Refrigerador de absorção - Absorption refrigerator

Termodinâmica
O motor térmico clássico de Carnot
Galhos Clássico Estatístico Químico Termodinâmica quântica Equilíbrio  / Não equilíbrio
Leis Zero Primeiro Segundo Terceiro
Sistemas Sistema fechado Sistema isolado Estado Equação de estado Gás ideal Gás real Estado da matéria Fase (matéria) Equilíbrio Volume de controle Instrumentos Processos Isobárico Isocórico Isotérmico Adiabático Isentrópico Isentálpico Quasistático Politrópico Expansão grátis Reversibilidade Irreversibilidade Endoreversibilidade Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiência térmica
Propriedades do sistema Nota: Variáveis ​​conjugadas em itálico Diagramas de propriedade Propriedades intensivas e extensas Funções de processo Trabalhar Aquecer Funções de estado Temperatura  / Entropia  ( introdução ) Pressão  / Volume Potencial químico  / número de partículas Qualidade do vapor Propriedades reduzidas
Propriedades do material Bancos de dados de propriedades Capacidade de calor específica  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ parcial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ parcial T}$ Compressibilidade  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ parcial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ parcial p}$ Expansão térmica  ${\ displaystyle \ alpha =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ parcial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ parcial T}$
Equações Teorema de Carnot Teorema de Clausius Relação fundamental Lei do gás ideal Relações de Maxwell Relações recíprocas do Onsager Equações de Bridgman Tabela de equações termodinâmicas
Potenciais Energia livre Entropia livre
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Cientistas Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
De outros Nucleação Auto-montagem Auto-organização Ordem e desordem
Categoria
v t e

Um refrigerador de absorção é um refrigerador que usa uma fonte de calor (por exemplo, energia solar , uma chama de combustível fóssil, calor residual de fábricas ou sistemas de aquecimento urbano ) para fornecer a energia necessária para conduzir o processo de resfriamento. O sistema usa dois refrigerantes, o primeiro dos quais realiza o resfriamento evaporativo e é então absorvido pelo segundo refrigerante; o calor é necessário para redefinir os dois refrigerantes aos seus estados iniciais. O princípio também pode ser usado para climatizar edifícios usando o calor residual de uma turbina a gás ou aquecedor de água . Usar o calor residual de uma turbina a gás torna a turbina muito eficiente porque ela produz primeiro eletricidade , depois água quente e, finalmente, ar condicionado - trigeração . Os refrigeradores de absorção são comumente usados ​​em veículos recreativos (RVs), campistas e caravanas porque o calor necessário para alimentá-los pode ser fornecido por um queimador de combustível propano, por um aquecedor elétrico CC de baixa tensão (de uma bateria ou sistema elétrico do veículo) ou por um aquecedor elétrico alimentado pela rede . Ao contrário dos sistemas de refrigeração de compressão de vapor mais comuns , um refrigerador de absorção pode ser produzido sem peças móveis além dos refrigerantes.

História

Nos primeiros anos do século XX, o ciclo de absorção de vapor usando sistemas de água-amônia era popular e amplamente utilizado, mas após o desenvolvimento do ciclo de compressão de vapor ele perdeu muito de sua importância devido ao seu baixo coeficiente de desempenho (cerca de um quinto do ciclo de compressão de vapor). Os refrigeradores de absorção são uma alternativa popular aos refrigeradores de compressor regular, onde a eletricidade não é confiável, cara ou indisponível, onde o ruído do compressor é problemático ou onde o calor excedente está disponível (por exemplo, de exaustores de turbinas ou processos industriais ou de plantas solares).

Em 1748, enquanto em Glasgow, William Cullen inventou a base para a refrigeração moderna, embora não seja creditado com uma aplicação utilizável. Mais informações sobre a história da refrigeração podem ser encontradas no parágrafo Pesquisa de refrigeração na página Refrigeração .

A refrigeração por absorção usa o mesmo princípio da refrigeração por adsorção (observe que a segunda letra é diferente), que foi inventada por Michael Faraday em 1821, mas em vez de usar um adsorvente sólido, em um sistema de absorção, um absorvedor absorve o vapor refrigerante em um líquido .

O resfriamento por absorção foi inventado pelo cientista francês Ferdinand Carré em 1858. O projeto original usava água e ácido sulfúrico. Em 1922, Baltzar von Platen e Carl Munters , enquanto ainda eram alunos do Royal Institute of Technology em Estocolmo , Suécia , aprimoraram o princípio com uma configuração de três fluidos. Este projeto "Platen-Munters" pode operar sem uma bomba.

A produção comercial começou em 1923 pela empresa recém-formada AB Arctic , que foi comprada pela Electrolux em 1925. Na década de 1960, a refrigeração por absorção viu um renascimento devido à grande demanda por refrigeradores para caravanas (reboques de viagem). A AB Electrolux estabeleceu uma subsidiária nos Estados Unidos, chamada Dometic Sales Corporation. A empresa comercializava refrigeradores para veículos recreativos (RVs) da marca Dometic . Em 2001, a Electrolux vendeu a maior parte de sua linha de produtos de lazer para a empresa de capital de risco EQT, que criou a Dometic como uma empresa independente. A Dometic ainda vende geladeiras de absorção em 2021.

Em 1926, Albert Einstein e seu ex-aluno Leó Szilárd propuseram um design alternativo conhecido como geladeira Einstein .

Na Conferência TED de 2007 , Adam Grosser apresentou sua pesquisa de uma nova unidade de refrigeração de vacina de "absorção intermitente", muito pequena, para uso em países do terceiro mundo. A geladeira é uma pequena unidade colocada sobre uma fogueira, que pode mais tarde ser usada para resfriar 15 litros de água até um pouco acima do ponto de congelamento por 24 horas em um ambiente de 30 ° C.

Princípios

Os refrigeradores de absorção comum usam um refrigerante com um ponto de ebulição muito baixo (menos de −18 ° C (0 ° F)), assim como os refrigeradores de compressor . Os refrigeradores de compressão normalmente usam um HCFC ou HFC , enquanto os refrigeradores de absorção normalmente usam amônia ou água e precisam de pelo menos um segundo fluido capaz de absorver o refrigerante, o absorvente , respectivamente água (para amônia) ou salmoura (para água). Ambos os tipos usam resfriamento evaporativo : quando o refrigerante evapora (ferve), ele leva um pouco de calor com ele, proporcionando o efeito de resfriamento. A principal diferença entre os dois sistemas é a maneira como o refrigerante é transformado de gás em líquido para que o ciclo possa se repetir. Um refrigerador de absorção transforma o gás de volta em líquido usando um método que só precisa de calor e não tem outras partes móveis além dos fluidos.

O ciclo de resfriamento por absorção pode ser descrito em três fases:

1. Evaporação : Um refrigerante líquido evapora em um ambiente de baixa pressão parcial , extraindo calor de seu ambiente (por exemplo, o compartimento do refrigerador). Devido à baixa pressão parcial, a temperatura necessária para a evaporação também é baixa.
2. Absorção : O segundo fluido, no estado esgotado, suga o refrigerante agora gasoso, fornecendo assim a baixa pressão parcial. Isso produz um líquido saturado de refrigerante que então flui para a próxima etapa:
3. Regeneração : O líquido saturado com refrigerante é aquecido, fazendo com que o refrigerante evapore.

uma. A evaporação ocorre na extremidade inferior de um tubo estreito; as bolhas de gás refrigerante empurram o líquido sem refrigerante para uma câmara superior, de onde fluirá por gravidade para a câmara de absorção.

b. O refrigerante gasoso quente passa por um trocador de calor, transferindo seu calor para fora do sistema (como para o ar em temperatura ambiente) e condensa em um local mais alto. O refrigerante condensado (líquido) fluirá por gravidade para fornecer a fase de evaporação.

O sistema, portanto, fornece silenciosamente para a circulação mecânica do líquido sem uma bomba normal. Um terceiro fluido, gasoso, geralmente é adicionado para evitar problemas de pressão quando ocorre condensação (veja abaixo).

Em comparação, um refrigerador compressor usa um compressor, geralmente movido por um motor elétrico ou de combustão interna, para aumentar a pressão no refrigerante gasoso. O gás quente resultante de alta pressão é condensado em uma forma líquida por resfriamento em um trocador de calor ("condensador") que é exposto ao ambiente externo (geralmente o ar da sala). O refrigerante condensado, agora a uma temperatura próxima à do ambiente externo, mas a uma pressão mais elevada, passa então por um orifício ou válvula borboleta para a seção do evaporador. O orifício ou válvula borboleta cria uma queda de pressão entre a seção do condensador de alta pressão e a seção do evaporador de baixa pressão. A pressão mais baixa na seção do evaporador permite que o refrigerante líquido evapore, o que absorve o calor do compartimento de alimentos do refrigerador. O refrigerante agora vaporizado volta para o compressor para repetir o ciclo.

Sistema simples de sal e água

Um sistema de refrigeração de absorção simples comum em grandes fábricas comerciais usa uma solução de brometo de lítio ou cloreto de lítio e água. A água sob baixa pressão é evaporada das serpentinas que serão resfriadas. A água é absorvida por uma solução de brometo de lítio / água. O sistema tira a água da solução de brometo de lítio com calor.

Refrigeração por absorção de spray de água

Sistema de absorção de spray de água

Outra variante usa ar, água e uma solução de água salgada. A entrada de ar quente e úmido é passada por uma solução pulverizada de água salgada. O spray reduz a umidade, mas não altera significativamente a temperatura. O ar menos úmido e quente passa então por um resfriador evaporativo , que consiste em um jato de água doce, que resfria e reumidifica o ar. A umidade é removida do ar resfriado com outro spray de solução salina, fornecendo a saída de ar frio e seco.

A solução de sal é regenerada aquecendo-a sob baixa pressão, fazendo com que a água evapore. A água evaporada da solução de sal é re-condensada e redirecionada de volta ao refrigerador evaporativo.

Refrigeração de absorção de pressão única

Refrigerador de absorção doméstico.
1. O hidrogênio entra no tubo com a amônia líquida
2. A amônia e o hidrogênio entram no compartimento interno. O aumento do volume causa uma diminuição na pressão parcial da amônia líquida. A amônia evapora, tirando calor da amônia líquida (ΔH _Vap ) baixando sua temperatura. O calor flui do interior mais quente do refrigerador para o líquido mais frio, promovendo uma maior evaporação.
3. A amônia e o hidrogênio retornam do compartimento interno, a amônia retorna ao absorvedor e se dissolve na água. O hidrogênio está livre para subir.
4. Condensação de gás amônia (resfriamento passivo).
5. Gás de amônia quente.
6. Isolamento térmico e destilação de gás amônia da água.
7. Fonte de calor elétrica.
8. Recipiente absorvedor (água e solução de amônia).

Imagem térmica de um refrigerador de absorção doméstico de tipo comparável ao da imagem rotulada acima. A cor indica a temperatura relativa: azul = frio, vermelho é o mais quente. A fonte de calor (7) está contida inteiramente dentro da seção de isolamento (6).

Um refrigerador de absorção de pressão única aproveita o fato de que a taxa de evaporação de um líquido depende da pressão parcial do vapor acima do líquido e aumenta com a pressão parcial mais baixa. Embora tenha a mesma pressão total em todo o sistema, o refrigerador mantém uma baixa pressão parcial do refrigerante (portanto, alta taxa de evaporação) na parte do sistema que extrai o calor do interior de baixa temperatura do refrigerador, mas mantém o refrigerante em alta pressão parcial (portanto, baixa taxa de evaporação) na parte do sistema que expele calor para o ar em temperatura ambiente fora do refrigerador.

A geladeira usa três substâncias: amônia , gás hidrogênio e água . O ciclo é fechado, com todo o hidrogênio, água e amônia coletados e reaproveitados indefinidamente. O sistema é pressurizado à pressão onde o ponto de ebulição da amônia é superior à temperatura da serpentina do condensador (a serpentina que transfere calor para o ar fora do refrigerador, por ser mais quente do que o ar externo). Essa pressão é normalmente 14– 16 atm na qual a pressão do ponto de orvalho da amônia será de cerca de 35 ° C (95 ° F).

O ciclo de resfriamento começa com amônia líquida em temperatura ambiente entrando no evaporador. O volume do evaporador é maior que o volume do líquido, com o espaço excedente ocupado por uma mistura de amônia gasosa e hidrogênio. A presença do hidrogênio diminui a pressão parcial do gás amônia, fazendo com que o ponto de evaporação do líquido fique abaixo da temperatura do interior do refrigerador. A amônia evapora, tirando uma pequena quantidade de calor do líquido e baixando a temperatura do líquido. Ele continua a evaporar, enquanto a grande entalpia de vaporização (calor) flui do interior do refrigerador mais quente para a amônia líquida mais fria e então para mais gás de amônia.

Nas próximas duas etapas, o gás amônia é separado do hidrogênio para que possa ser reutilizado.

1. A mistura de amônia (gás) e hidrogênio (gás) flui através de um tubo do evaporador para o absorvedor. No absorvedor, essa mistura de gases entra em contato com a água (tecnicamente, uma solução fraca de amônia em água). A amônia gasosa se dissolve na água, enquanto o hidrogênio, que não o faz, se acumula no topo do absorvedor, deixando a agora forte solução de amônia e água no fundo. O hidrogênio agora está separado, enquanto a amônia está dissolvida na água.
2. A próxima etapa separa a amônia e a água. A solução amônia / água flui para o gerador (caldeira), onde o calor é aplicado para evaporar a amônia, deixando para trás a maior parte da água (que tem um ponto de ebulição mais alto). Algum vapor de água e bolhas permanecem misturados com a amônia; essa água é retirada na etapa final de separação, passando-a pelo separador, uma série de tubos retorcidos em aclive com pequenos obstáculos para estourar as bolhas, permitindo que o vapor d'água se condense e escoe de volta para o gerador.

O gás de amônia pura então entra no condensador. Nesse trocador de calor , o gás de amônia quente transfere seu calor para o ar externo, que está abaixo do ponto de ebulição da amônia sob pressão total e, portanto, condensa. A amônia condensada (líquida) flui para baixo para ser misturada com o gás hidrogênio liberado da etapa de absorção, repetindo o ciclo.

Veja também

• Refrigeração por adsorção
• Icyball
• Geladeira de absorção quântica
• Refrigerador RV

Referências

Leitura adicional

• Levy, A .; Kosloff, R. (2012). "Refrigerador de absorção quântica". Phys. Rev. Lett . 108 (7): 070604. arXiv : 1109.0728 . Bibcode : 2012PhRvL.108g0604L . doi : 10.1103 / PhysRevLett.108.070604 . PMID  22401189 . S2CID  6981288 .

links externos

• Bombas de calor de absorção ( Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável ).
• Explicação da Arizona Energy com diagramas
• Ciclo de Brometo de Lítio / Água - Refrigeração por Absorção para Resfriamento do Campus na BYU.
• American National Standards Institute . "Padrão AHRI 560–2000 para refrigeradores de absorção" (PDF) . Arquivado do original (PDF) em 31/10/2012 . Página visitada em 2012-03-31 .