SENAI “Oscar Rodrigues Alves” Prof. Valter Rubens Gerner SISTEMAS DE ABSORÇÃO DE USO DOMESTICO
Sistemas de Absorção são baseados em diversos combinações de substâncias que tem uma propriedade rara, uma substancia, liquida, que executa a função de refrigerante e outra que absorve este refrigerante. A substância que absorve o refrigerante pode ser sólida ou liquida. Quando a substância absorvente é sólida esse processo é algumas vezes chamado de Adsorção ,, se a substancia absorvente é liquida o processo recebe o nome de Absorção. Deste forma existe dois tipos de sistemas de absorção, um usando absorvente sólido e outros absorventes líquidos, e os sistemas também podem ser classificados em:
• Sistemas de Absorção Intermitentes • Sistemas de Absorção Contínuos
Sistemas de Absorção Intermitente
Os equipamentos de refrigeração por absorção intermitentes para uso domestico, pela sua simplicidade foram muito utilizados desde 1823, quando foi criado por Carré, até aproximadamente 1930, e que tinham como inconveniente o fato de ser necessário estar continuamente realizando sua Fase Preparatória, ou destilação do refrigerante, para conseguir-se o funcionamento do mesmo.
Alguns dos equipamentos de refrigeração intermitentes muito utilizados foram o "Ice-Ball" (Bola de Gelo), utilizados no início do seculo 20, além dos modelos "Trukold" e o "Superflex", que será detalhado abaixo, e que usavam Água como Absorvente Liquido e Amônia como Refrigerante. Apesar de não muito utilizados existiu também equipamentos de absorção utilizando "Absorvente Sólido" que foram produzidos, não com muito sucesso, nos Estados Unidos.
Sistema Intermitente usando Absorvente Sólido de uso domestico.
Um esquema de um ciclo de absorção utilizando um absorvente liquido, como Cloreto de Prata, utiliza os mesmos princípios das idéias de Faraday, e seu esquema básico de funcionamento pode ser observado na Figura a seguir. Este tipo de sistema foi comercializado com o nome de "Refrigerador Faraday" e foi construido pela empresa Faraday Refrigerator Corp.
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Figura - Unidade elementar de refrigeração com absorvente sólido com condensador resfriado a água.
Aplicando-se calor ao Gerador ou elemento Absorvedor a amônia na forma de vapor se desprendera, da massa sólida de cloreto de prata, aumentando a pressão, até o ponto em que o Condensador resfriado a água ou a ar retirará suficiente calor para liqüefazer o gás a esta pressão elevada. O refrigerante se liquefara no Condensador e passará para o deposito de liquido, forçado pela pressão do vapor que entra no condensador.
Depois que o Deposito de Liquido e o Condensador contém suficiente quantidade de amônia, interrompe-se o aquecimento e o Gerador resfria. Quando a temperatura do Absorvedor abaixar, o que acarretará também em uma queda da pressão do sistema, este começa a reabsorver a amônia que se evapora na Unidade Resfriadora, retirando para isto calor deste local. A medida que o vapor de amônia vai retornando para o Absorvedor vai se transformando em liquido, começa ocorrer um aumento de temperatura dentro do Absorvedor, sendo ncecessário retirar este calor.
O aparelho esta construido de tal forma que pode obter a amônia somente da unidade Resfriadora, tornando-se necessário que se produza uma evaporação da mesma, ocasionando uma remoção de calor da Unidade Resfriadora e do ambiente próximo a ela. Se esta unidade Resfriadora estiver localizada em uma caixa isolada, um refrigerador, terá sua temperatura reduzida.
Quando toda a amônia for novamente absorvida pelo Absorvedor, o resfriamento na Unidade Resfriadora deixa de existir, e deve-se novamente retomar toda a operação.
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Sistema Intermitente usando Absorvente Líquido
O refrigerador "Superflex", de uso domestico foi construído e comercializado pela empresa americana Perfection Stove Co., por volta dos anos 30, e foi um grande concorrente, na época, do refrigerador "Ice-Ball", foi muito utilizado em locais onde não havia fornecimento de energia elétrica, e seu funcionamento se baseava na queima de querosene.
O ciclo de refrigeração por absorção do "Superflex" era baseado nos princípios de Faraday e também estava dividido em duas etapas de funcionamento a de destilação de refrigerante para a Geração da Amônia ou "Fase Preparatória" e a Refrigeração. Na fase inicial de Geração da Amônia, a amônia está misturada com água em um Tanque ou Gerador (A), conforme observado no esquema da Figura a baixo, sob a qual estão localizados alguns Queimadores a Querosene (M). Quando os Queimadores estão acesos e calor esta sendo fornecido ao Gerador, a amônia por ser mais volátil se separada, por evaporação, da mistura de água-amônia.
Figura - Geração da amônia, Fase inicial, de funcionamento de um refrigerador intermitente de absorção "Superflex".
Ao vapor de amônia é forçado pelo Tubo (D) a passar através da serpentina do Condensador (E), a qual esta mergulhada em água contida dentro do Tanque (B), colocado na parte superior do refrigerador. A diminuição da temperatura produz a
condensação do vapor de amônia a mesma pressão da geração.
SENAI “Oscar Rodrigues Alves” Prof. Valter Rubens Gerner resfriamento do tanque.
A amônia liquida cai através de um tubo no Deposito de Liquido (C) que esta envolto em um isolante térmico (F) para evitar o resfriamento excessivo do compartimento de alimentos, passando em seguida à Unidade de Resfriamento ou Evaporador Inundado (K) que esta rodeada de Salmoura (H).
A Salmoura (H) onde estava contido do Evaporador (K) tinha a finalidade de aumentar a inércia térmica do refrigerador, ou seja manter a baixa temperatura do sistema durante o período de Geração da Amônia.
O processo continua durante um período relativamente curto de tempo, aproximadamente 60 minutos, até ser consumido todo o querosene, apagando-se automaticamente os queimadores, dando inicio a segunda etapa do processo. A segunda etapa do processo ou a Refrigeração se inicia a medida que o Gerador (A) se resfria a temperatura ambiente, a amônia começa a se evaporar a temperatura muito baixa na unidade Evaporadora (K), porque à medida que o Gerador (A) se resfria tende a absorver o vapor de amônia, reduzindo a pressão e permitindo a evaporação da amônia liquida no Evaporador (K), esta evaporação seguida do abaixamento da temperatura origina o efeito refrigerante no compartimento de alimentos.
A água do Gerador (A) se resfria rapidamente depois que os queimadores de apagam e como a água fria possui forte afinidade com a amônia, o vapor formado na unidade Evaporadora (K) volta ao Gerador (A), através do Tubo (G), conforme indica as setas na Figura a seguir. Como a amônia esta sendo absorvida pela água, do Gerador, este passa a receber o nome de Absorvedor (A), devido a função que ele esta desempenhando.
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Figura - Refrigeração, Segunda Etapa, de funcionamento um Refrigerador intermitente de absorção "Superflex".
Em outras palavras, o calor dos Queimadores impele a amônia do Gerador (A) para a Unidade Evaporadora (K) em um curto espaço de tempo. A amônia vaporiza na Unidade Evaporadora e volta lentamente ao Gerador, que agora esta executando a função de Absorvedor (A). A vaporização da amônia durava em torno de 24 a 36 horas, findo este tempo deveria ser novamente repetido todo o processo, acendendo os queimadores, após o reservatório de querosene ser reabastecido.
Atualmente não existem mais refrigeradores de absorção intermitente para uso domestico pois os mesmos perderam sua posição para os equipamentos de refrigeração de uso continuo, tanto absorção como os mecânicos, que possuem maior praticidade.
Contudo estes equipamentos poderiam atender algumas regiões mais carentes do pais devido a seu baixo custo de produção, usando como meio de fornecimento de calor o próprio querosene, ou adaptado para queima de outros combustíveis tais como lenha, carvão, etc.
Sistema de Absorção Continuo
O sistema de absorção continuo é aquele que simultaneamente, pode condensar e evaporar o refrigerante. Para se tornar continuo o funcionamento de uma instalação de
SENAI “Oscar Rodrigues Alves” Prof. Valter Rubens Gerner pressão entre as duas fases do processo, Fase de Geração com maior valor de pressão e a Fase de Refrigeração com menor valor.
Nos pequenos sistemas de absorção continuo a solução adotada foi a de equilibrar as pressões totais, nas duas fases do processo, adotando na parte de baixa pressão do processo, Evaporação e Absorção, um gás neutro, o Hidrogênio (H2) , que tornou
possível a continuidade do sistema, sendo este operado através do uso de controles automáticos.
Estes Sistemas de Absorção Continuo de uso domestico utilizam a amônia como refrigerante e a água como Absorvedor, e o calor é fornecido ao Gerador por combustão direta de propano ou um elemento aquecedor elétrico ou ambos. Muitas empresas produziram variações deste sistema de absorção sendo que o
funcionamento básico de todos eles se baseava no seguinte;
O calor fornecido ao Gerador, Figura a seguir, aquece a solução de água e amônia, fazendo evaporar a amônia, que é mais volátil que a água.
Figura - Sistema simplificado de um refrigerador domestico de funcionamento continuo empregando água-amônia e hidrogênio
O vapor de amônia passa através do Tubo de Passagem, levando consigo porções de água até um Separador. Do Separador, o líquido absorvente é drenado por gravidade
SENAI “Oscar Rodrigues Alves” Prof. Valter Rubens Gerner através de um sifão de liquido em tubo com forma de "U" para o Absorvedor esfriado a ar, enquanto o vapor de amônia, menos denso, passa diretamente para o condensador resfriado a ar onde se condensa.
A amônia liquida é então drenada, por gravidade, do Condensador através do sifão em forma de "U" para o Evaporador. A evaporação da amônia dentro do Evaporador se processa na presença do Hidrogênio, (H2) , de modo que a pressão parcial da amônia
seja suficientemente baixa para obter-se a temperatura de refrigeração desejada. Este principio da pressão parcial esta baseada na Lei de Dalton (*).
O vapor de amônia acompanhado de algum gás hidrogênio, passa do Evaporador para o Absorvedor onde o vapor da amônia entra em solução com o absorvente, enquanto que o gás de hidrogênio por ser muito difusível só se apresenta com a amônia na fase gasosa não tendo e também afinidade com o absorvente, passa através do Absorvedor e retorna ao Evaporador.
Os dois tubos em "U" existentes no sistema servem para manter o gás Hidrogênio preso no Evaporador e no Absorvedor, onde a pressão parcial da amônia deve ser mantida, evitando que o mesmo passe para o lado do Separador, Gerador e Condensador.
Nota(*): A lei de Dalton, determina que se dois ou mais gáses ocupam um sistema a pressão total exercida por estes gases é a soma da pressão parcial de cada gás, como se cada gás ocupasse sozinho o sistema. Desta forma a pressão do Gerador, Absorvedor e Condensador é semelhante a pressão total do Evaporador e Absorvedor, só que nestes a pressão é exercida pelo soma das pressões parciais do Hidrogênio e Amônia.
Sistema de Absorção Continuo de uso Doméstico - "SERVEL"
O primeiro refrigerador de absorção continuo de uso domestico que mais se popularizou, e que tinha com resfriamento a água, foi criado pelos engenheiros suecos Baltzar von Platen e Carl Georg Munters, e comercializado pela empresa A.B.Eletrolux da Suécia em 1925. Este sistema foi licenciado e fabricado nos Estados Unidos em 1927 pela organização Servel Inc. com o nome de sistema "Servel", esta empresa fabrica refrigeradores de absorção de uso domestico até os dias atuais.
O moderno sistema "Servel", Figura a seguir,com resfriamento a ar, usa amônia como refrigerante e água como absorvente e é utilizado o Hidrogênio, (H2), para se criar uma
pressão parcial no Absorvedor e Evaporador que permitira a evaporação da amônia a baixa pressão. Na Figura a letra (A) representa a amônia e a letra (H) o hidrogênio. Quando se fornece calor para o Gerador (1), pela queima de gás ou resistência elétrica, aquece-se a solução água-amônia, a uma temperatura de aproximadamente
SENAI “Oscar Rodrigues Alves” Prof. Valter Rubens Gerner parte (1b) , sobe pelo tubo (10) nesta subida o vapor de amônia carrega consigo uma parcela da solução água-amônia, até a parte superior do Separador (11).
A maior parte da solução liquida água-amônia assenta no fundo do Separador (11) e daí passa através do Intercambiador de Calor (9) e daí para o Absorvedor (4). O vapor de amônia por ser menos densa, sobe pelo tubo central no interior do Separador (11) e se caminha para o Analisador (6).
Dentro do Analisador (6) e separado qualquer vapor de água que possa ter sido carregado junto com o vapor de amônia que sobe para o Retificador (7).
SENAI “Oscar Rodrigues Alves” Prof. Valter Rubens Gerner O Retificador (7) é um trocador de calor esfriado a ar que consiste de um tubo onde estão fixado uma série de aletas externas, sua finalidade e eliminar qualquer vestígios de vapor de água que possam estar contido no vapor de amônia, a fim de assegurar um vapor de amônia puro. No retificador o vapor de água é condensado e por gravidade retorna ao Analisador (6).
Do Retificador (7) o vapor de amônia entra no Condensador (2), que se consiste de um trocador de calor a ar construído por uma série de tubos dobrados onde são fixados aletas externas. O Retificador (7) assegura que qualquer vapor de água ainda existente na amônia condensará ao analisador (6).
Dentro do Condensador (2) o vapor de amônia passa a perder calor para o meio exterior e parte dela é condensada transformando-se em liquido, em (2a), e se encaminha para o Evaporador (3). A primeira parte da amônia pura que se condensou (2a) entra no Evaporador em (3b). Ainda no Condensador, dentro da parte (2b) condensa a parte restante da amônia.
O tubo em "U" , funciona como um sifão, m formando um deposito de liquido no seu interior do ciclo, quando a amônia alcança determinado nível, escoa por gravidade, para a serpentina do Evaporador (3a) e (3b). O Evaporador é constituído por uma série de tubos dobrados com aletas externas, onde dentro dele a amônia vai evaporar e absorver calor do compartimento de alimentos do refrigerador, produzindo também congelamento de água em cubos de gelo.
O hidrogênio, (H2) , dentro do evaporador , permite criar uma pressão parcial da
amônia suficientemente baixa para obter-se a temperatura de refrigeração desejada. Este principio da pressão parcial esta baseada na Lei de Dalton.
A amônia liquida ao entrar no Evaporador (3a) entra em contato com a mistura gasosa Hidrogênio, (H2), e amônia, que subiu pela parte externa do Intercambiador de Calor
(8). A mistura é muito pobre em amônia e esta tem uma pressão parcial muito pequena, desta forma a amônia liquida que entra no Evaporador (3a) deve ter uma pressão parcial maior que a da amônia na mistura para que a difusão possa ocorrer. A pressão total do sistema Evaporador (3) e Condensador (2) são iguais, com um valor aproximado de 2000 kPa, para se conseguir uma temperatura no evaporador de -20 0C, a pressão de saturação (parcial) da amônia deve ser de 190,7 kPa, para que isto aconteça a pressão parcial do hidrogênio será de 1809,3 kPa.
A temperatura dentro do Evaporador (3) não é constante, pois ao entrar no Evaporador em (3a) a amônia liquida tem uma pressão parcial menor dentro da mistura, gerando uma menor temperatura (-20 0C) no Evaporador (3a). Na segunda parte do Evaporador (3b) a amônia no estado de vapor possui uma maior pressão
SENAI “Oscar Rodrigues Alves” Prof. Valter Rubens Gerner Evaporador (3b).
Quanto maior for a massa de hidrogênio dentro do sistema maior será a sua pressão parcial e portanto menor será a pressão parcial da amônia que causara uma menor temperatura de evaporação.
A amônia evaporada, dentro do Evaporador (3), e se difunde na mistura, hidrogênio e vapor de amônia, aumentando a sua densidade. Esta mistura rica em amônia movido pela diferença de densidade, desce através do tubo central do Intercambiador de Calor (8) até o Absorvedor (4).
Dentro do Absorvedor (4) o vapor da amônia entra em solução com o absorvente enquanto que o hidrogênio, por ser muito difusível só com a amônia na fase vapor, não tendo afinidade com o absorvente, se libera, e junto com uma pequena parcela de vapor de amônia, passa através do tubo externo do Intercambiador de Calor (8) e retorna ao Evaporador (3).
Enquanto isso, a solução diluída pobre de amônia e água, que se encontra no Separador (11), passa através da parte central do tubo do Intercambiador de Calor de Líquido (9) e pelo tubo aletado externamente do Trocador de Calor a Ar (12) para dentro do Absorvedor (4).
O Absorvedor (4) é um trocador de calor resfriado a ar constituído de um tubo aletado externamente, dentro do qual se resfria o absorvente, solução de água pobre em amônia. A solução absorvente "fria", e rica em água, absorve o vapor de amônia, da solução vapor de amônia e hidrogênio, vinda do Evaporador (3). A solução de absorção da amônia e exotérmica, libera calor, que deve ser removido dentro dos tubos aletados externamente do Absorvedor (4).
A solução agora concentrada, rica em amônia, fria e mais densa, desce pela parte inferior do absorvedor (4), através da parte externa do Intercambiador de Calor de Liquido (9) para o Analisador (6) e daí para o Gerador (1), onde o ciclo se reinicia.
SENAI “Oscar Rodrigues Alves” - Agosto.2011
Valter Rubens Gerner
Eng. Mecânico, formado pela FEI, em Refrigeração e Ar Condicionado, em 1981.
Professor de Temofluidomecânica, Refrigeração e Climatização na Escola SENAI "Oscar Rodrigues Alves"
