Considerações econômicas e ambientais trouxeram um novo interesse nos refrigeradores alimentados por uma fonte de calor. Um esforço considerável de pesquisa tem sido investido no estudo de sistemas de refrigeração desse tipo nos últimos anos. Esses sistemas podem utilizar fontes de energia renováveis, tais como gases quentes expelidos por outros sistemas, ou mesmo energia solar. Em situações especiais, onde a preservação do ambiente é prioridade, a refrigeração solar é uma alternativa na conservação de alimentos e suprimento médico. Quando a refrigeração tem de ser fornecida de maneira ininterrupta, torna-se necessário estabelecer uma fonte de energia suplementar, tal como um queimador a gás, ainda assimse apresentando como uma boa alternativa, já que para a energia térmica são necessárias fontes bem menos nobres do que para a energia elétrica, sendo esta a principal vantagem do sistema.

O francês Ferdinand Cami inventou o sistema de absorção 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.

O ciclo de absorção é similar em certos aspectos ao ciclo de compressão de vapor. Um ciclo de refrigeração irá operar com o condensador, a válvula de expansão e o evaporador, se o vapor de baixa pressão do evaporador puder ser transformado em vapor de alta pressão e entregue ao condensador. 0 sistema de compressão de vapor usa um compressor para esta tarefa. O sistema de absorção primeiro absorve vapor de baixa pressão em um líquido absorvente apropriado. Incorporado no processo de absorção há a conversão de vapor em líquido, desde que esse processo é similar ao de condensação, o calor precisa ser rejeitado durante o processo. O passo seguinte é elevar a pressão do líquido com uma bomba, e o passo final é liberar o vapor do líquido absorvente por adição de calor.

O ciclo de compressão de vapor é descrito como um ciclo operado a trabalho por que a elevação da pressão do refrigerante é conseguida por um compressor que requer trabalho. O ciclo de absorção, por outro lado, é referido como ciclo operado a calor porque a maior parte do custo de operação é associada com o fornecimento de calor que libera o vapor do líquido de alta pressão. Na verdade existe a necessidade de algum trabalho para acionar a bomba no ciclo de absorção, mas a quantidade de trabalho para uma dada quantidade de refrigeração é mínima, comparada com aquela que seria necessária no ciclo de compressão de vapor.

O ciclo de absorção básico é mostrado na figura 2. O condensador e evaporador são mostrados na figura 1, e a operação de compressão é proporcionada pela montagem apresentada na metade do diagrama à esquerda.

No evaporador há vapor de refrigerante de baixa pressão. Este é absorvido por uma solução no absorvedor. Caso, a temperatura desta solução se eleve a absorção de vapor poderia cessar. Para evitar isto, o absorvedor é resfriado por água ou ar. A solução no absorvedor é dita concentrada, pois contém grande quantidade de refrigerante. Uma bomba eleva a pressão eleva a pressão da solução concentrada e faz com que esta entre no gerador. No gerador, ocorre a adição de calor (fonte que forneça temperaturas elevadas), fazendo com que o refrigerante volte ao estado de vapor. Este vapor está em elevadas temperatura e pressão.

Fig. 1 Métodos para aumento da pressão do vapor

Os fluxos de calor de e para os quatro trocadores de calor componentes do ciclo de absorção ocorrem da seguinte forma: o calor de uma fonte de alta temperatura entra no gerador, enquanto que o calor a baixa temperatura da substância que está sendo refrigerada entra no evaporador. A rejeição 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 absorção básica

Sistemas de absorção são baseados em combinações de substâncias que possuem propriedades não usuais: Uma substância irá absorver a outra sem interação química entre elas. A absorção irá acontecer quando uma dessas estiver em uma temperatura mais baixa e a separação quando esta estiver numa temperatura mais alta. Se essa substância for um sólido o processo será chamado de adsorsão, se ela for líquida, absorção.

Sistemas de absorção são classificados como:

• Sistemas intermitentes;

• Sistemas contínuos;

Estes sistemas possuem várias aplicações, são elas:

• Doméstica;
• Veículos;
• Hotéis;
• Industrial;
• Condicionamento de ar.

Também podem ser classificados quanto a sua fonte de calor:

• Querosene;
• Gás natural;
• Vapor;
• Energia elétrica;
• Energia solar.

Sistemas de adsorsão em sólidos se baseiam nos princípios descobertos em 1824 pelo cientista britânico Michael Faraday em seus experimentos ele estudou a liquefação da amônia. Naquele tempo os cientista acreditavam que a amônia era um gás "fixo". Era considerado impossível transformá-la em sólido ou líquido.

Ele expôs vapor de amônia a um pó, cloreto de prata. Quando o cloreto de prata absorveu todo o vapor, ele forneceu calor. Isto resultou na formação de um líquido. Contudo, quando o calor foi removido, ele percebeu que o líquido começou a "ferver". Ele evaporava, retirando calor do ambiente. Nos dias de hoje, os sistemas de adsorsão se utilizam desse mesmo fenômeno.

Para locais que não tem gás ou eletricidade como fonte de energia, os ciclos de refrigeração conhecido como super fex e true code são convenientes. O ciclo usado no sistema de absorção intermitente é similar ao princípio de Faraday, mas tem algumas propriedades diferentes.

Na figura 3, a amônia misturada com água em um tanque vedado ou gerador. Em seguida um queimador a querosene o aquece. O calor vindo do queimador retira a amônia da mistura na forma de vapor. Este vapor é forçado pra cima por uma bomba através de um condensador. O condensador fica imerso em um tanque de água no alto do refrigerador.

A água contida no tanque refrigera o vapor de amônia contido no condensador que se condensa a uma pressão alta. Esta amônia líquida flui através de um cano para um tanque (na figura: "liquid receiver"). A partir daí ela passa para o evaporador, que é imerso em sal moura. O tanque é isolado termicamente.

O processo continua por um curto espaço de tempo até que o querosene acabe. O absorvedor esfria até a temperatura do sistema, entretanto a amônia evapora em temperaturas mais baixas no evaporador, isto ocorre porque como o gerador esfria ele tende a reabsorver o vapor de amônia. Portanto isso reduz a pressão e permite que a amônia líquida no evaporador entre em ebulição a uma temperatura baixa. Esta ebulição causa o efeito de refrigeração desejado.

Fig.3 Sistema de absorção intermitente

O sistema mais geralmente construído utiliza água, amônia e hidrogênio. Quando o sistema refrigera continuamente é chamado de sistema de absorção contínua. Um ciclo de refrigeração contínua opera automaticamente através do uso de controladores automáticos.

Muitas empresas possuem variações do sistema básico. No entanto o princípio de operação é sempre o mesmo. O queimador é aceso e seu calor é fornecido para o gerador(Fig. 4 - 1). Vapor de amônia é separado da solução, então flui para cima através do tubo coador(Fig. 4 - 2). Essa solução é levada para cima até atingir o separador(Fig. 4 - 3).

A maior parte da solução líquida é depositada no fundo do separador e flui para o absorvedor. O vapor de amônia está com uma densidade menor, assim ele sobe através de um tubo(Fig. 4 - 4) até o condensador. Então a amônia condensada cai no evaporador.

Fig.4 Sistema de absorção contínua.

A grande quantidade de hidrogênio presente no evaporador permite que a amônia evapore. Isto ocorre a uma baixa pressão e uma baixa temperatura (princípio de Dalton). Durante a evaporação a amônia retira calor do compartimento de refrigeração. Este vapor de amônia se mistura com o hidrogênio que estava no evaporador.

Então a fraca solução de amônia flui por gravidade pelo o separador, em 3. Ela desce para o topo do absorvedor (Nota :Uma solução "fraca" possui pouco vapor de amônia absorvido. Uma solução forte possui uma grande quantidade de vapor de amônia dissolvido). Na parte superior do absorvedor, a solução encontra a mistura de gás hidrogênio e vapor de amônia vinda do evaporador. A fraca e razoavelmente fria solução absorve o vapor de amônia. O gás hidrogênio é fica livre visto que não se mistura com a água. Como o hidrogênio também possui uma densidade pequena ele sobe até 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 solução fraca ajuda a reabsorção de gás amônia da mistura gás hidrogênio-vapor de amônia. Quando a água absorve vapor de amônia uma quantidade considerável de calor é liberado. As aberturas de ventilação removem esse calor permitindo que a refrigeração continue. A mistura líquida de água e amônia volta para o gerador e o ciclo recomeça.

Os sistemas de refrigeração por absorção contínuos com bomba, fig.5, geralmente utilizam amônia como refrigerante. Eles usam uma solução aquosa de amônia como absorvedor. Qualquer trocador de calor pode ser usado, entretanto os mais comuns são gás natural, vapor ou GLP, também podendo utilizar calor residual de alguma fonte.

O sistema opera sob duas pressões. A alta pressão é entre 1484kPa e 2174kPa. A baixa pressão é entre 380kPa e 518kPa. As partes de alta e baixa pressão são separadas por válvulas 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 é aquecido por um queimador vertical o calor faz o líquido ferver e a amônia que estava dissolvida evaporar. O vapor sobe através de um tubo para o condensador ventilado. No condensador é removido calor do vapor para o ar ,condensando o vapor que então atua como refrigerante. O líquido refrigerante passa agora a uma alta pressão para o evaporador. No evaporador água carregando calor da área a ser resfriada passa através de tubos. O calor da água nos tubos é transferido para o refrigerante, que evapora. A água nos tubos que estavam a baia temperatura retorna para a área a ser resfriada podendo absorver calor dessa área. O refrigerante que evapora no evaporador desce para o absorvedor. Dali o refrigerante líquido é então bombeado de volta para a solução no gerador, repetindo o processo.

Fig. 5 Sistema de absorção contínuo utilizando uma bomba para manter a

diferença de pressão interna

O exame do ciclo de absorção e das temperaturas de operação mostrados na figura 6, revela que a solução no ponto 1 deixa o absorvedor a uma temperatura de 30ºC e precisa ser aquecida a 100ºC no gerador. Similarmente a solução no ponto dois deixa o gerador a 100ºC e precisa ser resfriada até 30ºC no absorvedor. Um dos maiores custos de operação dos sistema está no calor adicionado no gerador qg, e realisticamente haverá algum custo associado com a remoção de calor do absorvedor qa .Uma adição lógica ao ciclo simples é a de um trocador de calor como mostrado na figura 6 para transferir calor entre as duas correntes de soluções. Este trocador de calor aquece a solução fria do absorvedor em seu caminho para o gerador e esfria a solução que retorna do gerador para o absorvedor.

Fig. 6 – Sistema de absorção com trocador de calor

O sistema de duplo efeito mostrado esquematicamente na Fig. 17-14 é uma unidade de absorção de LiBr com a eficiência melhorada. O aspecto mais importante que distingue o sistema de duplo efeito é que este incorpora um segundo gerador, gerador II, que usa o vapor da água que condensa o gerador 1 para prover seu abastecimento de calor. Ha três níveis diferentes de pressão em cada vaso mostrado na Fig. 17-14, e um vapor de pressão média (da ordem de 1000 kpa) é suprido ao gerador 1 em vez do vapor de baixa pressão (aproximadamente 120 kl>a) fornecido ao gerador em uma unidade de único estágio. A solução de LiBr do gerador 1 passa através de um trocador de calor, onde ela transfere calor à solução fraca de LiBr que escoa em direção ao gerador 1. A solução que passa para o gerador II é aquecida ali pelo vapor de água condensante que foi desviado do gerador I. Em seguida a solução passa por uma restrição que reduz sua pressão para aquela do vaso 2. Em seguida à redução de pressão, parte da água da solução é expandida subitamente se vaporizando, para em seguida se liqüefazer no condensador. A unidade de absorção de duplo efeito opera com CDEs maiores do que as de simples estágio como mostrado na figura 7 da próxima página

Fig. 7 – CDEabs de unidades de absorção de simples estágio e de duplo efeito

O coeficiente de eficácia do ciclo de absorção CDEabs ‚ definido

Em certos aspectos a aplicação do termo CDE para os sistemas de absorção não é feliz porque o seu valor ‚ apreciavelmente menor que os dos ciclos de compressão de vapor (0,6 versus 3, por exemplo). O valor comparativamente baixo do CDEabs não deve ser considerado prejudicial para os ciclos de absorção, porque os CDEs dos dois ciclos são definidos diferentemente. O CDE do ciclo de compressão de vapor ‚ a relação da taxa de refrigeração pela potência 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 compreensão adicional da distinção das eficácias dos ciclos de absorção e compressão de vapor pode ser oferecida pelo exercício de determinar o CDE do ciclo de absorção ideal. A Fig. 9 sugere como realizar esta análise, porque os processos nos blocos da esquerda consistem de um ciclo de potência que desenvolve o trabalho necessário para realizar a compressão do vapor do evaporador para o condensador no ciclo de refrigeração. Estes dois ciclos são mostrados esquematicamente na Fig. 9. O ciclo de potência recebe energia na forma de calor qg a uma temperatura absoluta T, entrega alguma energia W na forma de trabalho para o ciclo de refrigeração e rejeita uma quantidade de energia qa na forma de calor à temperatura Ta. O ciclo de refrigeração recebe o trabalho W e com ele transfere calor qe temperatura de refrigeração de Tr para a temperatura Ta, onde a quantidade qc ‚ rejeitada.

O ciclo ideal operando com processos termodinamicamente reversíveis entre duas temperaturas‚ um ciclo de Carnot, que aparece como um retângulo no diagrama temperatura entropia. Para o ciclo de potência do lado esquerdo da Fig. 9

Fig.9 – Ciclo de refrigeração operado a calor como combinação de um

ciclo de potência e um de refrigeração

Algumas instalações de resfriamento de água de grandes capacidades usam como fonte de energia vapor de alta pressão em um sistema que combina sistema de compressão de vapor e um sistema de absorção. Como mostrado na Fig. 17-16, o vapor de alta pressão primeiro se expande pela turbina, que fornece potência para acionar o compressor do sistema de compressão de vapor. O vapor de descarga da turbina passa para o gerador do sistema de absorção. A água a ser esfriada passa em série através dos evaporadores das duas unidades de refrigeração. Esta combinação é semelhante ao tipo de usina de geração de energia em que parte da energia do vapor de alta pressão é usada para gerar energia elétrica e a condensação do vapor é usado para fornecer energia para algum processo ou calefação.

Fig. 10 –Sistema combinado de absorção e compressão de vapor

Este trabalho tem-se concentrado até aqui em sistemas que usam LiBr como absorvente e água como refrigerante. Outros pares de substancias podem também funcionar como absorvente e refrigerante como, por exemplo, água como absorvente e amônia como refrigerante. Esta combinação chamada água-amônia foi usada em sistemas de absorção anos antes da combinação LiBr-água tomar-se popular. O sistema água-amônia, mostrado esquematicamente na Fig.11, consiste em todos os componentes previamente descritos: gerador, absorvedor, condensador, evaporador e trocador de calor da solução, mais um retificador e um analisador. A necessidade deles é ocasionada pelo fato de que o vapor de refrigerante liberado no gerador (a amônia) contém também vapor de água. Quando essa água se encaminha ao evaporador eleva a temperatura ali reinante. Para remover o máximo de vapor de água possível, o vapor retirado do gerador primeiro flui em contra-corrente para a solução que entra no retificador. Em seguida a soluço passa através do analisador, que é um trocador de calor resfriado a água que condensa algum líquido rico em água, o qual é drenado de volta ao retificador. Uma pequena quantidade de vapor de água escapa ao analisador e deve finalmente passar como liquido do evaporador para o absorvedor.

Fig. 11 Sistema de absorção água-amônia

Em seguida apresenta-se uma comparação entre os sistemas água-amônia e LiBr-água; dois tem CDEabs comparáveis. O sistema água-amônia é capaz de atingir temperaturas de evaporação abaixo de 00C, porém o sistema LiBr-água é limitado em unidades comerciais a temperaturas não inferiores de 30C. O sistema água-amônia tem a desvantagem de requerer componentes extras e a vantagem de operar a pressões acima da atmosférica. O sistema LiBr-água opera a pressões abaixo da atmosférica, resultando em infiltrações inevitáveis de ar no sistema, que precisa ser purgado periodicamente. Inibidores especiais precisam ser incorporados aos sistemas LiBr-água para retardar corrosão

A construção de uma instalação de absorção comercial tira proveito do fato de que o condensador e o gerador operam à mesma pressão e combinam estes componentes em um mesmo vaso. Similarmente, desde que o evaporador e o absorvedor operam á mesma pressão, estes componentes também podem ser instalados em um mesmo vaso, como mostrado na Fig. 12. No vaso de alta pressão o vapor de água do gerador deriva para o condensador, onde é liqüefeito, enquanto que no vaso de baixa pressão o vapor de água liberado no evaporador escoa para baixo para o absorvedor.

Fig. 12 –Um arranjo de componentes em uma unidade de absorção comercial

Para aumentar a taxa de transferência de calor no evaporador uma bomba de recirculação pulveriza a água a ser evaporada sobre os tubos do evaporador para resfriar a água da carga de refrigeração. Note-se que a água gelada que serve a carga de refrigeração é um circuito separado da água que serve como refrigerante na unidade de absorção. A manutenção de circuitos separados de água ajuda a manter uma maior pureza na unidade de absorção e permite a água que serve a carga de refrigeração operar a pressões acima da atmosfera. Um outro aspecto mostrado na Fig. 12 é que a água da torre de resfriamento passa em série pelo absorvedor e condensador, extraindo calor de ambos os componentes.

Fig. 13 – Unidade de refrigeração por absorção comercial

Na fotografia da unidade de absorção da Fig. 13 os vasos de alta e baixa pressões podem ser distinguidos. É possível também combinar todos os componentes em um único vaso com um separador interno entre as câmaras de alta e baixa pressões.

Esta figura mostra um dos tipos de construção possíveis para unidades de refrigeração por absorção, sendo que esta é uma unidade que já foi comercializada.

Os sistemas de absorção passaram por muitos altos e baixos. Foi predecessor do sistema de compressão de vapor no Século XIX e os sistemas água-amônia tinham grande aplicação em refrigeradores domésticos e grandes instalações industriais, como indústrias químicas e de processos. O sistema LiBr-água foi comercializado nos anos 40 e 50 como resfriadores de água para ar condicionado de grandes edifícios. Eles eram energizados por vapor ou água quente gerados em caldeiras a óleo e gás natural. Nos anos 70 a substituição de combustão direta de óleo e gás natural afetou a aplicação de unidades de absorção, mas ao mesmo tempo abriu outras oportunidades, como a utilização de calor derivado de coletores solares para energizar unidades de absorção. Também em função do aumento crescente do custo da energia, o calor de baixo nível de temperatura (na faixa de 90 a 1100C), que era anteriormente rejeitado para a atmosfera em instalações químicas e de processo, é agora freqüentemente usado para operar sistemas de absorção que fornece refrigeração necessária em algum outro ponto da fábrica. A combinação de sistemas de absorção com sistemas de compressão de vapor, descrita na Seção 8, é uma outra aplicação de unidades de absorção que permanece atrativa.

Sistemas de refrigeração por absorção apresentam-se como alternativa para os sistemas de compressão de vapor sendo que possuem como vantagem a utilização de energia térmica, que é menos nobre, substituindo uma parte da energia elétrica necessária para obtenção do efeito desejado. Como esta energia térmica pode ser de qualquer fonte, como por exemplo calor residual, energia solar, queima de combustíveis, etc., o sistema pode se tornar mais interessante na medida em que a energia elétrica encarecer. Ou então para sistemas centrais de condicionamento, onde a utilização de energia elétrica é alta.

Na Unicamp existe um sistema construído que utiliza solução água-amônia. Ele utiliza calor residual da caldeira da lavanderia do Hospital da Unicamp para o aquecimento necessário no gerador, desta forma, comparando-se com um sistema de compressão de vapor para a mesma utilização, consome cerca de 10% da energia elétrica consumida por este. Existe ainda um projeto em andamento para a construção de um sistema de ar condicionado que tenha como única fonte de energia a energia solar, para isso utilizará o processo de absorção com solução de água-brometo de lítio.

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• "ASHRAE Handbook, Fundamentals Volume", Atlanta, Ga., 1981;

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