Por que a entrada de água é feita em contracorrente no condensador?

Considera��es econ�micas e ambientais trouxeram um novo interesse nos refrigeradores alimentados por uma fonte de calor. Um esfor�o consider�vel de pesquisa tem sido investido no estudo de sistemas de refrigera��o desse tipo nos �ltimos anos. Esses sistemas podem utilizar fontes de energia renov�veis, tais como gases quentes expelidos por outros sistemas, ou mesmo energia solar. Em situa��es especiais, onde a preserva��o do ambiente � prioridade, a refrigera��o solar � uma alternativa na conserva��o de alimentos e suprimento m�dico. Quando a refrigera��o tem de ser fornecida de maneira ininterrupta, torna-se necess�rio estabelecer uma fonte de energia suplementar, tal como um queimador a g�s, ainda assimse apresentando como uma boa alternativa, j� que para a energia t�rmica s�o necess�rias fontes bem menos nobres do que para a energia el�trica, sendo esta a principal vantagem do sistema.

1.1. Nota hist�rica

O franc�s Ferdinand Cami inventou o sistema de absor��o e tirou uma patente nos Estados Unidos em 1860. O primeiro uso do sistema nos Estados Unidos foi provavelmente feito pelos Estados Confederados durante a Guerra Civil para suprimento de gelo natural que havia sido cortado pelo norte.

1.2. Aspectos gerais do sistema

O ciclo de absor��o � similar em certos aspectos ao ciclo de compress�o de vapor. Um ciclo de refrigera��o ir� operar com o condensador, a v�lvula de expans�o e o evaporador, se o vapor de baixa press�o do evaporador puder ser transformado em vapor de alta press�o e entregue ao condensador. 0 sistema de compress�o de vapor usa um compressor para esta tarefa. O sistema de absor��o primeiro absorve vapor de baixa press�o em um l�quido absorvente apropriado. Incorporado no processo de absor��o h� a convers�o de vapor em l�quido, desde que esse processo � similar ao de condensa��o, o calor precisa ser rejeitado durante o processo. O passo seguinte � elevar a press�o do l�quido com uma bomba, e o passo final � liberar o vapor do l�quido absorvente por adi��o de calor.

O ciclo de compress�o de vapor � descrito como um ciclo operado a trabalho por que a eleva��o da press�o do refrigerante � conseguida por um compressor que requer trabalho. O ciclo de absor��o, por outro lado, � referido como ciclo operado a calor porque a maior parte do custo de opera��o � associada com o fornecimento de calor que libera o vapor do l�quido de alta press�o. Na verdade existe a necessidade de algum trabalho para acionar a bomba no ciclo de absor��o, mas a quantidade de trabalho para uma dada quantidade de refrigera��o � m�nima, comparada com aquela que seria necess�ria no ciclo de compress�o de vapor.

2. O ciclo de absor��o

O ciclo de absor��o b�sico � mostrado na figura 2. O condensador e evaporador s�o mostrados na figura 1, e a opera��o de compress�o � proporcionada pela montagem apresentada na metade do diagrama � esquerda.

No evaporador h� vapor de refrigerante de baixa press�o. Este � absorvido por uma solu��o no absorvedor. Caso, a temperatura desta solu��o se eleve a absor��o de vapor poderia cessar. Para evitar isto, o absorvedor � resfriado por �gua ou ar. A solu��o no absorvedor � dita concentrada, pois cont�m grande quantidade de refrigerante. Uma bomba eleva a press�o eleva a press�o da solu��o concentrada e faz com que esta entre no gerador. No gerador, ocorre a adi��o de calor (fonte que forne�a temperaturas elevadas), fazendo com que o refrigerante volte ao estado de vapor. Este vapor est� em elevadas temperatura e press�o.

A solu��o l�quida, que agora tem baixa concentra��o de refrigerante, retorna ao absorvedor por v�lvula redutora de press�o. O objetivo da presen�a desta v�lvula � manter a diferen�a de press�o entre o absorvedor e o gerador. No evaporador h� passagem de �gua fria, que resfria o vapor e condensa o refrigerante. O refrigerante vai para o evaporador atrav�s de uma v�lvula de expans�o.No evaporador ocorre a passagem de um fluido que ser� resfriado (troca de calor com o refrigerante). Este fluido fornecer� calor ao refrigerante que evaporar� (est� em baixa press�o). Este � o efeito de refrigera��o

Fig. 1 M�todos para aumento da press�o do vapor

Os fluxos de calor de e para os quatro trocadores de calor componentes do ciclo de absor��o ocorrem da seguinte forma: o calor de uma fonte de alta temperatura entra no gerador, enquanto que o calor a baixa temperatura da subst�ncia que est� sendo refrigerada entra no evaporador. A rejei��o de calor do ciclo ocorre no absorvedor e condensador a temperaturas tais que o calor possa ser rejeitado para a atmosfera.

Fig. 2 - A unidade de absor��o b�sica

2.1. Tipos de sistemas de absor��o

Sistemas de absor��o s�o baseados em combina��es de subst�ncias que possuem propriedades n�o usuais: Uma subst�ncia ir� absorver a outra sem intera��o qu�mica entre elas. A absor��o ir� acontecer quando uma dessas estiver em uma temperatura mais baixa e a separa��o quando esta estiver numa temperatura mais alta. Se essa subst�ncia for um s�lido o processo ser� chamado de adsors�o, se ela for l�quida, absor��o.

Sistemas de absor��o s�o classificados como:

Estes sistemas possuem v�rias aplica��es, s�o elas:

• Dom�stica;
• Ve�culos;
• Hot�is;
• Industrial;
• Condicionamento de ar.

Tamb�m podem ser classificados quanto a sua fonte de calor:

• Querosene;
• G�s natural;
• Vapor;
• Energia el�trica;
• Energia solar.

2.2 Princ�pios do sistema de adsors�o

Sistemas de adsors�o em s�lidos se baseiam nos princ�pios descobertos em 1824 pelo cientista brit�nico Michael Faraday em seus experimentos ele estudou a liquefa��o da am�nia. Naquele tempo os cientista acreditavam que a am�nia era um g�s "fixo". Era considerado imposs�vel transform�-la em s�lido ou l�quido.

Ele exp�s vapor de am�nia a um p�, cloreto de prata. Quando o cloreto de prata absorveu todo o vapor, ele forneceu calor. Isto resultou na forma��o de um l�quido. Contudo, quando o calor foi removido, ele percebeu que o l�quido come�ou a "ferver". Ele evaporava, retirando calor do ambiente. Nos dias de hoje, os sistemas de adsors�o se utilizam desse mesmo fen�meno.

3. Princ�pios de sistemas de absor��o intermitente

Para locais que n�o tem g�s ou eletricidade como fonte de energia, os ciclos de refrigera��o conhecido como super fex e true code s�o convenientes. O ciclo usado no sistema de absor��o intermitente � similar ao princ�pio de Faraday, mas tem algumas propriedades diferentes.

Na figura 3, a am�nia misturada com �gua em um tanque vedado ou gerador. Em seguida um queimador a querosene o aquece. O calor vindo do queimador retira a am�nia da mistura na forma de vapor. Este vapor � for�ado pra cima por uma bomba atrav�s de um condensador. O condensador fica imerso em um tanque de �gua no alto do refrigerador.

A �gua contida no tanque refrigera o vapor de am�nia contido no condensador que se condensa a uma press�o alta. Esta am�nia l�quida flui atrav�s de um cano para um tanque (na figura: "liquid receiver"). A partir da� ela passa para o evaporador, que � imerso em sal moura. O tanque � isolado termicamente.

O processo continua por um curto espa�o de tempo at� que o querosene acabe. O absorvedor esfria at� a temperatura do sistema, entretanto a am�nia evapora em temperaturas mais baixas no evaporador, isto ocorre porque como o gerador esfria ele tende a reabsorver o vapor de am�nia. Portanto isso reduz a press�o e permite que a am�nia l�quida no evaporador entre em ebuli��o a uma temperatura baixa. Esta ebuli��o causa o efeito de refrigera��o desejado.

Fig.3 Sistema de absor��o intermitente

4. Princ�pios do sistema de absor��o cont�nua

O sistema mais geralmente constru�do utiliza �gua, am�nia e hidrog�nio. Quando o sistema refrigera continuamente � chamado de sistema de absor��o cont�nua. Um ciclo de refrigera��o cont�nua opera automaticamente atrav�s do uso de controladores autom�ticos.

Muitas empresas possuem varia��es do sistema b�sico. No entanto o princ�pio de opera��o � sempre o mesmo. O queimador � aceso e seu calor � fornecido para o gerador(Fig. 4 - 1). Vapor de am�nia � separado da solu��o, ent�o flui para cima atrav�s do tubo coador(Fig. 4 - 2). Essa solu��o � levada para cima at� atingir o separador(Fig. 4 - 3).

A maior parte da solu��o l�quida � depositada no fundo do separador e flui para o absorvedor. O vapor de am�nia est� com uma densidade menor, assim ele sobe atrav�s de um tubo(Fig. 4 - 4) at� o condensador. Ent�o a am�nia condensada cai no evaporador.

Fig.4 Sistema de absor��o cont�nua.

A grande quantidade de hidrog�nio presente no evaporador permite que a am�nia evapore. Isto ocorre a uma baixa press�o e uma baixa temperatura (princ�pio de Dalton). Durante a evapora��o a am�nia retira calor do compartimento de refrigera��o. Este vapor de am�nia se mistura com o hidrog�nio que estava no evaporador.

Ent�o a fraca solu��o de am�nia flui por gravidade pelo o separador, em 3. Ela desce para o topo do absorvedor (Nota :Uma solu��o "fraca" possui pouco vapor de am�nia absorvido. Uma solu��o forte possui uma grande quantidade de vapor de am�nia dissolvido). Na parte superior do absorvedor, a solu��o encontra a mistura de g�s hidrog�nio e vapor de am�nia vinda do evaporador. A fraca e razoavelmente fria solu��o absorve o vapor de am�nia. O g�s hidrog�nio � fica livre visto que n�o se mistura com a �gua. Como o hidrog�nio tamb�m possui uma densidade pequena ele sobe at� a parte superior do absorvedor, dali ele retorna para o evaporador.

O absorvedor possui aberturas para troca de calor com o ar. O resfriamento da solu��o fraca ajuda a reabsor��o de g�s am�nia da mistura g�s hidrog�nio-vapor de am�nia. Quando a �gua absorve vapor de am�nia uma quantidade consider�vel de calor � liberado. As aberturas de ventila��o removem esse calor permitindo que a refrigera��o continue. A mistura l�quida de �gua e am�nia volta para o gerador e o ciclo recome�a.

5. Sistemas de absor��o cont�nuas com bomba

Os sistemas de refrigera��o por absor��o cont�nuos com bomba, fig.5, geralmente utilizam am�nia como refrigerante. Eles usam uma solu��o aquosa de am�nia como absorvedor. Qualquer trocador de calor pode ser usado, entretanto os mais comuns s�o g�s natural, vapor ou GLP, tamb�m podendo utilizar calor residual de alguma fonte.

O sistema opera sob duas press�es. A alta press�o � entre 1484kPa e 2174kPa. A baixa press�o � entre 380kPa e 518kPa. As partes de alta e baixa press�o s�o separadas por v�lvulas de estrangulamento, uma bomba ou outros equipamentos de controle. O sistema operacional pode ser dividido em quatro partes sendo elas gerador, condensador, evaporador e absorvedor.

O gerador � aquecido por um queimador vertical o calor faz o l�quido ferver e a am�nia que estava dissolvida evaporar. O vapor sobe atrav�s de um tubo para o condensador ventilado. No condensador � removido calor do vapor para o ar ,condensando o vapor que ent�o atua como refrigerante. O l�quido refrigerante passa agora a uma alta press�o para o evaporador. No evaporador �gua carregando calor da �rea a ser resfriada passa atrav�s de tubos. O calor da �gua nos tubos � transferido para o refrigerante, que evapora. A �gua nos tubos que estavam a baia temperatura retorna para a �rea a ser resfriada podendo absorver calor dessa �rea. O refrigerante que evapora no evaporador desce para o absorvedor. Dali o refrigerante l�quido � ent�o bombeado de volta para a solu��o no gerador, repetindo o processo.

Fig. 5 Sistema de absor��o cont�nuo utilizando uma bomba para manter a

diferen�a de press�o interna

6. Ciclo de absor��o com trocador de calor

O exame do ciclo de absor��o e das temperaturas de opera��o mostrados na figura 6, revela que a solu��o no ponto 1 deixa o absorvedor a uma temperatura de 30�C e precisa ser aquecida a 100�C no gerador. Similarmente a solu��o no ponto dois deixa o gerador a 100�C e precisa ser resfriada at� 30�C no absorvedor. Um dos maiores custos de opera��o dos sistema est� no calor adicionado no gerador qg, e realisticamente haver� algum custo associado com a remo��o de calor do absorvedor qa .Uma adi��o l�gica ao ciclo simples � a de um trocador de calor como mostrado na figura 6 para transferir calor entre as duas correntes de solu��es. Este trocador de calor aquece a solu��o fria do absorvedor em seu caminho para o gerador e esfria a solu��o que retorna do gerador para o absorvedor.

Fig. 6 � Sistema de absor��o com trocador de calor

7. Sistema de duplo efeito

O sistema de duplo efeito mostrado esquematicamente na Fig. 17-14 � uma unidade de absor��o de LiBr com a efici�ncia melhorada. O aspecto mais importante que distingue o sistema de duplo efeito � que este incorpora um segundo gerador, gerador II, que usa o vapor da �gua que condensa o gerador 1 para prover seu abastecimento de calor. Ha tr�s n�veis diferentes de press�o em cada vaso mostrado na Fig. 17-14, e um vapor de press�o m�dia (da ordem de 1000 kpa) � suprido ao gerador 1 em vez do vapor de baixa press�o (aproximadamente 120 kl>a) fornecido ao gerador em uma unidade de �nico est�gio. A solu��o de LiBr do gerador 1 passa atrav�s de um trocador de calor, onde ela transfere calor � solu��o fraca de LiBr que escoa em dire��o ao gerador 1. A solu��o que passa para o gerador II � aquecida ali pelo vapor de �gua condensante que foi desviado do gerador I. Em seguida a solu��o passa por uma restri��o que reduz sua press�o para aquela do vaso 2. Em seguida � redu��o de press�o, parte da �gua da solu��o � expandida subitamente se vaporizando, para em seguida se liq�efazer no condensador. A unidade de absor��o de duplo efeito opera com CDEs maiores do que as de simples est�gio como mostrado na figura 7 da pr�xima p�gina

Fig. 7 � CDEabs de unidades de absor��o de simples est�gio e de duplo efeito

8. Coeficiente de Efic�cia de um Ciclo de Absor��o Ideal

O coeficiente de efic�cia do ciclo de absor��o CDEabs � definido

Em certos aspectos a aplica��o do termo CDE para os sistemas de absor��o n�o � feliz porque o seu valor � apreciavelmente menor que os dos ciclos de compress�o de vapor (0,6 versus 3, por exemplo). O valor comparativamente baixo do CDEabs n�o deve ser considerado prejudicial para os ciclos de absor��o, porque os CDEs dos dois ciclos s�o definidos diferentemente. O CDE do ciclo de compress�o de vapor � a rela��o da taxa de refrigera��o pela pot�ncia na forma de trabalho fornecida para operar o ciclo. Energia na forma de trabalho� normalmente muito mais valiosa e cara que energia na forma de calor.

Uma compreens�o adicional da distin��o das efic�cias dos ciclos de absor��o e compress�o de vapor pode ser oferecida pelo exerc�cio de determinar o CDE do ciclo de absor��o ideal. A Fig. 9 sugere como realizar esta an�lise, porque os processos nos blocos da esquerda consistem de um ciclo de pot�ncia que desenvolve o trabalho necess�rio para realizar a compress�o do vapor do evaporador para o condensador no ciclo de refrigera��o. Estes dois ciclos s�o mostrados esquematicamente na Fig. 9. O ciclo de pot�ncia recebe energia na forma de calor qg a uma temperatura absoluta T, entrega alguma energia W na forma de trabalho para o ciclo de refrigera��o e rejeita uma quantidade de energia qa na forma de calor � temperatura Ta. O ciclo de refrigera��o recebe o trabalho W e com ele transfere calor qe temperatura de refrigera��o de Tr para a temperatura Ta, onde a quantidade qc � rejeitada.

O ciclo ideal operando com processos termodinamicamente revers�veis entre duas temperaturas� um ciclo de Carnot, que aparece como um ret�ngulo no diagrama temperatura entropia. Para o ciclo de pot�ncia do lado esquerdo da Fig. 9

Fig.9 � Ciclo de refrigera��o operado a calor como combina��o de um

ciclo de pot�ncia e um de refrigera��o

9. Combina��o com Sistema de Compress�o de Vapor em Sistemas Operados com Vapor

Algumas instala��es de resfriamento de �gua de grandes capacidades usam como fonte de energia vapor de alta press�o em um sistema que combina sistema de compress�o de vapor e um sistema de absor��o. Como mostrado na Fig. 17-16, o vapor de alta press�o primeiro se expande pela turbina, que fornece pot�ncia para acionar o compressor do sistema de compress�o de vapor. O vapor de descarga da turbina passa para o gerador do sistema de absor��o. A �gua a ser esfriada passa em s�rie atrav�s dos evaporadores das duas unidades de refrigera��o. Esta combina��o � semelhante ao tipo de usina de gera��o de energia em que parte da energia do vapor de alta press�o � usada para gerar energia el�trica e a condensa��o do vapor � usado para fornecer energia para algum processo ou calefa��o.

Fig. 10 �Sistema combinado de absor��o e compress�o de vapor

10. Sistema �gua - Am�nia

Este trabalho tem-se concentrado at� aqui em sistemas que usam LiBr como absorvente e �gua como refrigerante. Outros pares de substancias podem tamb�m funcionar como absorvente e refrigerante como, por exemplo, �gua como absorvente e am�nia como refrigerante. Esta combina��o chamada �gua-am�nia foi usada em sistemas de absor��o anos antes da combina��o LiBr-�gua tomar-se popular. O sistema �gua-am�nia, mostrado esquematicamente na Fig.11, consiste em todos os componentes previamente descritos: gerador, absorvedor, condensador, evaporador e trocador de calor da solu��o, mais um retificador e um analisador. A necessidade deles � ocasionada pelo fato de que o vapor de refrigerante liberado no gerador (a am�nia) cont�m tamb�m vapor de �gua. Quando essa �gua se encaminha ao evaporador eleva a temperatura ali reinante. Para remover o m�ximo de vapor de �gua poss�vel, o vapor retirado do gerador primeiro flui em contra-corrente para a solu��o que entra no retificador. Em seguida a solu�o passa atrav�s do analisador, que � um trocador de calor resfriado a �gua que condensa algum l�quido rico em �gua, o qual � drenado de volta ao retificador. Uma pequena quantidade de vapor de �gua escapa ao analisador e deve finalmente passar como liquido do evaporador para o absorvedor.

Fig. 11 Sistema de absor��o �gua-am�nia

Em seguida apresenta-se uma compara��o entre os sistemas �gua-am�nia e LiBr-�gua; dois tem CDEabs compar�veis. O sistema �gua-am�nia � capaz de atingir temperaturas de evapora��o abaixo de 00C, por�m o sistema LiBr-�gua � limitado em unidades comerciais a temperaturas n�o inferiores de 30C. O sistema �gua-am�nia tem a desvantagem de requerer componentes extras e a vantagem de operar a press�es acima da atmosf�rica. O sistema LiBr-�gua opera a press�es abaixo da atmosf�rica, resultando em infiltra��es inevit�veis de ar no sistema, que precisa ser purgado periodicamente. Inibidores especiais precisam ser incorporados aos sistemas LiBr-�gua para retardar corros�o

11. Configura��o de Unidades de Absor��o Comerciais

A constru��o de uma instala��o de absor��o comercial tira proveito do fato de que o condensador e o gerador operam � mesma press�o e combinam estes componentes em um mesmo vaso. Similarmente, desde que o evaporador e o absorvedor operam � mesma press�o, estes componentes tamb�m podem ser instalados em um mesmo vaso, como mostrado na Fig. 12. No vaso de alta press�o o vapor de �gua do gerador deriva para o condensador, onde � liq�efeito, enquanto que no vaso de baixa press�o o vapor de �gua liberado no evaporador escoa para baixo para o absorvedor.

Fig. 12 �Um arranjo de componentes em uma unidade de absor��o comercial

Para aumentar a taxa de transfer�ncia de calor no evaporador uma bomba de recircula��o pulveriza a �gua a ser evaporada sobre os tubos do evaporador para resfriar a �gua da carga de refrigera��o. Note-se que a �gua gelada que serve a carga de refrigera��o � um circuito separado da �gua que serve como refrigerante na unidade de absor��o. A manuten��o de circuitos separados de �gua ajuda a manter uma maior pureza na unidade de absor��o e permite a �gua que serve a carga de refrigera��o operar a press�es acima da atmosfera. Um outro aspecto mostrado na Fig. 12 � que a �gua da torre de resfriamento passa em s�rie pelo absorvedor e condensador, extraindo calor de ambos os componentes.

Fig. 13 � Unidade de refrigera��o por absor��o comercial

Na fotografia da unidade de absor��o da Fig. 13 os vasos de alta e baixa press�es podem ser distinguidos. � poss�vel tamb�m combinar todos os componentes em um �nico vaso com um separador interno entre as c�maras de alta e baixa press�es.

Esta figura mostra um dos tipos de constru��o poss�veis para unidades de refrigera��o por absor��o, sendo que esta � uma unidade que j� foi comercializada.

12. O Papel de Unidades de Absor��o na Pr�tica de Refrigera��o

Os sistemas de absor��o passaram por muitos altos e baixos. Foi predecessor do sistema de compress�o de vapor no S�culo XIX e os sistemas �gua-am�nia tinham grande aplica��o em refrigeradores dom�sticos e grandes instala��es industriais, como ind�strias qu�micas e de processos. O sistema LiBr-�gua foi comercializado nos anos 40 e 50 como resfriadores de �gua para ar condicionado de grandes edif�cios. Eles eram energizados por vapor ou �gua quente gerados em caldeiras a �leo e g�s natural. Nos anos 70 a substitui��o de combust�o direta de �leo e g�s natural afetou a aplica��o de unidades de absor��o, mas ao mesmo tempo abriu outras oportunidades, como a utiliza��o de calor derivado de coletores solares para energizar unidades de absor��o. Tamb�m em fun��o do aumento crescente do custo da energia, o calor de baixo n�vel de temperatura (na faixa de 90 a 1100C), que era anteriormente rejeitado para a atmosfera em instala��es qu�micas e de processo, � agora freq�entemente usado para operar sistemas de absor��o que fornece refrigera��o necess�ria em algum outro ponto da f�brica. A combina��o de sistemas de absor��o com sistemas de compress�o de vapor, descrita na Se��o 8, � uma outra aplica��o de unidades de absor��o que permanece atrativa.

13. Conclus�o

Sistemas de refrigera��o por absor��o apresentam-se como alternativa para os sistemas de compress�o de vapor sendo que possuem como vantagem a utiliza��o de energia t�rmica, que � menos nobre, substituindo uma parte da energia el�trica necess�ria para obten��o do efeito desejado. Como esta energia t�rmica pode ser de qualquer fonte, como por exemplo calor residual, energia solar, queima de combust�veis, etc., o sistema pode se tornar mais interessante na medida em que a energia el�trica encarecer. Ou ent�o para sistemas centrais de condicionamento, onde a utiliza��o de energia el�trica � alta.

Na Unicamp existe um sistema constru�do que utiliza solu��o �gua-am�nia. Ele utiliza calor residual da caldeira da lavanderia do Hospital da Unicamp para o aquecimento necess�rio no gerador, desta forma, comparando-se com um sistema de compress�o de vapor para a mesma utiliza��o, consome cerca de 10% da energia el�trica consumida por este. Existe ainda um projeto em andamento para a constru��o de um sistema de ar condicionado que tenha como �nica fonte de energia a energia solar, para isso utilizar� o processo de absor��o com solu��o de �gua-brometo de l�tio.

Por que a entrada de água deve ser feita pela parte inferior do condensador?

Por que a entrada de água é feita na extremidade final do condensador?

Por que a água do condensador deve circular contra a corrente do destilado?

Por que devemos ligar a mangueira de água na saída mais abaixo do condensador?