refrigeração por absorção
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REFRIGERAOPORABSORO
Elaboradopor:
AlanSbravatiRA970137
AndrFleurySguerraSilvaRA970238
1.INTRODUO
Consideraeseconmicaseambientais trouxeramumnovo interessenos refrigeradoresalimentados por uma fonte de calor. Um esforo considervel de pesquisa tem sidoinvestidonoestudodesistemasderefrigeraodessetiponosltimosanos.Essessistemaspodemutilizarfontesdeenergiarenovveis,taiscomogasesquentesexpelidosporoutrossistemas,oumesmoenergiasolar.Emsituaesespeciais,ondeapreservaodoambiente prioridade, a refrigerao solar uma alternativa na conservao de alimentos esuprimentomdico.Quandoa refrigerao temdeser fornecidademaneira ininterrupta,tornasenecessrioestabelecerumafontedeenergiasuplementar,talcomoumqueimadorags,aindaassimseapresentandocomoumaboaalternativa,jqueparaaenergiatrmicaso necessrias fontes bem menos nobres do que para a energia eltrica, sendo esta aprincipalvantagemdosistema.
1.1.Notahistrica
OfrancsFerdinandCamiinventouosistemadeabsoroetirouumapatentenosEstados
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Unidosem1860.OprimeirousodosistemanosEstadosUnidosfoiprovavelmentefeitopelosEstadosConfederadosduranteaGuerraCivilpara suprimentodegelonaturalquehaviasidocortadopelonorte.
1.2.Aspectosgeraisdosistema
O ciclode absoro similar emcertos aspectos ao ciclode compressodevapor.Umcicloderefrigeraoiroperarcomocondensador,avlvuladeexpansoeoevaporador,se o vapor de baixa presso do evaporador puder ser transformado em vapor de altapressoeentregueaocondensador.0sistemadecompressodevaporusaumcompressorparaesta tarefa.Osistemadeabsoroprimeiroabsorvevapordebaixapressoemumlquido absorvente apropriado. Incorporado no processo de absoro h a converso devaporemlquido,desdequeesseprocessosimilaraodecondensao,ocalorprecisaserrejeitado durante o processo. O passo seguinte elevar a presso do lquido com umabomba,eopassofinalliberarovapordolquidoabsorventeporadiodecalor.
Ociclodecompressodevapordescritocomoumciclooperadoa trabalhoporqueaelevaodapressodorefrigeranteconseguidaporumcompressorquerequertrabalho.Ociclodeabsoro,poroutrolado,referidocomociclooperadoacalorporqueamaiorpartedocustodeoperaoassociadacomofornecimentodecalorqueliberaovapordolquidodealtapresso.Naverdadeexisteanecessidadedealgumtrabalhoparaacionarabombanociclodeabsoro,masaquantidadedetrabalhoparaumadadaquantidadederefrigeraomnima,comparadacomaquelaqueserianecessrianociclodecompressodevapor.
2.Ociclodeabsoro
O ciclo de absoro bsico mostrado na figura 2. O condensador e evaporador somostrados na figura 1, e a operao de compresso proporcionada pela montagemapresentadanametadedodiagramaesquerda.
No evaporador h vapor de refrigerante de baixa presso. Este absorvido por umasoluo no absorvedor.Caso, a temperatura desta soluo se eleve a absoro de vaporpoderia cessar. Para evitar isto, o absorvedor resfriado por gua ou ar. A soluo noabsorvedorditaconcentrada,poiscontmgrandequantidadederefrigerante.Umabombaeleva a presso eleva a presso da soluo concentrada e faz com que esta entre no
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gerador.Nogerador,ocorreaadiodecalor(fontequeforneatemperaturaselevadas),fazendo com que o refrigerante volte ao estado de vapor. Este vapor est em elevadastemperaturaepresso.
Asoluolquida,queagoratembaixaconcentraoderefrigerante,retornaaoabsorvedorporvlvularedutoradepresso.Oobjetivodapresenadestavlvulamanteradiferenadepressoentreoabsorvedoreogerador.Noevaporadorhpassagemdeguafria,queresfriaovaporecondensaorefrigerante.Orefrigerantevaiparaoevaporadoratravsdeuma vlvula de expanso.No evaporador ocorre a passagem de um fluido que serresfriado(trocadecalorcomorefrigerante).Estefluidofornecercaloraorefrigerantequeevaporar(estembaixapresso).Esteoefeitoderefrigerao.
Fig.1Mtodosparaaumentodapressodovapor
Os fluxos de calor de e para os quatro trocadores de calor componentes do ciclo deabsoroocorremda seguinte forma: o calor de uma fonte de alta temperatura entra nogerador,enquantoqueocalorabaixatemperaturadasubstnciaqueestsendorefrigeradaentranoevaporador.A rejeiodecalordocicloocorrenoabsorvedorecondensadoratemperaturastaisqueocalorpossaserrejeitadoparaaatmosfera.
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Fig.2Aunidadedeabsorobsica
2.1.Tiposdesistemasdeabsoro
Sistemas de absoro so baseados em combinaes de substncias que possuempropriedadesnousuais:Umasubstnciairabsorveraoutraseminteraoqumicaentreelas.Aabsoroiracontecerquandoumadessasestiveremumatemperaturamaisbaixaeaseparaoquandoestaestivernumatemperaturamaisalta.Seessasubstnciaforumslidooprocessoserchamadodeadsorso,seelaforlquida,absoro.
Sistemasdeabsorosoclassificadoscomo:
Sistemasintermitentes
Sistemascontnuos
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Estessistemaspossuemvriasaplicaes,soelas:
DomsticaVeculosHotisIndustrialCondicionamentodear.
Tambmpodemserclassificadosquantoasuafontedecalor:
QueroseneGsnaturalVaporEnergiaeltricaEnergiasolar.
2.2Princpiosdosistemadeadsorso
Sistemas de adsorso em slidos se baseiam nos princpios descobertos em 1824 pelocientista britnico Michael Faraday em seus experimentos ele estudou a liquefao daamnia. Naquele tempo os cientista acreditavam que a amnia era um gs "fixo". Eraconsideradoimpossveltransformlaemslidooulquido.
Eleexpsvapordeamniaaump,cloretodeprata.Quandoocloretodeprataabsorveutodo o vapor, ele forneceu calor. Isto resultou na formao de um lquido. Contudo,quando o calor foi removido, ele percebeu que o lquido comeou a "ferver". Eleevaporava, retirando calor do ambiente. Nos dias de hoje, os sistemas de adsorso seutilizamdessemesmofenmeno.
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3.Princpiosdesistemasdeabsorointermitente
Para locais que no tem gs ou eletricidade como fonte de energia, os ciclos derefrigerao conhecido como super fex e true code so convenientes.O ciclo usado nosistema de absoro intermitente similar ao princpio de Faraday, mas tem algumaspropriedadesdiferentes.
Nafigura3,aamniamisturadacomguaemumtanquevedadoougerador.Emseguidaum queimador a querosene o aquece. O calor vindo do queimador retira a amnia damisturanaformadevapor.Estevaporforadopracimaporumabombaatravsdeumcondensador.Ocondensadorficaimersoemumtanquedeguanoaltodorefrigerador.
A gua contida no tanque refrigera o vapor de amnia contido no condensador que secondensaaumapressoalta.Estaamnialquidafluiatravsdeumcanoparaumtanque(nafigura:"liquidreceiver").Apartirdaelapassaparaoevaporador,queimersoemsalmoura.Otanqueisoladotermicamente.
O processo continua por um curto espao de tempo at que o querosene acabe. Oabsorvedor esfria at a temperatura do sistema, entretanto a amnia evapora emtemperaturas mais baixas no evaporador, isto ocorre porque como o gerador esfria eletende a reabsorver o vapor de amnia. Portanto isso reduz a presso e permite que aamnia lquidanoevaporadorentreemebulioaumatemperaturabaixa.Estaebuliocausaoefeitoderefrigeraodesejado.
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Fig.3Sistemadeabsorointermitente
4.Princpiosdosistemadeabsorocontnua
O sistema mais geralmente construdo utiliza gua, amnia e hidrognio. Quando osistemarefrigeracontinuamentechamadodesistemadeabsorocontnua.Umcicloderefrigeraocontnuaoperaautomaticamenteatravsdousodecontroladoresautomticos.
Muitasempresaspossuemvariaesdosistemabsico.Noentantooprincpiodeoperaosempreomesmo.Oqueimadoracesoeseucalorfornecidoparaogerador(Fig.41).Vapordeamniaseparadodasoluo,entofluiparacimaatravsdotubocoador(Fig.42).Essasoluolevadaparacimaatatingiroseparador(Fig.43).
A maior parte da soluo lquida depositada no fundo do separador e flui para o
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absorvedor.Ovapordeamniaestcomumadensidademenor,assimelesobeatravsdeumtubo(Fig.44)atocondensador.Entoaamniacondensadacainoevaporador.
Fig.4Sistemadeabsorocontnua.
Agrandequantidadedehidrogniopresentenoevaporadorpermitequeaamniaevapore.Istoocorreaumabaixapressoeumabaixatemperatura(princpiodeDalton).Duranteaevaporaoaamniaretiracalordocompartimentoderefrigerao.Estevapordeamniasemisturacomohidrognioqueestavanoevaporador.
Entoafracasoluodeamniafluiporgravidadepelooseparador,em3.Eladesceparao topo do absorvedor (Nota :Uma soluo "fraca" possui pouco vapor de amniaabsorvido. Uma soluo forte possui uma grande quantidade de vapor de amniadissolvido). Na parte superior do absorvedor, a soluo encontra a mistura de gshidrognioevapordeamniavindadoevaporador.Afracaerazoavelmentefriasoluoabsorveovapordeamnia.Ogshidrognioficalivrevistoquenosemisturacoma
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gua. Como o hidrognio tambm possui uma densidade pequena ele sobe at a partesuperiordoabsorvedor,dalieleretornaparaoevaporador.
O absorvedor possui aberturas para troca de calor como ar.O resfriamento da soluofraca ajuda a reabsoro de gs amnia da mistura gs hidrogniovapor de amnia.Quandoaguaabsorvevapordeamniaumaquantidadeconsiderveldecalorliberado.Asaberturasdeventilaoremovemessecalorpermitindoquearefrigeraocontinue.Amisturalquidadeguaeamniavoltaparaogeradoreociclorecomea.
5.Sistemasdeabsorocontnuascombomba
Ossistemasderefrigeraoporabsorocontnuoscombomba,fig.5,geralmenteutilizamamnia como refrigerante.Eles usamuma soluo aquosa de amnia como absorvedor.Qualquer trocador de calor pode ser usado, entretanto osmais comuns so gs natural,vaporouGLP,tambmpodendoutilizarcalorresidualdealgumafonte.
Osistemaopera sobduaspresses.Aaltapressoentre1484kPae2174kPa.Abaixapresso entre 380kPa e 518kPa. As partes de alta e baixa presso so separadas porvlvulasdeestrangulamento,umabombaououtrosequipamentosdecontrole.Osistemaoperacional pode ser dividido em quatro partes sendo elas gerador, condensador,evaporadoreabsorvedor.
Ogeradoraquecidoporumqueimadorverticalocalorfazo lquidofervereaamniaque estava dissolvida evaporar. O vapor sobe atravs de um tubo para o condensadorventilado.Nocondensadorremovidocalordovaporparaoar,condensandoovaporqueentoatuacomorefrigerante.Olquidorefrigerantepassaagoraaumaaltapressoparaoevaporador.Noevaporadorguacarregandocalordareaaserresfriadapassaatravsdetubos.Ocalordaguanostubostransferidoparaorefrigerante,queevapora.Aguanostubosqueestavamabaiatemperaturaretornaparaareaaserresfriadapodendoabsorvercalordessarea.Orefrigerantequeevaporanoevaporadordesceparaoabsorvedor.Daliorefrigerante lquido ento bombeado de volta para a soluo no gerador, repetindo oprocesso.
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Fig.5Sistemadeabsorocontnuoutilizandoumabombaparamantera
diferenadepressointerna
6.Ciclodeabsorocomtrocadordecalor
O exame do ciclo de absoro e das temperaturas de operao mostrados na figura 6,revelaqueasoluonoponto1deixaoabsorvedoraumatemperaturade30Ceprecisaseraquecidaa100Cnogerador.Similarmenteasoluonopontodoisdeixaogeradora100Ceprecisaserresfriadaat30Cnoabsorvedor.Umdosmaiorescustosdeoperaodossistemaestnocaloradicionadonogeradorqg,erealisticamentehaveralgumcustoassociadocomaremoodecalordoabsorvedorqa.Umaadiolgicaaociclosimplesadeum trocadordecalorcomomostradona figura6para transferircalorentreasduascorrentesdesolues.Estetrocadordecaloraqueceasoluofriadoabsorvedoremseucaminhoparaogeradoreesfriaasoluoqueretornadogeradorparaoabsorvedor.
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Fig.6Sistemadeabsorocomtrocadordecalor
7.Sistemadeduploefeito
O sistema de duplo efeitomostrado esquematicamente na Fig. 1714 uma unidade deabsorodeLiBrcomaeficinciamelhorada.Oaspectomaisimportantequedistingueosistemadeduplo efeito queeste incorporaumsegundogerador, gerador II, queusaovapordaguaquecondensaogerador1paraproverseuabastecimentodecalor.HatrsnveisdiferentesdepressoemcadavasomostradonaFig.1714,eumvapordepressomdia(daordemde1000kpa)supridoaogerador1emvezdovapordebaixapresso(aproximadamente120kl>a) fornecido aogerador emumaunidadedenico estgio.Asoluo deLiBr do gerador 1 passa atravs de um trocador de calor, onde ela transferecalorsoluofracadeLiBrqueescoaemdireoaogerador1.AsoluoquepassaparaogeradorIIaquecidaalipelovapordeguacondensantequefoidesviadodogeradorI.Emseguidaasoluopassaporumarestrioquereduzsuapressoparaaqueladovaso2.Emseguidareduodepresso,partedaguadasoluoexpandidasubitamentesevaporizando, para em seguida se liqefazer no condensador. A unidade de absoro deduplo efeito opera comCDEsmaiores do que as de simples estgio comomostrado nafigura7daprximapgina
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Fig.7CDEabsdeunidadesdeabsorodesimplesestgioededuploefeito
8.CoeficientedeEficciadeumCiclodeAbsoroIdeal
OcoeficientedeeficciadociclodeabsoroCDEabsdefinido
Emcertos aspectos a aplicaodo termoCDEparaos sistemasde absorono felizporqueoseuvalorapreciavelmentemenorqueosdosciclosdecompressodevapor(0,6versus 3, por exemplo). O valor comparativamente baixo do CDEabs no deve serconsideradoprejudicial para os ciclos de absoro, porque osCDEsdos dois ciclos sodefinidosdiferentemente.OCDEdociclodecompressodevaporarelaodataxaderefrigeraopelapotncianaformadetrabalhofornecidaparaoperarociclo.Energianaformadetrabalhonormalmentemuitomaisvaliosaecaraqueenergianaformadecalor.
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Uma compreenso adicional da distino das eficcias dos ciclos de absoro ecompressodevaporpodeseroferecidapeloexercciodedeterminaroCDEdociclodeabsoroideal.AFig.9sugerecomorealizarestaanlise,porqueosprocessosnosblocosdaesquerdaconsistemdeumciclodepotnciaquedesenvolveotrabalhonecessriopararealizaracompressodovapordoevaporadorparaocondensadornocicloderefrigerao.EstesdoisciclossomostradosesquematicamentenaFig.9.Ociclodepotncia recebeenergianaformadecalorqgaumatemperaturaabsolutaT,entregaalgumaenergiaWnaformadetrabalhoparaocicloderefrigeraoerejeitaumaquantidadedeenergiaqanaformadecalor temperaturaTa.Ocicloderefrigeraorecebeo trabalhoWecomeletransfere calor qe temperatura de refrigerao de Tr para a temperatura Ta, onde aquantidadeqcrejeitada.
O ciclo ideal operando com processos termodinamicamente reversveis entre duastemperaturas um ciclo de Carnot, que aparece como um retngulo no diagramatemperaturaentropia.ParaociclodepotnciadoladoesquerdodaFig.9
Fig.9Cicloderefrigeraooperadoacalorcomocombinaodeum
ciclodepotnciaeumderefrigerao
9. Combinao com Sistema de Compresso de Vapor emSistemasOperadoscomVapor
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Algumasinstalaesderesfriamentodeguadegrandescapacidadesusamcomofontedeenergiavapordealtapressoemumsistemaquecombinasistemadecompressodevaporeumsistemadeabsoro.ComomostradonaFig.1716,ovapordealtapressoprimeirose expande pela turbina, que fornece potncia para acionar o compressor do sistema decompressodevapor.Ovapordedescargadaturbinapassaparaogeradordosistemadeabsoro.Aguaaseresfriadapassaemsrieatravsdosevaporadoresdasduasunidadesderefrigerao.Estacombinaosemelhanteaotipodeusinadegeraodeenergiaemque parte da energia do vapor de alta presso usada para gerar energia eltrica e acondensaodovaporusadoparafornecerenergiaparaalgumprocessooucalefao.
Fig.10Sistemacombinadodeabsoroecompressodevapor
10.SistemaguaAmnia
EstetrabalhotemseconcentradoataquiemsistemasqueusamLiBrcomoabsorventeegua como refrigerante. Outros pares de substancias podem tambm funcionar comoabsorvente e refrigerante como, por exemplo, gua como absorvente e amnia comorefrigerante.Esta combinao chamada guaamnia foi usada em sistemas de absoro
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anosantesdacombinaoLiBrguatomarsepopular.Osistemaguaamnia,mostradoesquematicamente na Fig.11, consiste em todos os componentes previamente descritos:gerador, absorvedor, condensador, evaporador e trocador de calor da soluo,mais umretificadoreumanalisador.Anecessidadedelesocasionadapelofatodequeovaporderefrigeranteliberadonogerador(aamnia)contmtambmvapordegua.Quandoessaguaseencaminhaaoevaporadorelevaatemperaturaalireinante.Pararemoveromximodevaporde guapossvel, ovapor retiradodogeradorprimeiro flui emcontracorrenteparaasoluoqueentranoretificador.Emseguidaasoluopassaatravsdoanalisador,queumtrocadordecalorresfriadoaguaquecondensaalgumlquidoricoemgua,oqualdrenadodevoltaaoretificador.Umapequenaquantidadedevapordeguaescapaaoanalisadoredevefinalmentepassarcomoliquidodoevaporadorparaoabsorvedor.
Fig.11Sistemadeabsoroguaamnia
Em seguida apresentase uma comparao entre os sistemas guaamnia e LiBrguadoistemCDEabscomparveis.Osistemaguaamniacapazdeatingirtemperaturasdeevaporaoabaixode00C,pormosistemaLiBrgualimitadoemunidadescomerciaisa temperaturas no inferiores de 30C. O sistema guaamnia tem a desvantagem derequerercomponentesextraseavantagemdeoperarapressesacimadaatmosfrica.O
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sistema LiBrgua opera a presses abaixo da atmosfrica, resultando em infiltraesinevitveisdearnosistema,queprecisaserpurgadoperiodicamente.InibidoresespeciaisprecisamserincorporadosaossistemasLiBrguapararetardarcorroso
11.ConfiguraodeUnidadesdeAbsoroComerciais
A construo de uma instalao de absoro comercial tira proveito do fato de que ocondensadoreogeradoroperammesmapressoecombinamestescomponentesemummesmo vaso. Similarmente, desde que o evaporador e o absorvedor operam mesmapresso, estes componentes tambm podem ser instalados em um mesmo vaso, comomostradonaFig.12.Novasodealtapressoovapordeguadogeradorderivaparaocondensador,onde liqefeito, enquantoquenovasodebaixapressoovapordegualiberadonoevaporadorescoaparabaixoparaoabsorvedor.
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Fig.12Umarranjodecomponentesemumaunidadedeabsorocomercial
Paraaumentarataxadetransfernciadecalornoevaporadorumabombaderecirculaopulveriza a gua a ser evaporada sobre os tubos do evaporador para resfriar a gua dacargaderefrigerao.Notesequeaguageladaqueserveacargaderefrigeraoumcircuito separado da gua que serve como refrigerante na unidade de absoro. Amanutenodecircuitosseparadosdeguaajudaamanterumamaiorpurezanaunidadedeabsoroepermiteaguaqueserveacargaderefrigeraooperarapressesacimadaatmosfera.UmoutroaspectomostradonaFig.12queaguada torrede resfriamentopassaemsriepeloabsorvedorecondensador,extraindocalordeambososcomponentes.
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Fig.13Unidadederefrigeraoporabsorocomercial
NafotografiadaunidadedeabsorodaFig.13osvasosdealtaebaixapressespodemserdistinguidos.possvel tambmcombinar todosos componentes emumnicovasocomumseparadorinternoentreascmarasdealtaebaixapresses.
Estafiguramostraumdostiposdeconstruopossveisparaunidadesderefrigeraoporabsoro,sendoqueestaumaunidadequejfoicomercializada.
12. O Papel de Unidades de Absoro na Prtica deRefrigerao
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Ossistemasdeabsoropassarampormuitosaltosebaixos.FoipredecessordosistemadecompressodevapornoSculoXIXeossistemasguaamniatinhamgrandeaplicaoemrefrigeradoresdomsticosegrandesinstalaesindustriais,comoindstriasqumicasedeprocessos.OsistemaLiBrguafoicomercializadonosanos40e50comoresfriadoresde gua para ar condicionadode grandes edifcios.Eles eramenergizados por vapor ougua quente gerados em caldeiras a leo e gs natural. Nos anos 70 a substituio decombustodiretadeleoegsnaturalafetouaaplicaodeunidadesdeabsoro,masaomesmotempoabriuoutrasoportunidades,comoautilizaodecalorderivadodecoletoressolaresparaenergizarunidadesdeabsoro.Tambmemfunodoaumentocrescentedocustodaenergia,ocalordebaixonveldetemperatura(nafaixade90a1100C),queeraanteriormente rejeitadoparaaatmosferaem instalaesqumicasedeprocesso,agorafreqentemente usado para operar sistemas de absoro que fornece refrigeraonecessriaemalgumoutropontodafbrica.Acombinaodesistemasdeabsorocomsistemasdecompressodevapor,descritanaSeo8,umaoutraaplicaodeunidadesdeabsoroquepermaneceatrativa.
13.Concluso
Sistemasderefrigeraoporabsoroapresentamsecomoalternativaparaossistemasdecompressodevaporsendoquepossuemcomovantagemautilizaodeenergiatrmica,quemenosnobre,substituindoumapartedaenergiaeltricanecessriaparaobtenodoefeitodesejado.Comoestaenergiatrmicapodeserdequalquerfonte,comoporexemplocalorresidual,energiasolar,queimadecombustveis,etc.,osistemapodesetornarmaisinteressante na medida em que a energia eltrica encarecer. Ou ento para sistemascentraisdecondicionamento,ondeautilizaodeenergiaeltricaalta.
Na Unicamp existe um sistema construdo que utiliza soluo guaamnia. Ele utilizacalor residual da caldeira da lavanderia do Hospital da Unicamp para o aquecimentonecessrio no gerador, desta forma, comparandose com um sistema de compresso devaporparaamesmautilizao,consomecercade10%daenergiaeltricaconsumidaporeste. Existe ainda um projeto em andamento para a construo de um sistema de arcondicionadoquetenhacomonicafontedeenergiaaenergiasolar,paraissoutilizaroprocessodeabsorocomsoluodeguabrometodeltio.
14.BibliografiaUtilizada
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M.J.MoraneH.N.ShapiroFundamentalsofEngineeringThermodynamicsJohnWiley&Sons,Inc.,thirdedition,1996
W.F.Stoecker,J.W.JonesRefrigeraoeArCondicionado,traduodeJ.M.SaizJabardo[et.al.],ed.McGrawHillLtda1985
Althouse,Turnquist,BraccianoModernRefrigerationandAirConditioning,TheGoodheartWillcoxCompany,Inc.,1996
"ASHRAEHandbook,FundamentalsVolume",Atlanta,Ga.,1981
"ASHRAEHandbook,EquipmentVolume",Atlanta,Ga.,1981
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