprssão d vapor é movido a vapor d alta prssão qu passa plas suints condiçõs através da turbina a vapor unidad d absorção: Posição Prssão (kpa) Entalpia (kj/k) Vazão (k/s) Entrando na turbina , Dixando a turbina , ntrando na unidad d absorção Condnsado dixando a unidad d absorção , O da unidad d comprssão d vapor é d,6 o abs da unidad d absorção é 0,7. Qual é (a) a capacidad total d rfriração (b) o do sistma combinado? Solução (a) Balanço d nria na turbina P m ( h t v 1 h A capacidad d rfriração do sistma d comprssão d vapor é t ) Q P. comp Balanço d nria no rador:

20 Q m( h h ) Balanço d nria no vaporador: Q Q. abs A capacidad total d rfriração Q Q + Q,abs,comp b) do sistma combinado Q Q,tot tot 9.1 Sistma Áua-Amônia Comparação Sistma d Comprssão x Sistma d Absorção

21 Sistma Áua-Amônia Vantans Proporciona tmpraturas d vaporação abaixo d 0 o C Opra com tmpraturas acima da atmosfra. Dsvantans Rqur componnts xtras Sistma LiBr-Áua Vantans Não ncssita d componnts xtras Dsvantans Opra com prssõs abaixo da atmosfra (infiltraçõs d ar). Limitado a tmpraturas d vaporação acima d 0 o C. Corrosão do sistma Sistma Plantn-Muntrs Nsts sistmas, a bomba as válvulas d xpansão são liminadas. Isto é obtido raças a uma única prssão no sistma. A prssão d qualização é obtida introduzindo hidroênio no sistma no vaporador absorvdor. A amônia no vaporador muda d fas dvido à baixa prssão parcial d amônia no hidroênio.

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