Estudo e otimização do processo de refrigeração por absorção: sistema H2O – LiBr

Abstract

A crescente demanda por eficiência energética e sustentabilidade nos processos industriais tem impulsionado a busca por alternativas para o aproveitamento de fontes térmicas residuais. Nesse contexto, os sistemas de refrigeração por absorção destacam-se por utilizarem energia térmica como principal fonte de acionamento, reduzindo o consumo de energia elétrica em comparação aos sistemas convencionais de compressão de vapor. O presente trabalho teve como objetivo estudar e otimizar um sistema de refrigeração por absorção utilizando o par água–brometo de lítio (H₂O–LiBr), empregando como fonte energética o calor residual proveniente das caldeiras de uma indústria sucroalcooleira. A simulação foi realizada no software DWSIM, utilizando um modelo previamente validado na literatura. A otimização das condições operacionais foi conduzida por meio da ferramenta Experiment Designer, avaliando-se a influência da vazão mássica da solução, da fração molar de água e da pressão da bomba sobre o coeficiente de performance (COP) do ciclo. Foram realizados 2.000 experimentos, dos quais 1.964 apresentaram convergência e atenderam às restrições energéticas estabelecidas. Os resultados indicaram que a condição inicial do sistema apresentava COP igual a 0,29, enquanto a condição otimizada alcançou COP de 0,68, representando um aumento de 134%. O melhor ponto foi obtido com fração molar de água igual a 0,90, vazão mássica de 26,78 kg/s e pressão da bomba de 1.197 mbar. A análise de correlação demonstrou que a fração molar de água foi a variável com maior influência sobre o desempenho do ciclo. Além disso, a comparação com os resultados obtidos por Santos, 2024 utilizando o par NH₃–H₂O revelou desempenho superior do sistema H₂O–LiBr, que apresentou COP aproximadamente 113% maior. Os resultados demonstram o potencial da integração entre sistemas de refrigeração por absorção e fontes de calor residual para aumentar a eficiência energética em aplicações industriais.

The growing demand for energy efficiency and sustainability in industrial processes has encouraged the development of alternatives to recover waste thermal energy. In this context, absorption refrigeration systems stand out for using thermal energy as their primary driving source, thereby reducing electricity consumption compared to conventional vapor-compression systems. This study analyzed and optimized an absorption refrigeration system employing the water–lithium bromide (H₂O–LiBr) working pair, using waste heat from the boilers of a sugarcane processing plant as the energy source. Process simulation was carried out in the DWSIM software, based on a model previously validated in the literature. Operational conditions were optimized through the Experiment Designer tool by evaluating the influence of solution mass flow rate, water mole fraction, and pump pressure on the cycle’s coefficient of performance (COP). A total of 2,000 simulations were performed, of which 1,964 successfully converged and satisfied the established energy constraints. Results showed that the initial system configuration presented a COP of 0.29, while the optimized condition achieved a COP of 0.68, corresponding to a 134% increase. The optimum operating point was obtained with a water mole fraction of 0.90, a solution mass flow rate of 26.78 kg/s, and a pump pressure of 1,197 mbar. Correlation analysis indicated that the water mole fraction was the variable with the greatest influence on system performance. Furthermore, comparison with a previous study employing the NH₃–H₂O pair demonstrated the superior performance of the H₂O–LiBr system, which achieved a COP approximately 113% higher. These findings highlight the potential of integrating absorption refrigeration systems with waste heat sources to enhance energy efficiency in industrial applications.