Sistemas De Refrigeración Por Absorción 243c18
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I.
CURSO: Refrigeración y Congelación
INTRODUCCIÓN
El ciclo de refrigeración por absorción puede ser operado con una fuente de energía térmica, este tipo de aplicaciones conllevan a ahorros energéticos y por ende a la protección del medio ambiente. Debido al esfuerzo internacional por encontrar energías alternativas, la refrigeración por absorción se ha convertido en un sistema principal para muchas aplicaciones de refrigeración. Donde la energía térmica está disponible, el sistema de refrigeración por absorción puede hacer una buena sustitución del sistema de refrigeración por compresión (Vicatos et al, 2008). En los ciclos de absorción hablamos siempre de agente absorbente, designando así a la sustancia que absorbe los vapores, y de agente refrigerante, o agente frigorífico, a la sustancia que se evapora y da lugar a una producción frigorífica aprovechable. Serían absorbentes el agua y la solución de Bromuro de Litio, y refrigerantes el Amoniaco y el agua destilada, en los ciclos de absorción Agua-Amoniaco y Bromuro de Litio-Agua, respectivamente. II.
HISTORIA
El ciclo de absorción no es un descubrimiento reciente, ya que el primer antecedente es el experimento realizado por el escocés William Cullen en el año 1755, cuando consiguió obtener una pequeña cantidad de hielo en una campana mantenida a una presión reducida. Pero, de hecho, fue el francés Ferdinand Carré quien en 1890 construyó la primera máquina de absorción para la fabricación de hielo. En la evolución del ciclo de absorción se han experimentado diversas parejas de refrigerante/absorbente, pero comercialmente hay únicamente dos: la formada por el agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente, y la que utiliza el amoníaco como refrigerante y agua como absorbente. Cada una de estas dos técnicas tiene sus peculiaridades. Mientras la utilización del agua como refrigerante limita la temperatura de evaporación por encima de 0°C, permite, en cambio, una mayor eficiencia energética que la que se consigue con el ciclo de amoníaco que, por su parte, presenta la ventaja de poder bajar las temperaturas muy por debajo de 0°C y condensar a temperaturas más altas.
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III.
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PROCEDIMIENTOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
La refrigeración por absorción se usa cada vez más en refrigeradores para acondicionar el aire, en los que resultan adecuadas temperaturas de refrigerante entre 7 y 10 °C aproximadamente. En este rango de temperaturas puede emplearse agua como refrigerante, y una disolución acuosa de alguna sal, generalmente bromuro de litio, como material absorbente. El agua hierve a una temperatura muy baja en el evaporador porque la presión allí es muy reducida. El vapor frío se absorbe en la disolución salina concentrada. Después, esta disolución se bombea al generador donde, a temperatura elevada, se hace hervir el agua sobrante para aumentar la concentración de sal en la disolución; ésta, después de enfriarse, circula de vuelta al absorbedor para completar el ciclo. El sistema funciona con un vacío elevado: la presión del evaporador es aproximadamente de 1 kPa, y el generador y el condensador están a unos 10 kPa. Generalmente, estas unidades se calientan con llama directa o utilizan vapor generado en una caldera (Guanípa, 2011). IV.
CONCEPTO DE SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
La característica sobresaliente de un sistema de refrigeración que opera bajo el ciclo de absorción, es que la energía necesaria para mantener el proceso de enfriamiento se suministra principalmente en forma de calor. Este ciclo se basa en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el vapor de agua. También se puede emplear el agua como absorbente (disolvente) y amoniaco como absorbida (soluto). El término “absorción” se utiliza para clasificar a uno de los ciclos de refrigeración, que tiene relación con procesos físicos y químicos que ocurren al entrar en o gases y líquidos o gases y sólidos; en el caso de la refrigeración, al ponerse en o amoniaco gaseoso con agua líquida, esta absorbe el amoniaco formando una solución líquida de hidróxido de amonio desprendiendo una determinada cantidad de calor. El amoniaco es el refrigerante de uso más común en los sistemas de refrigeración por absorción por sus propiedades y el agua tiene la capacidad de absorber el vapor de amoniaco con tanta rapidez, que resulta tan efectiva como un compresor mecánico para mantener una baja
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presión en el evaporador; la cantidad absorbida aumenta con la presión y disminuye al aumentar la temperatura. V.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Una máquina de refrigeración por absorción está formada por los siguientes equipos: generador, condensador, evaporador, absorbedor, dos intercambiadores regenerativos y una bomba. En el generador la solución es calentada (mediante vapor, el sol, o cualquier otro medio de calentamiento) y el elemento más volátil (absorbato) se desprende de dicha solución en forma de vapor, pasando seguidamente al condensador, donde se condensa. Este líquido saturado pasa al evaporador a través de la válvula de expansión. Los vapores producidos en el evaporador debido a la ganancia de calor, pasan al absorbedor, donde serán absorbidos por la solución débil (con menor contenido de absorbato) proveniente del generador, para con ello formar la solución fuerte (con mayor contenido de absorbato). Esta solución fuerte es bombeada de nuevo hacia el generador a través de uno de los intercambiadores regenerativos, con lo cual se completa el ciclo. (Cisneros, 2002). Una aplicación práctica de este proceso se muestra en la figura 1, donde un tanque a presión suministra amoniaco líquido puro al evaporador a través del dispositivo de estrangulación. Una vez que el amoniaco se evapora es absorbido por el agua contenida en otro recipiente. Este efecto de enfriamiento es continuo hasta que el amoniaco líquido se agota o hasta que el agua en el tanque de absorción se sature, de modo que ya no puede absorber más vapor de amoniaco.
Figura 1. Principio del sistema de refrigeración por absorción
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Los sistemas de refrigeración por absorción implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como refrigerante y el agua (H20) es el medio de transporte. Para comprender mejor los principios de la refrigeración por absorción, se examina el sistema NH3-H2O haciendo uso de un colector solar (Figura 2).
Figura 2. Ciclo básico del sistema de refrigeración solar continuo por absorción NH3-H2O. Este sistema es muy similar al sistema por compresión de vapor, excepto que el compresor ha sido sustituido por un mecanismo de absorción, compuesto por: absorbedor, bomba, generador, regenerador, válvula y rectificador. Una vez que la presión del NH3 es elevada en el generador este se enfría y condensa, liberando calor hacia los alrededores; se estrangula hasta la presión del evaporador y absorbe calor del espacio refrigerado cuando fluye a través del evaporador. El vapor de amoniaco sale del evaporador y entra al absorbedor, donde se disuelve y tiene una reacción química con el agua para formar NH3H2O siendo esta una reacción exotérmica (el calor se libera durante este proceso). La cantidad de NH3 que puede disolverse en H2O es inversamente proporcional a la temperatura. Por consiguiente, es necesario enfriar el absorbedor para mantener su temperatura lo más baja posible y, por ende, para maximizar la cantidad de NH3 disuelto en 4
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el agua. La solución líquida NH3+H2O, que es rica en NH3 se bombea luego al generador. El calor se transfiere a la solución de una fuente para evaporar algo de la solución. El vapor que es rico en NH3 pasa por un rectificador, que separa el agua y la regresa al generador. El vapor de NH3 puro de alta presión continúa luego su trayecto por el resto del ciclo. La solución caliente NH3 + H2O, pobre en NH3, pasa por un regenerador donde transfiere algo de calor a la solución enriquecida que sale de la bomba, y se estrangula hasta la presión del absorbedor (López, 2011). En el ciclo agua-bromuro de litio, el agua (refrigerante), se evapora en un evaporador, enfriando a un fluido secundario, que refrigerará ambientes o cámaras. Entonces el vapor es absorbido por el bromuro de litio (absorbente) en el absorbedor, produciendo una solución concentrada. Esta solución pasa al calentador, donde se separan disolvente y soluto por medio de calor procedente de una fuente externa; el agua vuelve al evaporador, y el bromuro al absorbedor para reiniciar el ciclo (Figura 3).
Figura 3. Ciclo básico del sistema de refrigeración por absorción agua-Bromuro de litio.
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VI.
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SISTEMAS DE MEZCLAS
1. NH3 – H2O El mercado actual de la refrigeración por absorción de NH3-H2O comprende plantas industriales de producción de frío de potencias en torno a 1 MW, así como enfriadoras de agua de absorción para aire acondicionado de pequeña potencia y llama directa que utilizan combustibles como gas natural, propano o butano. El sector de la alimentación presenta una gran demanda de refrigeración a temperaturas entre 0 y –10 °C para cámaras de refrigeración y producción de hielo. Este sector industrial se caracteriza también por disponer de calor residual a temperaturas por debajo de los 100 °C. Por lo tanto, estas necesidades de refrigeración podrían ser cubiertas por equipos de absorción activados con los residuos térmicos. Otros sectores en que existe un potencial para este tipo de equipos son los sectores comercial y residencial, e incluso el sector del transporte, para cubrir la demanda creciente de aire acondicionado y refrigeración, en que es posible el accionamiento mediante calor residual de los nuevos desarrollos tecnológicos de micro cogeneración, o de energía solar térmica. A pesar del interés y la potencialidad de los sistemas de refrigeración de absorción de 10 a 150 kW y accionamiento con fuentes de calor a baja temperatura, todavía no existen en el mercado equipos de estas características. Una de las mayores desventajas de las mezclas de NH3-H2O es la necesidad de la rectificación para separar el agua de los vapores de amoníaco provenientes del generador, debido a la escasa volatilidad relativa de dichos dos fluidos (Fernández Seara et al., 2002; Bogart, 1981). Esta rectificación es indispensable, ya que la presencia del agua en el evaporador reduce su capacidad frigorífica. Esta purificación requiere la disipación de energía térmica y de equipo adicional de gran volumen, que puede llegar a ser considerable conforme se incremente la temperatura de generación o cuando se requieren temperaturas de evaporación muy bajas (-10 a -20 ºC) para aplicaciones de refrigeración. 2. LiBr – H2O El fluido utilizado en el ciclo de refrigeración, es una solución de agua y Bromuro de litio (LiBr), siendo el agua el refrigerante y el LiBr el absorbente. Una primera ventaja es que los agentes utilizados son totalmente inocuos para el medio ambiente. El LiBr es una sal similar a la sal común (NaCl) que como ella tiene una gran afinidad con el agua, absorbiéndola fácilmente. El otro aspecto importante para entender como puede utilizarse el agua como refrigerante, es saber que ésta, cuando
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se encuentra en un espacio en el que la presión absoluta está muy por debajo de la atmosférica y que en este caso es de únicamente de 0,9 kPa (9 mbar en vez de 1013 que es la presión atmosférica nominal), el agua se evapora (hierve) a tan solo 3ºC.
VII.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Las ventajas y desventajas de un sistema de refrigeración por absorción, al compararlo con un equipo de compresión mecánica, se pueden analizar teniendo en cuenta temas importantes en la actualidad, tales como el coste inicial de la fabricación, compra e instalación del equipo, el rendimiento energético, la utilización de combustible y su efecto en el medio ambiente, entre otras. a. Coste inicial El coste inicial de una planta frigorífica de absorción resulta, en la mayoría de los casos, superior al de un equipo de compresión mecánica de la misma capacidad. La razón para esta diferencia está en la muy superior cantidad de materiales metálicos que son necesarios para la fabricación de los intercambiadores de calor, en equipos que se basan en procesos termodinámicos sin prácticamente aportación del equivalente térmico del trabajo mecánico. Sin embargo, cuando se analizan los costes de explotación a partir del valor de las energías consumibles, la balanza puede desplazarse a favor de los equipos de absorción, si se dan las condiciones de partida necesarias (ASHRAE, 1995). b. C.O.P El concepto de C.O.P. (Coefficient of Performance) en refrigeración, es sinónimo de Eficiencia Energética en el evaporador. C.O.P. se define “oficialmente” como: “La cantidad de refrigeración obtenida de una máquina dividida entre la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración (ASHRAE, 1997)”. En este cómputo no se incluyen los consumos auxiliares de energía eléctrica necesarios para el funcionamiento de bombas y ventiladores. Los C.O.P.s de los ciclos de absorción son muy bajos comparados con los de los ciclos de compresión mecánica. En máquinas de absorción de una etapa, con Bromuro de Litio, no se superan C.O.P.s de 0.7, en máquinas de doble etapa se alcanzan valores que pueden ser hasta 1.5 veces a los esperables en una etapa, es decir de hasta 1.2; esto significa que las máquinas de doble etapa aprovechan mejor la energía que las de etapa simple. En ciclos de baja temperatura Amoniaco-Agua se consiguen valores de C.O.P. de 0.5 y pueden alcanzarse máximos de 0.8. Por el contrario en equipos de compresión mecánica de gran cantidad, con compresores centrífugos y de tornillo, se 7
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consiguen en la actualidad rendimientos frigoríficos entre 4.5 y 5.5 kW/kW (C.O.P.s en el evaporador de 4.5 a 5.5). De no ser porque el coste de producir el trabajo mecánica necesario para obtener un kW de refrigeración por ciclo de compresión mecánica de vapor es, normalmente, superior al coste necesario para recuperar la cantidad de calor requerida para obtener el mismo kW en un ciclo de absorción, estas diferencias tan espectaculares en cuanto a los C.O.P.s habrían convertido a las máquinas de absorción, hace mucho tiempo, en piezas de museo o “curiosidades tecnológicas”. El coste de la energía básica es el único factor que determina la posible competitividad de los sistemas de absorción frente a los de compresión mecánica. c. Coste energético y aprovechamiento alternativo Debido a que los sistemas de refrigeración por absorción utilizan energías térmicas residuales (que de otro modo serían expulsados al ambiente), es evidente que siempre exista la posibilidad de que dichas energías sean desechables, gratuitas, o de muy bajo coste, además de ser procedentes de energías renovables, o efluentes de procesos industriales o de sistemas de cogeneración, la aplicación de sistemas de absorción para la producción frigorífica será competitiva e interesante (ASHRAE, 1995). Así mismo puede resultar atractiva la aplicación de sistemas “híbridos”, que se basan en la instalación de máquinas de absorción en serie, o en paralelo, con máquinas de compresión mecánica sobre el mismo circuito de agua enfriada. En estos sistemas, las máquinas de compresión se utilizan para hacer frente a las cargas térmicas básicas, o en horas valle, mientras que las máquinas de absorción se utilizan exclusivamente en horas punta o para combatir las demandas punta. Esto permite dimensionar las máquinas que consumen energía más cara para condiciones de menor carga, lo que repercute favorablemente en los costes de explotación de la instalación. d. Utilización de combustibles y aprovechamiento alternativo Los sistemas de absorción no solo hacen posible la utilización de energías térmicas que serían evacuadas a la atmósfera de no utilizarse estos sistemas para su recuperación y aprovechamiento, sino que además, al mismo tiempo, evitan el consumo de energías más caras, fósiles o eléctricas, para su utilización en la producción frigorífica. Es decir, de alguna manera, dan lugar a un doble ahorro de energía; uno por la recuperación de energías desechables y otro por la reducción de consumos primarios en la producción de energía eléctrica (Cano 2001). Por último no queremos dejar de comentar las posibilidades de los equipos de absorción para ser utilizados para la refrigeración y climatización en aplicaciones en las que se dispone de fuentes
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alternativas de energía. Energías no convencionales como la Geotérmica, la Biomasa y la Solar Térmica pueden ser empleadas como fuente de aporte energético a los concentradores de plantas de absorción de simple efecto, para valores de temperatura de agua comprendidos entre 80 y 130°C, bien es verdad que con C.O.P.s bastante bajos, alrededor de 0.5, pero con la ventaja que supone la independencia de fuentes convencionales de energía y, sobre todo, el ahorro de combustibles fósiles y la reducción del impacto ambiental que su uso lleva aparejado (Cano, 2001). VIII.
Impacto ambiental
El impacto ambiental del sistema de refrigeración por absorción en comparación con el de refrigeración por compresión se puede indicar de acuerdo a la utilización de ambos sistemas y a la naturaleza de los refrigerantes empleados. a) Utilización de los sistemas Cano (2001) dice que el factor que determina con mayor exactitud la incidencia sobre el medio ambiente de una máquina o proceso, es el que se ha dado en denominar TEI (Total Environmental Impact) que engloba todos los parámetros de influencia: -
ODP (Potencial de destrucción de Ozono). GWP (Potencial de calentamiento global-Efecto Invernadero) Consumo de los equipos (COP). Vida atmosférica. Carga de los equipos (Refrigerante). Emisiones de los equipos.
De todos estos parámetros el de mayor importancia, cuando nos referimos a la maquinaria frigorífica, resulta ser el consumo de los equipos, englobando tanto los consumos directos de energía de cada máquina como los de energías primarias y fósiles necesarios para la producción de la energía eléctrica que después se va a consumir en ella, e incluyendo las emisiones de gases invernadero (CO2, fundamentalmente) que van aparejadas con la producción de esta energía. La Agencia Internacional del Medio Ambiente ha determinado que el 98% del TEI de una planta frigorífica se debe a la emisión de gases invernadero que se originan en la producción de la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. Solo el 2% restante se debe a las emisiones originadas por la propia máquina. Si consideramos ahora que el consumo eléctrico de una planta de absorción es, por término medio, un 7% del correspondiente a un equipo de compresión mecánica, y que la energía térmica que consume, salvo en las aplicaciones de combustión directa, procede como efluente de un proceso, es decir que su impacto medioambiental se debe a otras necesidades ajenas
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a las de la producción frigorífica, concluiremos que el TEI de una planta de absorción es tan solo el 7.15% respecto al equipo de compresión mecánica equivalente. Este valor se reduce hasta el 7% si tenemos en cuenta que un equipo de absorción no origina emisiones propias, ya que su interior, por principio, se encuentra en depresión frente a la atmósfera, y que aun en el supuesto de que por una avería se produjera algún vertido o emisión al exterior de sus fluidos interiores, esto no tendría ningún efecto contaminante para el medio, dadas las características de estas sustancias. En equipos que funcionan con combustión directa, el efecto de las emisiones propias se acentúa por la emisión de los productos de la combustión que se generan en la máquina. En este sentido, considerando un COP medio de 1 en la producción frigorífica, y un rendimiento en la combustión de un 90%. Con gas natural, se alcanzaría un valor de TEI prácticamente idéntico al que correspondería a un equipo de compresión de la misma capacidad frigorífica accionado eléctricamente y con un COP de 4.5. Esto sin tener en cuenta los efectos debidos a los agentes frigoríficos, que en caso de la absorción serían nulos. b) Refrigerantes En lo que a agentes frigorígenos se refiere, la balanza se inclina favorablemente a favor de la utilización de ciclos de absorción frente a los de compresión mecánica para la producción frigorífica. Desde el punto de vista medioambiental el interés de los primeros es evidente, por las siguientes razones: En los ciclos Agua-Bromuro de Litio el refrigerante que se utiliza R-718 (agua destilada), y el absorbente es una solución de Bromuro de Litio. En los ciclos Amoniaco-Agua se utiliza R-717(Amoniaco) como refrigerante y agua destilada como absorbente. En la siguiente tabla se muestran las características de los refrigerantes utilizados en los cilos de absorción.
Tabla 01. Característica de los refrigerantes: Amoniaco, agua y sal diluida de Bromuro de Litio.
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R-717 Amoniaco Estabilidad química Media Toxicidad Alta Disponibilidad Alta Efectos contaminantes Bajos ODP 0 GWP 0 TEWI* Bajo Calor lat. Vaporización 1.25 MJ/kg Coste Medio *Total Equivalente del Impacto en el Calentamiento.
R-718
BrLi
Agua Alta Nula Alta Nulos 0 0 Nulo 2.5 MJ/kg Bajo
Sal Diluida Alta Baja Alta Nulos 0 0 Bajo N/A Medio
Fuente: Cano (2001). Las tres sustancias tienen un comportamiento muy favorable con el medio ambiente, si bien se precisan precauciones especiales para la manipulación y mantenimiento de los equipos que trabajan con Amoniaco, dada la peligrosidad de esta sustancia para el ser humano, sobre la que no es preciso abundar ya que es sobradamente conocida. Por lo que respecta al agua, solo cabe señalar la necesidad de controlar su pureza cuando se emplea como refrigerante, más por lo que puede afectar al rendimiento de los equipos que por sus efectos sobre las personas y el medio ambiente para los que es completamente inocua. La sal de Bromuro de Litio es, así mismo inocua, aunque en solución acuosa tiene efectos detergentes bastante acusados por lo que no debe ser ingerida y conviene ser manipulada con la precaución necesaria para evitar derrames que pueden decolorar los suelos de madera y otros materiales orgánicos. No se requieren más prevenciones.
IX.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ABSORCIÓN
a) SISTEMA DE ABSORCIÓN DE EFECTO SIMPLE Un sistema de refrigeración por absorción de simple efecto es el más simple y más comúnmente diseño utilizado. Hay dos configuraciones de diseño dependiendo de los 11
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fluidos de trabajo utilizado. Fig. 3 muestra un sistema de simple efecto usando absorbente tal como la no volatilidad LiBr / agua
Fig. 4. Un sistema de refrigeración LiBr / absorción de agua de simple efecto con un intercambiador de calor de la solución (HX) que ayuda a la entrada de calor disminución en el generador. Calor de alta temperatura suministrado al generador se utiliza para evaporar refrigerante a partir de la solución (rechazado a los alrededores en el condensador) y se usa para calentar la solución de la temperatura del absorbedor (rechazado a los alrededores en el absorbedor). Por lo tanto, una irreversibilidad es causada en forma de calor de alta temperatura en el generador se desperdicia a cabo en el absorbedor y el condensador. Con el fin de reducir esta irreversibilidad, un intercambio de calor solución se introduce como se muestra en la Fig. 4. El calor intercambiador permite que la solución del absorbedor a ser precalentado antes de entrar en el generador utilizando el calor de la solución caliente que sale del generador. Por lo tanto, la se mejora como la entrada de calor en el generador se reduce. Además, el tamaño del absorbedor se puede reducir como menos calor es rechazado. Los estudios experimentales muestran que la se puede aumentar hasta un 60% cuando un intercambiador de calor de solución es utilizado (Aphornratana, 1995). Cuando la volatilidad absorbentes tales como agua / NH3 se utiliza, el sistema requiere un extra componente llamado "un rectificador", que purificará el refrigerante antes de entrar en el condensador. A medida que la absorbente usada (agua) es muy volátil, se evaporó junto 12
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con amoníaco (refrigerante). Sin el rectificador, se condensa esta agua y se acumulan en el interior del evaporador, haciendo que el rendimiento disminuya. Incluso si los fluidos de trabajo más comunes utilizados son LiBr / agua y agua / NH3, varios investigadores han estudiado el rendimiento de un sistema de absorción de simple efecto el uso de otros tipos de fluidos de trabajo como AgN O3
+ KN
O3
+ NaN
O3
O3
/ N
H3
, LiBr + Zn
Br 2
/ C
H3
OH, LiN
/ agua, LiCl / agua, glicerol / agua (Grover et al., 1988).
b) CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN “MULTI-EFECTO” El objetivo principal de un ciclo de mayor efecto es aumentar el rendimiento del sistema cuando la fuente de calor de alta temperatura está disponible. Por el término "multi-efecto", el ciclo tiene que ser configurado de manera que el calor desechado para una etapa de alta temperatura es se utiliza como entrada de calor en una etapa de baja temperatura para la generación de refrigeración adicional efectuar en la etapa de baja temperatura. Doble efecto del ciclo de refrigeración por absorción se introdujo durante 1956 y 1958 (Vliet et al., 1982). La figura 5 muestra un sistema que utiliza LiBr / agua. De calor de alta temperatura de un externo suministros de origen a la primer generador de efectos. El refrigerante vapor generado se condensa a alta presión en el generador de segundo efecto. El calor rechazado se utiliza para producir vapor de refrigerante Además de la solución procedente de la primera efecto generador. Esta configuración del sistema se considera como una serie de flujo de doble efecto sistema de absorción.
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Fig. 5. Un ciclo de absorción de agua / LiBr de doble efecto. El calor liberado de la condensación de refrigerante vapor se utiliza como entrada de calor en el generador II. Este ciclo se opera con 3 niveles de presión es decir, alta, moderada y baja presión. Un sistema de absorción de doble efecto se considera como una combinación de dos de simple efecto sistemas de absorción cuyo valor COP es COPsingle. Para una unidad de entrada de calor de la fuente externa, efecto de enfriamiento producido por el refrigerante generado desde el generador de primer efecto es 1 × COPsingle. Para cualquier sistema de absorción de simple efecto, se puede suponerse que el calor rechazado del condensador es aproximadamente igual a la capacidad de refrigeración obtenida. Por lo tanto el suministro de calor a la segunda generador es 1 × COPsingle. El efecto de enfriamiento producido por el generador de segundo efecto es (1 × COPsingle) × COPsingle. Por lo tanto, la Conferencia de las Partes de este sistema de absorción de doble efecto es COPdouble = 2
COPsingle + (COPsingle ¿
. Según este análisis, un doble efecto sistema de absorción
tiene un COP de 0,96 cuando el sistema de simple efecto correspondiente tiene un COP de 0,6. Los estudios teóricos de un sistema de absorción de doble efecto han sido proporcionados para varios fluidos de trabajo (Kaushik y Chandra, 1985; Garimella y Christensen, 1992).
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Fig. 6. Un ciclo de absorción de doble efecto funciona con dos niveles de presión. El calor de absorción desde Absorber II se suministra a la unidad de adsorción I para el proceso de separación de refrigerante Si LiBr / agua se sustituye con agua / NH3, la presión máxima en la primera efectogenerador será muy alta. Fig. La figura 6 muestra un sistema de absorción de doble efecto usando agua / NH3. En contraste con el sistema de LiBr / agua, este sistema puede ser considerado como una combinación de dos ciclos de efecto individuales separadas. El evaporador y los condensadores de ambos ciclos se integran juntos como una sola unidad como se muestra. Por lo tanto, sólo hay dos presiones de nivel en este sistema y la presión máxima puede ser limitado a un nivel aceptable. El calor de los suministros de fuentes externas al generador II solamente. Como el agua es un absorbente, no hay problema de la cristalización en el absorbedor. Por lo tanto, II absorbedor puede funcionar a alta temperatura y rechaza el calor al generador I. configuración Este sistema se considera como un flujo paralelo de doble efecto sistema de absorción. Sin embargo, una mejora de la no está directamente relacionada con el incremento del número del efecto. Debe tenerse en cuenta que, cuando el número de efectos aumentan, COP de cada efecto no será tan alta como la de un sistema de simple efecto. Además, la 15
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mayor número de efecto conduce a una mayor complejidad del sistema. Por lo tanto, el ciclo de doble efecto es el que está disponible comercialmente (Ziegler et al., 1993).
c) CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN “MITAD-EFECTO” Debe tenerse en cuenta que, cualquier sistema de refrigeración por absorción puede ser operado solamente cuando la solución en el absorbedor es más rica en refrigerante que en el generador. Cuando la temperatura aumenta o reduce la presión, la fracción de refrigerante contenido en la solución se reduce, y viceversa. Cuando la temperatura del generador se ha caído, se incrementará la velocidad de circulación solución causando la COP a soltar. Si es demasiado bajo, el sistema puede ser dejado de funcionar. El sistema de absorción media-efecto se introdujo para una aplicación con una relativamente fuente de calor de baja temperatura (Battelle Memorial Institute, 1985). Fig. 07 muestra un diagrama esquemático de un ciclo de refrigeración por absorción de efecto medio. La configuración del sistema es exactamente el mismo que el sistema de absorción de doble efecto usando agua / N
H3
(como se muestra en la Fig. 6) excepto el calor
direcciones de flujo son diferentes. Haciendo referencia a la Fig. 07, de alta temperatura el calor de una fuente externa transferencias a ambos generadores. Ambos rechazan absorbedores de calor a los alrededores. Absorber II y el generador que se emplean a un intermediario nivel de presión. Por lo tanto, la velocidad de circulación entre el generador y el absorbedor I I y entre el generador y el absorbedor II II se puede mantener en niveles aceptables. Se debe se observó que la del sistema de absorción media-efecto es relativamente bajo, ya que rechaza más calor que un ciclo de absorción de simple efecto alrededor del 50% (Groll, 1997). Sin embargo, puede operar con la fuente de calor relativamente baja temperatura.
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Fig. 07. Un ciclo de absorción media-efecto es una combinación de dos ciclos de efecto único, sino que trabaja en diferentes niveles de presión. Dejar temperatura de la fuente de calor sea menor que la temperatura mínima es necesaria para un ciclo de simple efecto que trabaja en el mismo nivel de presión.
d) CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE DOBLE EFECTO El concepto de un sistema de absorción de ciclo dual es similar a una de doble efecto paralelo sistema de absorción. Sin embargo, este sistema consta de dos ciclos completamente separados utilizando diferentes tipos de fluido de trabajo. Hanna et al. (1984) inventaron una absorción de ciclo dual de refrigeración y bomba de calor, como se muestra en la Fig. 08. Este sistema consta de dos ciclos de absorción de efecto simple con agua / N
H3
y LiBr / agua. El sistema de N
H3
es impulsado por el calor obtenido de
una fuente de calor externa. El calor de rechazo de su absorbedor y condensador se utiliza como un calor de accionamiento para el sistema de LiBr / agua. La Sistema de LiBr / agua rechaza el calor a los alrededores en el condensador y el absorbedor como de costumbre. El efecto de enfriamiento se puede obtener de ambos evaporadores.
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Fig. 08. Solar absorción ciclo dual impulsado emplea dos fluidos de trabajo diferentes, es decir, N
H3
/ agua y agua / LiBr. El calor de absorción y condensación de ciclo / agua
NH3 se suministran al generador de ciclo del agua / LiBr.
X.
PROCESO DE ABSORCIÓN EN LA COLUMNA DE ABSORCIÓN O ABSORBEDOR
En un sistema de refrigeración por ciclo de absorción, la compresión del vapor de refrigerante es efectuada por el absorbedor, la bomba de solución y el generador combinados, en lugar de un compresor de vapor mecánico. El vapor generado en el evaporador se absorbe en un absorbente líquido que hay en el absorbedor. El absorbente que ha absorbido refrigerante, absorbente gastado o débil, es bombeado al generador donde el refrigerante se libera en forma de vapor, el cual se debe condensar en el condensador. El absorbente regenerado o fuerte se recircula después al absorbedor para absorber de nuevo el vapor de refrigerante. El calor se suministra al generador a una temperatura relativamente alta y se rechaza desde el absorbedor a un nivel relativamente bajo, de forma análoga a un motor de calor.
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Figur 09. Sistema de refrigeración por absorción simple. Uno de los componentes más importantes de los sistemas de refrigeración por absorción es el absorbedor, ya que su funcionamiento afecta directamente al sistema global. El diseño de los absorbedores es un punto crítico, originado por la complejidad de los procesos de transferencia de masa y calor. Un intercambio de calor eficiente en el absorbedor depende principalmente de un excelente mezclado entre el vapor y la solución de trabajo y del máximo área de o entre la pared del intercambiador y la solución. El aumento de la eficiencia en el absorbedor puede ser logrado aplicando diferentes técnicas. Una de ellas está asociada al incremento de la turbulencia por medio de corrugaciones en las paredes del intercambiador de calor o modificando la geometría, también puede conseguirse mediante la utilización de aditivos que disminuyan la tensión superficial de la solución (efecto Marangoni) provocando un movimiento del seno del líquido hacia la superficie y viceversa, o bien mediante la adición de nano partículas en la solución para mejorar la conductividad térmica de la solución. El refrigerante y el absorbente en un ciclo de absorción forman lo que se denomina un par de trabajo. A lo largo de los años se han propuesto muchos pares, pero sólo dos de ellos se han utilizado extensamente: amoníaco junto con agua como absorbente y agua junto con una solución de bromuro de litio en agua como absorbente. El par agua amoníaco se encuentra sobre todo en aplicaciones de refrigeración, con bajas temperaturas de 19
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evaporación, inferiores a 0ºC. El par agua-bromuro de litio se emplea extensamente en aplicaciones de refrigeración por aire, donde no es necesario enfriar por debajo de 0ºC. Los niveles de presión en la máquina de agua-amoníaco son normalmente superiores a la presión atmosférica, mientras que las máquinas de agua-bromuro de litio funcionan generalmente en vacío parcial. El fluido de trabajo en un sistema de refrigeración por absorción consta de una solución binaria que se conforma por refrigerante y absorbente. En la Fig. 1(a), dos recipientes evacuados se conectan uno al otro. El recipiente izquierdo contiene refrigerante líquido mientras que el recipiente derecho contiene una solución binaria de absorbente/refrigerante. La solución en el recipiente derecho absorberá vapor de refrigerante del recipiente izquierdo causando una disminución de presión (Skrikhirin et al., 2001). Mientras que el vapor de refrigerante es absorbido, la temperatura del refrigerante restante disminuirá como resultado de su vaporización. Esto ocasiona un efecto de refrigeración dentro del recipiente izquierdo. Al mismo tiempo, la solución dentro del recipiente derecho se diluye debido al mayor contenido de refrigerante absorbido. Esto se llama “proceso de absorción”. Normalmente, el proceso de absorción es un proceso exotérmico, por lo tanto, debe expulsar calor a los alrededores en orden de mantener su capacidad de absorción (Skrikhirin et al., 2001).
Fig. 10. (a) El proceso de absorción ocurre en el recipiente derecho causando un efecto de enfriamiento en el recipiente izquierdo. Fig. 11 (b) El proceso de separación de refrigerante ocurre en el recipiente derecho debido al calor adicional proporcionado por una fuente de calor externa.
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XI.
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PROPIEDADES DEL ABSORBENTE
El absorbente es el componente más importante en un sistema de refrigeración por absorción y su desempeño influye en la eficiencia global del sistema. La transferencia de masa y calor en la película descendente en el absorbente depende de las propiedades del fluido, la geometría del absorbente y sus parámetros de operación. El absorbente debe tener las siguientes propiedades para poder ser utilizado como fluido en los ciclos de refrigeración por absorción: 1. El absorbente debe tener una fuerte afinidad por el refrigerante. Entre mayor sea esta afinidad, se requerirá una menor cantidad, reduciendo las pérdidas térmicas durante su calentamiento. Sin embargo, si esta afinidad es demasiado grande, será necesario suministrar una gran cantidad de energía para la restitución del refrigerante. 2. La presión de vapor a la temperatura requerida en el generador debe ser despreciable o muy baja, en comparación con la presión de vapor del refrigerante. 3. El absorbente debe permanecer en estado líquido durante todo el ciclo, para evitar el problema de cristalización; la estabilidad química debe ser buena y no debe ser corrosivo ni tóxico. 4. El calor específico debe ser bajo para evitar las pérdidas, la conductividad térmica debe ser lo más alta posible, la viscosidad y la tensión superficial deben ser bajas para facilitar la transmisión del calor y la absorción. 5. El absorbente debe ser menos volátil que el refrigerante, para facilitar su separación en el generador. Si esto no es posible, se requerirá la integración de un rectificador para llevar a cabo esta separación en forma de vapor.
XII.
PRINCIPALES APLICACIONES DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
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Los equipos de refrigeración por ciclo de absorción pueden ser usados de manera tan amplia como cualquier otra planta refrigeradora de agua convencional, y las aplicaciones para aire acondicionado son las más usuales. Actualmente, se está intensificando el uso en instalaciones del sector terciario que disponen de campos de captadores solares térmicos para producción de agua caliente sanitaria y calefacción, y estas instalaciones, en verano, cuando es mayor la disponibilidad de radiación solar, en lugar de disipar los sobrantes, los aprovechan para obtener refrigeración gratuita. La otra utilización clásica de estos equipos es en procesos industriales, sobre todo en los que también se utiliza una fuente de calor residual como energía para hacer funcionar el equipo. -
Equipo de refrigeración por absorción con ciclo amoniaco/agua.
En cuanto a las plantas basadas en el ciclo amoníaco/agua como refrigerante/absorbente, pueden utilizarse, además, en aplicaciones a baja temperatura, como en la cadena de preparación y conservación de alimentos, procesos vinícolas, tratamiento de lácteos, preparaciones farmacéuticas, etc. De hecho, el campo de aplicación es muy amplio, ya que se trata de una técnica muy desarrollada, totalmente fiable y con reducidos costes de mantenimiento, que está disponible en unidades de más de 4.000 kW de refrigeración con utilización para agua caliente, y de más de 6.000 kW a llama directa. La mayoría de los equipos disponibles en el mercado mundial se ajustan también a las directivas europeas, de conformidad con la marca CE. Sin embargo, se recomienda verificar esto antes de seleccionar la marca y asegurarse de que dispone también de servicio de asistencia técnica en el mismo país.
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Figura 12. Refrigeración por absorción utilizando energía solar térmica
Figura13. Equipo de refrigeración por absorción con ciclo amoniaco/agua.
XIII.
CICLOS TERMODINÁMICOS POR ABSORCION
El ciclo de refrigeración por absorción es un caso particular de los sistemas a sorción en donde participan por lo general dos fases, sea, entre un líquido y un vapor o entre un sólido y un vapor. De todos los ciclos termodinámicos disponibles para la producción de frío los sistemas tritermos de absorción son los más utilizados en la aplicación de energías de baja entalpía como la solar o el calor de desecho industrial, en particular los sistemas a absorción líquido-gas y sólido-gas y los de adsorción sólido-gas, tanto en funcionamiento continuo como intermitente.
1. CICLO CONTINUO
Descripción del ciclo continúo de un sistema de refrigeración por absorción.
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Fig. 14 Ciclo de absorción en funcionamiento continúo. El refrigerante en forma de vapor de baja presión entra al absorbedor, en donde es absorbido por el absorbente. La solución que sale del absorbedor contiene una concentración alta en refrigerante, la cual es llamada solución concentrada. Esta solución es bombeada hasta el generador a la presión correspondiente. La solución concentrada entra al generador con presión alta y baja temperatura en donde se le suministra calor, esto eleva la temperatura de la solución y de aquí en adelante la cantidad de refrigerante que el absorbente puede retener es reducida. Ahora el refrigerante es manejado como vapor y llevado fuera del generador. La solución resultante después de la generación contiene una baja concentración de refrigerante, la cual se conoce como solución diluida. La solución regresa al absorbedor pasando a través de una válvula de expansión la cual tiene como función provocar una caída de presión para lograr mantener una diferencia de presiones entre el generador y el absorbedor. El refrigerante en forma de vapor con presión y temperatura alta saliendo del generador y entrando al condensador, donde la reducción en la temperatura provoca la condensación del vapor. Posteriormente el refrigerante líquido pasa a través de una válvula de expansión la cual le reduce bruscamente la presión hasta alcanzar la presión de evaporación. Ya en el evaporador el refrigerante líquido extrae calor del medio que lo rodea (aire o líquido), provocando su enfriamiento. El refrigerante en forma de vapor saturado sale del evaporador y regresa al absorbedor para ser reabsorbido por la solución diluida, completando el ciclo.
Eficiencia del sistema de refrigeración por absorción.
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La eficiencia de operación del sistema de refrigeración es medida por el coeficiente de operación conocido como COP:
COP=
calor absorbido por el refrigerante alevaporarse calor suministrado alrefrigerante+trabajo de la bomba
COP=
Qg QC +W B
Donde:
Qg =¿ calor de evaporación QC =¿ calor de generación W B=¿ trabajo suministrado por la bomba 2. CICLO INTERMITENTE La diferencia fundamental entre un ciclo de refrigeración por absorción en funcionamiento intermitente y continuo es que en la operación intermitente, los procesos de generacióncondensación y evaporación-absorción, se desarrollan en tiempos diferentes. El ciclo intermitente puede desarrollarse de dos formas, a) ciclo a presión constante y b) ciclo a temperatura constante.
Fig. 15. Ciclo a presión constante.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 25
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I.
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INTRODUCCIÓN
El ciclo de refrigeración por absorción puede ser operado con una fuente de energía térmica, este tipo de aplicaciones conllevan a ahorros energéticos y por ende a la protección del medio ambiente. Debido al esfuerzo internacional por encontrar energías alternativas, la refrigeración por absorción se ha convertido en un sistema principal para muchas aplicaciones de refrigeración. Donde la energía térmica está disponible, el sistema de refrigeración por absorción puede hacer una buena sustitución del sistema de refrigeración por compresión (Vicatos et al, 2008). En los ciclos de absorción hablamos siempre de agente absorbente, designando así a la sustancia que absorbe los vapores, y de agente refrigerante, o agente frigorífico, a la sustancia que se evapora y da lugar a una producción frigorífica aprovechable. Serían absorbentes el agua y la solución de Bromuro de Litio, y refrigerantes el Amoniaco y el agua destilada, en los ciclos de absorción Agua-Amoniaco y Bromuro de Litio-Agua, respectivamente. II.
HISTORIA
El ciclo de absorción no es un descubrimiento reciente, ya que el primer antecedente es el experimento realizado por el escocés William Cullen en el año 1755, cuando consiguió obtener una pequeña cantidad de hielo en una campana mantenida a una presión reducida. Pero, de hecho, fue el francés Ferdinand Carré quien en 1890 construyó la primera máquina de absorción para la fabricación de hielo. En la evolución del ciclo de absorción se han experimentado diversas parejas de refrigerante/absorbente, pero comercialmente hay únicamente dos: la formada por el agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente, y la que utiliza el amoníaco como refrigerante y agua como absorbente. Cada una de estas dos técnicas tiene sus peculiaridades. Mientras la utilización del agua como refrigerante limita la temperatura de evaporación por encima de 0°C, permite, en cambio, una mayor eficiencia energética que la que se consigue con el ciclo de amoníaco que, por su parte, presenta la ventaja de poder bajar las temperaturas muy por debajo de 0°C y condensar a temperaturas más altas.
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III.
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PROCEDIMIENTOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
La refrigeración por absorción se usa cada vez más en refrigeradores para acondicionar el aire, en los que resultan adecuadas temperaturas de refrigerante entre 7 y 10 °C aproximadamente. En este rango de temperaturas puede emplearse agua como refrigerante, y una disolución acuosa de alguna sal, generalmente bromuro de litio, como material absorbente. El agua hierve a una temperatura muy baja en el evaporador porque la presión allí es muy reducida. El vapor frío se absorbe en la disolución salina concentrada. Después, esta disolución se bombea al generador donde, a temperatura elevada, se hace hervir el agua sobrante para aumentar la concentración de sal en la disolución; ésta, después de enfriarse, circula de vuelta al absorbedor para completar el ciclo. El sistema funciona con un vacío elevado: la presión del evaporador es aproximadamente de 1 kPa, y el generador y el condensador están a unos 10 kPa. Generalmente, estas unidades se calientan con llama directa o utilizan vapor generado en una caldera (Guanípa, 2011). IV.
CONCEPTO DE SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
La característica sobresaliente de un sistema de refrigeración que opera bajo el ciclo de absorción, es que la energía necesaria para mantener el proceso de enfriamiento se suministra principalmente en forma de calor. Este ciclo se basa en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el vapor de agua. También se puede emplear el agua como absorbente (disolvente) y amoniaco como absorbida (soluto). El término “absorción” se utiliza para clasificar a uno de los ciclos de refrigeración, que tiene relación con procesos físicos y químicos que ocurren al entrar en o gases y líquidos o gases y sólidos; en el caso de la refrigeración, al ponerse en o amoniaco gaseoso con agua líquida, esta absorbe el amoniaco formando una solución líquida de hidróxido de amonio desprendiendo una determinada cantidad de calor. El amoniaco es el refrigerante de uso más común en los sistemas de refrigeración por absorción por sus propiedades y el agua tiene la capacidad de absorber el vapor de amoniaco con tanta rapidez, que resulta tan efectiva como un compresor mecánico para mantener una baja
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presión en el evaporador; la cantidad absorbida aumenta con la presión y disminuye al aumentar la temperatura. V.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Una máquina de refrigeración por absorción está formada por los siguientes equipos: generador, condensador, evaporador, absorbedor, dos intercambiadores regenerativos y una bomba. En el generador la solución es calentada (mediante vapor, el sol, o cualquier otro medio de calentamiento) y el elemento más volátil (absorbato) se desprende de dicha solución en forma de vapor, pasando seguidamente al condensador, donde se condensa. Este líquido saturado pasa al evaporador a través de la válvula de expansión. Los vapores producidos en el evaporador debido a la ganancia de calor, pasan al absorbedor, donde serán absorbidos por la solución débil (con menor contenido de absorbato) proveniente del generador, para con ello formar la solución fuerte (con mayor contenido de absorbato). Esta solución fuerte es bombeada de nuevo hacia el generador a través de uno de los intercambiadores regenerativos, con lo cual se completa el ciclo. (Cisneros, 2002). Una aplicación práctica de este proceso se muestra en la figura 1, donde un tanque a presión suministra amoniaco líquido puro al evaporador a través del dispositivo de estrangulación. Una vez que el amoniaco se evapora es absorbido por el agua contenida en otro recipiente. Este efecto de enfriamiento es continuo hasta que el amoniaco líquido se agota o hasta que el agua en el tanque de absorción se sature, de modo que ya no puede absorber más vapor de amoniaco.
Figura 1. Principio del sistema de refrigeración por absorción
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Los sistemas de refrigeración por absorción implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como refrigerante y el agua (H20) es el medio de transporte. Para comprender mejor los principios de la refrigeración por absorción, se examina el sistema NH3-H2O haciendo uso de un colector solar (Figura 2).
Figura 2. Ciclo básico del sistema de refrigeración solar continuo por absorción NH3-H2O. Este sistema es muy similar al sistema por compresión de vapor, excepto que el compresor ha sido sustituido por un mecanismo de absorción, compuesto por: absorbedor, bomba, generador, regenerador, válvula y rectificador. Una vez que la presión del NH3 es elevada en el generador este se enfría y condensa, liberando calor hacia los alrededores; se estrangula hasta la presión del evaporador y absorbe calor del espacio refrigerado cuando fluye a través del evaporador. El vapor de amoniaco sale del evaporador y entra al absorbedor, donde se disuelve y tiene una reacción química con el agua para formar NH3H2O siendo esta una reacción exotérmica (el calor se libera durante este proceso). La cantidad de NH3 que puede disolverse en H2O es inversamente proporcional a la temperatura. Por consiguiente, es necesario enfriar el absorbedor para mantener su temperatura lo más baja posible y, por ende, para maximizar la cantidad de NH3 disuelto en 4
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el agua. La solución líquida NH3+H2O, que es rica en NH3 se bombea luego al generador. El calor se transfiere a la solución de una fuente para evaporar algo de la solución. El vapor que es rico en NH3 pasa por un rectificador, que separa el agua y la regresa al generador. El vapor de NH3 puro de alta presión continúa luego su trayecto por el resto del ciclo. La solución caliente NH3 + H2O, pobre en NH3, pasa por un regenerador donde transfiere algo de calor a la solución enriquecida que sale de la bomba, y se estrangula hasta la presión del absorbedor (López, 2011). En el ciclo agua-bromuro de litio, el agua (refrigerante), se evapora en un evaporador, enfriando a un fluido secundario, que refrigerará ambientes o cámaras. Entonces el vapor es absorbido por el bromuro de litio (absorbente) en el absorbedor, produciendo una solución concentrada. Esta solución pasa al calentador, donde se separan disolvente y soluto por medio de calor procedente de una fuente externa; el agua vuelve al evaporador, y el bromuro al absorbedor para reiniciar el ciclo (Figura 3).
Figura 3. Ciclo básico del sistema de refrigeración por absorción agua-Bromuro de litio.
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VI.
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SISTEMAS DE MEZCLAS
1. NH3 – H2O El mercado actual de la refrigeración por absorción de NH3-H2O comprende plantas industriales de producción de frío de potencias en torno a 1 MW, así como enfriadoras de agua de absorción para aire acondicionado de pequeña potencia y llama directa que utilizan combustibles como gas natural, propano o butano. El sector de la alimentación presenta una gran demanda de refrigeración a temperaturas entre 0 y –10 °C para cámaras de refrigeración y producción de hielo. Este sector industrial se caracteriza también por disponer de calor residual a temperaturas por debajo de los 100 °C. Por lo tanto, estas necesidades de refrigeración podrían ser cubiertas por equipos de absorción activados con los residuos térmicos. Otros sectores en que existe un potencial para este tipo de equipos son los sectores comercial y residencial, e incluso el sector del transporte, para cubrir la demanda creciente de aire acondicionado y refrigeración, en que es posible el accionamiento mediante calor residual de los nuevos desarrollos tecnológicos de micro cogeneración, o de energía solar térmica. A pesar del interés y la potencialidad de los sistemas de refrigeración de absorción de 10 a 150 kW y accionamiento con fuentes de calor a baja temperatura, todavía no existen en el mercado equipos de estas características. Una de las mayores desventajas de las mezclas de NH3-H2O es la necesidad de la rectificación para separar el agua de los vapores de amoníaco provenientes del generador, debido a la escasa volatilidad relativa de dichos dos fluidos (Fernández Seara et al., 2002; Bogart, 1981). Esta rectificación es indispensable, ya que la presencia del agua en el evaporador reduce su capacidad frigorífica. Esta purificación requiere la disipación de energía térmica y de equipo adicional de gran volumen, que puede llegar a ser considerable conforme se incremente la temperatura de generación o cuando se requieren temperaturas de evaporación muy bajas (-10 a -20 ºC) para aplicaciones de refrigeración. 2. LiBr – H2O El fluido utilizado en el ciclo de refrigeración, es una solución de agua y Bromuro de litio (LiBr), siendo el agua el refrigerante y el LiBr el absorbente. Una primera ventaja es que los agentes utilizados son totalmente inocuos para el medio ambiente. El LiBr es una sal similar a la sal común (NaCl) que como ella tiene una gran afinidad con el agua, absorbiéndola fácilmente. El otro aspecto importante para entender como puede utilizarse el agua como refrigerante, es saber que ésta, cuando
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se encuentra en un espacio en el que la presión absoluta está muy por debajo de la atmosférica y que en este caso es de únicamente de 0,9 kPa (9 mbar en vez de 1013 que es la presión atmosférica nominal), el agua se evapora (hierve) a tan solo 3ºC.
VII.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Las ventajas y desventajas de un sistema de refrigeración por absorción, al compararlo con un equipo de compresión mecánica, se pueden analizar teniendo en cuenta temas importantes en la actualidad, tales como el coste inicial de la fabricación, compra e instalación del equipo, el rendimiento energético, la utilización de combustible y su efecto en el medio ambiente, entre otras. a. Coste inicial El coste inicial de una planta frigorífica de absorción resulta, en la mayoría de los casos, superior al de un equipo de compresión mecánica de la misma capacidad. La razón para esta diferencia está en la muy superior cantidad de materiales metálicos que son necesarios para la fabricación de los intercambiadores de calor, en equipos que se basan en procesos termodinámicos sin prácticamente aportación del equivalente térmico del trabajo mecánico. Sin embargo, cuando se analizan los costes de explotación a partir del valor de las energías consumibles, la balanza puede desplazarse a favor de los equipos de absorción, si se dan las condiciones de partida necesarias (ASHRAE, 1995). b. C.O.P El concepto de C.O.P. (Coefficient of Performance) en refrigeración, es sinónimo de Eficiencia Energética en el evaporador. C.O.P. se define “oficialmente” como: “La cantidad de refrigeración obtenida de una máquina dividida entre la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración (ASHRAE, 1997)”. En este cómputo no se incluyen los consumos auxiliares de energía eléctrica necesarios para el funcionamiento de bombas y ventiladores. Los C.O.P.s de los ciclos de absorción son muy bajos comparados con los de los ciclos de compresión mecánica. En máquinas de absorción de una etapa, con Bromuro de Litio, no se superan C.O.P.s de 0.7, en máquinas de doble etapa se alcanzan valores que pueden ser hasta 1.5 veces a los esperables en una etapa, es decir de hasta 1.2; esto significa que las máquinas de doble etapa aprovechan mejor la energía que las de etapa simple. En ciclos de baja temperatura Amoniaco-Agua se consiguen valores de C.O.P. de 0.5 y pueden alcanzarse máximos de 0.8. Por el contrario en equipos de compresión mecánica de gran cantidad, con compresores centrífugos y de tornillo, se 7
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consiguen en la actualidad rendimientos frigoríficos entre 4.5 y 5.5 kW/kW (C.O.P.s en el evaporador de 4.5 a 5.5). De no ser porque el coste de producir el trabajo mecánica necesario para obtener un kW de refrigeración por ciclo de compresión mecánica de vapor es, normalmente, superior al coste necesario para recuperar la cantidad de calor requerida para obtener el mismo kW en un ciclo de absorción, estas diferencias tan espectaculares en cuanto a los C.O.P.s habrían convertido a las máquinas de absorción, hace mucho tiempo, en piezas de museo o “curiosidades tecnológicas”. El coste de la energía básica es el único factor que determina la posible competitividad de los sistemas de absorción frente a los de compresión mecánica. c. Coste energético y aprovechamiento alternativo Debido a que los sistemas de refrigeración por absorción utilizan energías térmicas residuales (que de otro modo serían expulsados al ambiente), es evidente que siempre exista la posibilidad de que dichas energías sean desechables, gratuitas, o de muy bajo coste, además de ser procedentes de energías renovables, o efluentes de procesos industriales o de sistemas de cogeneración, la aplicación de sistemas de absorción para la producción frigorífica será competitiva e interesante (ASHRAE, 1995). Así mismo puede resultar atractiva la aplicación de sistemas “híbridos”, que se basan en la instalación de máquinas de absorción en serie, o en paralelo, con máquinas de compresión mecánica sobre el mismo circuito de agua enfriada. En estos sistemas, las máquinas de compresión se utilizan para hacer frente a las cargas térmicas básicas, o en horas valle, mientras que las máquinas de absorción se utilizan exclusivamente en horas punta o para combatir las demandas punta. Esto permite dimensionar las máquinas que consumen energía más cara para condiciones de menor carga, lo que repercute favorablemente en los costes de explotación de la instalación. d. Utilización de combustibles y aprovechamiento alternativo Los sistemas de absorción no solo hacen posible la utilización de energías térmicas que serían evacuadas a la atmósfera de no utilizarse estos sistemas para su recuperación y aprovechamiento, sino que además, al mismo tiempo, evitan el consumo de energías más caras, fósiles o eléctricas, para su utilización en la producción frigorífica. Es decir, de alguna manera, dan lugar a un doble ahorro de energía; uno por la recuperación de energías desechables y otro por la reducción de consumos primarios en la producción de energía eléctrica (Cano 2001). Por último no queremos dejar de comentar las posibilidades de los equipos de absorción para ser utilizados para la refrigeración y climatización en aplicaciones en las que se dispone de fuentes
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alternativas de energía. Energías no convencionales como la Geotérmica, la Biomasa y la Solar Térmica pueden ser empleadas como fuente de aporte energético a los concentradores de plantas de absorción de simple efecto, para valores de temperatura de agua comprendidos entre 80 y 130°C, bien es verdad que con C.O.P.s bastante bajos, alrededor de 0.5, pero con la ventaja que supone la independencia de fuentes convencionales de energía y, sobre todo, el ahorro de combustibles fósiles y la reducción del impacto ambiental que su uso lleva aparejado (Cano, 2001). VIII.
Impacto ambiental
El impacto ambiental del sistema de refrigeración por absorción en comparación con el de refrigeración por compresión se puede indicar de acuerdo a la utilización de ambos sistemas y a la naturaleza de los refrigerantes empleados. a) Utilización de los sistemas Cano (2001) dice que el factor que determina con mayor exactitud la incidencia sobre el medio ambiente de una máquina o proceso, es el que se ha dado en denominar TEI (Total Environmental Impact) que engloba todos los parámetros de influencia: -
ODP (Potencial de destrucción de Ozono). GWP (Potencial de calentamiento global-Efecto Invernadero) Consumo de los equipos (COP). Vida atmosférica. Carga de los equipos (Refrigerante). Emisiones de los equipos.
De todos estos parámetros el de mayor importancia, cuando nos referimos a la maquinaria frigorífica, resulta ser el consumo de los equipos, englobando tanto los consumos directos de energía de cada máquina como los de energías primarias y fósiles necesarios para la producción de la energía eléctrica que después se va a consumir en ella, e incluyendo las emisiones de gases invernadero (CO2, fundamentalmente) que van aparejadas con la producción de esta energía. La Agencia Internacional del Medio Ambiente ha determinado que el 98% del TEI de una planta frigorífica se debe a la emisión de gases invernadero que se originan en la producción de la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. Solo el 2% restante se debe a las emisiones originadas por la propia máquina. Si consideramos ahora que el consumo eléctrico de una planta de absorción es, por término medio, un 7% del correspondiente a un equipo de compresión mecánica, y que la energía térmica que consume, salvo en las aplicaciones de combustión directa, procede como efluente de un proceso, es decir que su impacto medioambiental se debe a otras necesidades ajenas
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a las de la producción frigorífica, concluiremos que el TEI de una planta de absorción es tan solo el 7.15% respecto al equipo de compresión mecánica equivalente. Este valor se reduce hasta el 7% si tenemos en cuenta que un equipo de absorción no origina emisiones propias, ya que su interior, por principio, se encuentra en depresión frente a la atmósfera, y que aun en el supuesto de que por una avería se produjera algún vertido o emisión al exterior de sus fluidos interiores, esto no tendría ningún efecto contaminante para el medio, dadas las características de estas sustancias. En equipos que funcionan con combustión directa, el efecto de las emisiones propias se acentúa por la emisión de los productos de la combustión que se generan en la máquina. En este sentido, considerando un COP medio de 1 en la producción frigorífica, y un rendimiento en la combustión de un 90%. Con gas natural, se alcanzaría un valor de TEI prácticamente idéntico al que correspondería a un equipo de compresión de la misma capacidad frigorífica accionado eléctricamente y con un COP de 4.5. Esto sin tener en cuenta los efectos debidos a los agentes frigoríficos, que en caso de la absorción serían nulos. b) Refrigerantes En lo que a agentes frigorígenos se refiere, la balanza se inclina favorablemente a favor de la utilización de ciclos de absorción frente a los de compresión mecánica para la producción frigorífica. Desde el punto de vista medioambiental el interés de los primeros es evidente, por las siguientes razones: En los ciclos Agua-Bromuro de Litio el refrigerante que se utiliza R-718 (agua destilada), y el absorbente es una solución de Bromuro de Litio. En los ciclos Amoniaco-Agua se utiliza R-717(Amoniaco) como refrigerante y agua destilada como absorbente. En la siguiente tabla se muestran las características de los refrigerantes utilizados en los cilos de absorción.
Tabla 01. Característica de los refrigerantes: Amoniaco, agua y sal diluida de Bromuro de Litio.
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R-717 Amoniaco Estabilidad química Media Toxicidad Alta Disponibilidad Alta Efectos contaminantes Bajos ODP 0 GWP 0 TEWI* Bajo Calor lat. Vaporización 1.25 MJ/kg Coste Medio *Total Equivalente del Impacto en el Calentamiento.
R-718
BrLi
Agua Alta Nula Alta Nulos 0 0 Nulo 2.5 MJ/kg Bajo
Sal Diluida Alta Baja Alta Nulos 0 0 Bajo N/A Medio
Fuente: Cano (2001). Las tres sustancias tienen un comportamiento muy favorable con el medio ambiente, si bien se precisan precauciones especiales para la manipulación y mantenimiento de los equipos que trabajan con Amoniaco, dada la peligrosidad de esta sustancia para el ser humano, sobre la que no es preciso abundar ya que es sobradamente conocida. Por lo que respecta al agua, solo cabe señalar la necesidad de controlar su pureza cuando se emplea como refrigerante, más por lo que puede afectar al rendimiento de los equipos que por sus efectos sobre las personas y el medio ambiente para los que es completamente inocua. La sal de Bromuro de Litio es, así mismo inocua, aunque en solución acuosa tiene efectos detergentes bastante acusados por lo que no debe ser ingerida y conviene ser manipulada con la precaución necesaria para evitar derrames que pueden decolorar los suelos de madera y otros materiales orgánicos. No se requieren más prevenciones.
IX.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ABSORCIÓN
a) SISTEMA DE ABSORCIÓN DE EFECTO SIMPLE Un sistema de refrigeración por absorción de simple efecto es el más simple y más comúnmente diseño utilizado. Hay dos configuraciones de diseño dependiendo de los 11
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fluidos de trabajo utilizado. Fig. 3 muestra un sistema de simple efecto usando absorbente tal como la no volatilidad LiBr / agua
Fig. 4. Un sistema de refrigeración LiBr / absorción de agua de simple efecto con un intercambiador de calor de la solución (HX) que ayuda a la entrada de calor disminución en el generador. Calor de alta temperatura suministrado al generador se utiliza para evaporar refrigerante a partir de la solución (rechazado a los alrededores en el condensador) y se usa para calentar la solución de la temperatura del absorbedor (rechazado a los alrededores en el absorbedor). Por lo tanto, una irreversibilidad es causada en forma de calor de alta temperatura en el generador se desperdicia a cabo en el absorbedor y el condensador. Con el fin de reducir esta irreversibilidad, un intercambio de calor solución se introduce como se muestra en la Fig. 4. El calor intercambiador permite que la solución del absorbedor a ser precalentado antes de entrar en el generador utilizando el calor de la solución caliente que sale del generador. Por lo tanto, la se mejora como la entrada de calor en el generador se reduce. Además, el tamaño del absorbedor se puede reducir como menos calor es rechazado. Los estudios experimentales muestran que la se puede aumentar hasta un 60% cuando un intercambiador de calor de solución es utilizado (Aphornratana, 1995). Cuando la volatilidad absorbentes tales como agua / NH3 se utiliza, el sistema requiere un extra componente llamado "un rectificador", que purificará el refrigerante antes de entrar en el condensador. A medida que la absorbente usada (agua) es muy volátil, se evaporó junto 12
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con amoníaco (refrigerante). Sin el rectificador, se condensa esta agua y se acumulan en el interior del evaporador, haciendo que el rendimiento disminuya. Incluso si los fluidos de trabajo más comunes utilizados son LiBr / agua y agua / NH3, varios investigadores han estudiado el rendimiento de un sistema de absorción de simple efecto el uso de otros tipos de fluidos de trabajo como AgN O3
+ KN
O3
+ NaN
O3
O3
/ N
H3
, LiBr + Zn
Br 2
/ C
H3
OH, LiN
/ agua, LiCl / agua, glicerol / agua (Grover et al., 1988).
b) CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN “MULTI-EFECTO” El objetivo principal de un ciclo de mayor efecto es aumentar el rendimiento del sistema cuando la fuente de calor de alta temperatura está disponible. Por el término "multi-efecto", el ciclo tiene que ser configurado de manera que el calor desechado para una etapa de alta temperatura es se utiliza como entrada de calor en una etapa de baja temperatura para la generación de refrigeración adicional efectuar en la etapa de baja temperatura. Doble efecto del ciclo de refrigeración por absorción se introdujo durante 1956 y 1958 (Vliet et al., 1982). La figura 5 muestra un sistema que utiliza LiBr / agua. De calor de alta temperatura de un externo suministros de origen a la primer generador de efectos. El refrigerante vapor generado se condensa a alta presión en el generador de segundo efecto. El calor rechazado se utiliza para producir vapor de refrigerante Además de la solución procedente de la primera efecto generador. Esta configuración del sistema se considera como una serie de flujo de doble efecto sistema de absorción.
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Fig. 5. Un ciclo de absorción de agua / LiBr de doble efecto. El calor liberado de la condensación de refrigerante vapor se utiliza como entrada de calor en el generador II. Este ciclo se opera con 3 niveles de presión es decir, alta, moderada y baja presión. Un sistema de absorción de doble efecto se considera como una combinación de dos de simple efecto sistemas de absorción cuyo valor COP es COPsingle. Para una unidad de entrada de calor de la fuente externa, efecto de enfriamiento producido por el refrigerante generado desde el generador de primer efecto es 1 × COPsingle. Para cualquier sistema de absorción de simple efecto, se puede suponerse que el calor rechazado del condensador es aproximadamente igual a la capacidad de refrigeración obtenida. Por lo tanto el suministro de calor a la segunda generador es 1 × COPsingle. El efecto de enfriamiento producido por el generador de segundo efecto es (1 × COPsingle) × COPsingle. Por lo tanto, la Conferencia de las Partes de este sistema de absorción de doble efecto es COPdouble = 2
COPsingle + (COPsingle ¿
. Según este análisis, un doble efecto sistema de absorción
tiene un COP de 0,96 cuando el sistema de simple efecto correspondiente tiene un COP de 0,6. Los estudios teóricos de un sistema de absorción de doble efecto han sido proporcionados para varios fluidos de trabajo (Kaushik y Chandra, 1985; Garimella y Christensen, 1992).
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Fig. 6. Un ciclo de absorción de doble efecto funciona con dos niveles de presión. El calor de absorción desde Absorber II se suministra a la unidad de adsorción I para el proceso de separación de refrigerante Si LiBr / agua se sustituye con agua / NH3, la presión máxima en la primera efectogenerador será muy alta. Fig. La figura 6 muestra un sistema de absorción de doble efecto usando agua / NH3. En contraste con el sistema de LiBr / agua, este sistema puede ser considerado como una combinación de dos ciclos de efecto individuales separadas. El evaporador y los condensadores de ambos ciclos se integran juntos como una sola unidad como se muestra. Por lo tanto, sólo hay dos presiones de nivel en este sistema y la presión máxima puede ser limitado a un nivel aceptable. El calor de los suministros de fuentes externas al generador II solamente. Como el agua es un absorbente, no hay problema de la cristalización en el absorbedor. Por lo tanto, II absorbedor puede funcionar a alta temperatura y rechaza el calor al generador I. configuración Este sistema se considera como un flujo paralelo de doble efecto sistema de absorción. Sin embargo, una mejora de la no está directamente relacionada con el incremento del número del efecto. Debe tenerse en cuenta que, cuando el número de efectos aumentan, COP de cada efecto no será tan alta como la de un sistema de simple efecto. Además, la 15
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mayor número de efecto conduce a una mayor complejidad del sistema. Por lo tanto, el ciclo de doble efecto es el que está disponible comercialmente (Ziegler et al., 1993).
c) CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN “MITAD-EFECTO” Debe tenerse en cuenta que, cualquier sistema de refrigeración por absorción puede ser operado solamente cuando la solución en el absorbedor es más rica en refrigerante que en el generador. Cuando la temperatura aumenta o reduce la presión, la fracción de refrigerante contenido en la solución se reduce, y viceversa. Cuando la temperatura del generador se ha caído, se incrementará la velocidad de circulación solución causando la COP a soltar. Si es demasiado bajo, el sistema puede ser dejado de funcionar. El sistema de absorción media-efecto se introdujo para una aplicación con una relativamente fuente de calor de baja temperatura (Battelle Memorial Institute, 1985). Fig. 07 muestra un diagrama esquemático de un ciclo de refrigeración por absorción de efecto medio. La configuración del sistema es exactamente el mismo que el sistema de absorción de doble efecto usando agua / N
H3
(como se muestra en la Fig. 6) excepto el calor
direcciones de flujo son diferentes. Haciendo referencia a la Fig. 07, de alta temperatura el calor de una fuente externa transferencias a ambos generadores. Ambos rechazan absorbedores de calor a los alrededores. Absorber II y el generador que se emplean a un intermediario nivel de presión. Por lo tanto, la velocidad de circulación entre el generador y el absorbedor I I y entre el generador y el absorbedor II II se puede mantener en niveles aceptables. Se debe se observó que la del sistema de absorción media-efecto es relativamente bajo, ya que rechaza más calor que un ciclo de absorción de simple efecto alrededor del 50% (Groll, 1997). Sin embargo, puede operar con la fuente de calor relativamente baja temperatura.
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Fig. 07. Un ciclo de absorción media-efecto es una combinación de dos ciclos de efecto único, sino que trabaja en diferentes niveles de presión. Dejar temperatura de la fuente de calor sea menor que la temperatura mínima es necesaria para un ciclo de simple efecto que trabaja en el mismo nivel de presión.
d) CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE DOBLE EFECTO El concepto de un sistema de absorción de ciclo dual es similar a una de doble efecto paralelo sistema de absorción. Sin embargo, este sistema consta de dos ciclos completamente separados utilizando diferentes tipos de fluido de trabajo. Hanna et al. (1984) inventaron una absorción de ciclo dual de refrigeración y bomba de calor, como se muestra en la Fig. 08. Este sistema consta de dos ciclos de absorción de efecto simple con agua / N
H3
y LiBr / agua. El sistema de N
H3
es impulsado por el calor obtenido de
una fuente de calor externa. El calor de rechazo de su absorbedor y condensador se utiliza como un calor de accionamiento para el sistema de LiBr / agua. La Sistema de LiBr / agua rechaza el calor a los alrededores en el condensador y el absorbedor como de costumbre. El efecto de enfriamiento se puede obtener de ambos evaporadores.
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Fig. 08. Solar absorción ciclo dual impulsado emplea dos fluidos de trabajo diferentes, es decir, N
H3
/ agua y agua / LiBr. El calor de absorción y condensación de ciclo / agua
NH3 se suministran al generador de ciclo del agua / LiBr.
X.
PROCESO DE ABSORCIÓN EN LA COLUMNA DE ABSORCIÓN O ABSORBEDOR
En un sistema de refrigeración por ciclo de absorción, la compresión del vapor de refrigerante es efectuada por el absorbedor, la bomba de solución y el generador combinados, en lugar de un compresor de vapor mecánico. El vapor generado en el evaporador se absorbe en un absorbente líquido que hay en el absorbedor. El absorbente que ha absorbido refrigerante, absorbente gastado o débil, es bombeado al generador donde el refrigerante se libera en forma de vapor, el cual se debe condensar en el condensador. El absorbente regenerado o fuerte se recircula después al absorbedor para absorber de nuevo el vapor de refrigerante. El calor se suministra al generador a una temperatura relativamente alta y se rechaza desde el absorbedor a un nivel relativamente bajo, de forma análoga a un motor de calor.
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Figur 09. Sistema de refrigeración por absorción simple. Uno de los componentes más importantes de los sistemas de refrigeración por absorción es el absorbedor, ya que su funcionamiento afecta directamente al sistema global. El diseño de los absorbedores es un punto crítico, originado por la complejidad de los procesos de transferencia de masa y calor. Un intercambio de calor eficiente en el absorbedor depende principalmente de un excelente mezclado entre el vapor y la solución de trabajo y del máximo área de o entre la pared del intercambiador y la solución. El aumento de la eficiencia en el absorbedor puede ser logrado aplicando diferentes técnicas. Una de ellas está asociada al incremento de la turbulencia por medio de corrugaciones en las paredes del intercambiador de calor o modificando la geometría, también puede conseguirse mediante la utilización de aditivos que disminuyan la tensión superficial de la solución (efecto Marangoni) provocando un movimiento del seno del líquido hacia la superficie y viceversa, o bien mediante la adición de nano partículas en la solución para mejorar la conductividad térmica de la solución. El refrigerante y el absorbente en un ciclo de absorción forman lo que se denomina un par de trabajo. A lo largo de los años se han propuesto muchos pares, pero sólo dos de ellos se han utilizado extensamente: amoníaco junto con agua como absorbente y agua junto con una solución de bromuro de litio en agua como absorbente. El par agua amoníaco se encuentra sobre todo en aplicaciones de refrigeración, con bajas temperaturas de 19
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evaporación, inferiores a 0ºC. El par agua-bromuro de litio se emplea extensamente en aplicaciones de refrigeración por aire, donde no es necesario enfriar por debajo de 0ºC. Los niveles de presión en la máquina de agua-amoníaco son normalmente superiores a la presión atmosférica, mientras que las máquinas de agua-bromuro de litio funcionan generalmente en vacío parcial. El fluido de trabajo en un sistema de refrigeración por absorción consta de una solución binaria que se conforma por refrigerante y absorbente. En la Fig. 1(a), dos recipientes evacuados se conectan uno al otro. El recipiente izquierdo contiene refrigerante líquido mientras que el recipiente derecho contiene una solución binaria de absorbente/refrigerante. La solución en el recipiente derecho absorberá vapor de refrigerante del recipiente izquierdo causando una disminución de presión (Skrikhirin et al., 2001). Mientras que el vapor de refrigerante es absorbido, la temperatura del refrigerante restante disminuirá como resultado de su vaporización. Esto ocasiona un efecto de refrigeración dentro del recipiente izquierdo. Al mismo tiempo, la solución dentro del recipiente derecho se diluye debido al mayor contenido de refrigerante absorbido. Esto se llama “proceso de absorción”. Normalmente, el proceso de absorción es un proceso exotérmico, por lo tanto, debe expulsar calor a los alrededores en orden de mantener su capacidad de absorción (Skrikhirin et al., 2001).
Fig. 10. (a) El proceso de absorción ocurre en el recipiente derecho causando un efecto de enfriamiento en el recipiente izquierdo. Fig. 11 (b) El proceso de separación de refrigerante ocurre en el recipiente derecho debido al calor adicional proporcionado por una fuente de calor externa.
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XI.
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PROPIEDADES DEL ABSORBENTE
El absorbente es el componente más importante en un sistema de refrigeración por absorción y su desempeño influye en la eficiencia global del sistema. La transferencia de masa y calor en la película descendente en el absorbente depende de las propiedades del fluido, la geometría del absorbente y sus parámetros de operación. El absorbente debe tener las siguientes propiedades para poder ser utilizado como fluido en los ciclos de refrigeración por absorción: 1. El absorbente debe tener una fuerte afinidad por el refrigerante. Entre mayor sea esta afinidad, se requerirá una menor cantidad, reduciendo las pérdidas térmicas durante su calentamiento. Sin embargo, si esta afinidad es demasiado grande, será necesario suministrar una gran cantidad de energía para la restitución del refrigerante. 2. La presión de vapor a la temperatura requerida en el generador debe ser despreciable o muy baja, en comparación con la presión de vapor del refrigerante. 3. El absorbente debe permanecer en estado líquido durante todo el ciclo, para evitar el problema de cristalización; la estabilidad química debe ser buena y no debe ser corrosivo ni tóxico. 4. El calor específico debe ser bajo para evitar las pérdidas, la conductividad térmica debe ser lo más alta posible, la viscosidad y la tensión superficial deben ser bajas para facilitar la transmisión del calor y la absorción. 5. El absorbente debe ser menos volátil que el refrigerante, para facilitar su separación en el generador. Si esto no es posible, se requerirá la integración de un rectificador para llevar a cabo esta separación en forma de vapor.
XII.
PRINCIPALES APLICACIONES DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
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Los equipos de refrigeración por ciclo de absorción pueden ser usados de manera tan amplia como cualquier otra planta refrigeradora de agua convencional, y las aplicaciones para aire acondicionado son las más usuales. Actualmente, se está intensificando el uso en instalaciones del sector terciario que disponen de campos de captadores solares térmicos para producción de agua caliente sanitaria y calefacción, y estas instalaciones, en verano, cuando es mayor la disponibilidad de radiación solar, en lugar de disipar los sobrantes, los aprovechan para obtener refrigeración gratuita. La otra utilización clásica de estos equipos es en procesos industriales, sobre todo en los que también se utiliza una fuente de calor residual como energía para hacer funcionar el equipo. -
Equipo de refrigeración por absorción con ciclo amoniaco/agua.
En cuanto a las plantas basadas en el ciclo amoníaco/agua como refrigerante/absorbente, pueden utilizarse, además, en aplicaciones a baja temperatura, como en la cadena de preparación y conservación de alimentos, procesos vinícolas, tratamiento de lácteos, preparaciones farmacéuticas, etc. De hecho, el campo de aplicación es muy amplio, ya que se trata de una técnica muy desarrollada, totalmente fiable y con reducidos costes de mantenimiento, que está disponible en unidades de más de 4.000 kW de refrigeración con utilización para agua caliente, y de más de 6.000 kW a llama directa. La mayoría de los equipos disponibles en el mercado mundial se ajustan también a las directivas europeas, de conformidad con la marca CE. Sin embargo, se recomienda verificar esto antes de seleccionar la marca y asegurarse de que dispone también de servicio de asistencia técnica en el mismo país.
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Figura 12. Refrigeración por absorción utilizando energía solar térmica
Figura13. Equipo de refrigeración por absorción con ciclo amoniaco/agua.
XIII.
CICLOS TERMODINÁMICOS POR ABSORCION
El ciclo de refrigeración por absorción es un caso particular de los sistemas a sorción en donde participan por lo general dos fases, sea, entre un líquido y un vapor o entre un sólido y un vapor. De todos los ciclos termodinámicos disponibles para la producción de frío los sistemas tritermos de absorción son los más utilizados en la aplicación de energías de baja entalpía como la solar o el calor de desecho industrial, en particular los sistemas a absorción líquido-gas y sólido-gas y los de adsorción sólido-gas, tanto en funcionamiento continuo como intermitente.
1. CICLO CONTINUO
Descripción del ciclo continúo de un sistema de refrigeración por absorción.
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Fig. 14 Ciclo de absorción en funcionamiento continúo. El refrigerante en forma de vapor de baja presión entra al absorbedor, en donde es absorbido por el absorbente. La solución que sale del absorbedor contiene una concentración alta en refrigerante, la cual es llamada solución concentrada. Esta solución es bombeada hasta el generador a la presión correspondiente. La solución concentrada entra al generador con presión alta y baja temperatura en donde se le suministra calor, esto eleva la temperatura de la solución y de aquí en adelante la cantidad de refrigerante que el absorbente puede retener es reducida. Ahora el refrigerante es manejado como vapor y llevado fuera del generador. La solución resultante después de la generación contiene una baja concentración de refrigerante, la cual se conoce como solución diluida. La solución regresa al absorbedor pasando a través de una válvula de expansión la cual tiene como función provocar una caída de presión para lograr mantener una diferencia de presiones entre el generador y el absorbedor. El refrigerante en forma de vapor con presión y temperatura alta saliendo del generador y entrando al condensador, donde la reducción en la temperatura provoca la condensación del vapor. Posteriormente el refrigerante líquido pasa a través de una válvula de expansión la cual le reduce bruscamente la presión hasta alcanzar la presión de evaporación. Ya en el evaporador el refrigerante líquido extrae calor del medio que lo rodea (aire o líquido), provocando su enfriamiento. El refrigerante en forma de vapor saturado sale del evaporador y regresa al absorbedor para ser reabsorbido por la solución diluida, completando el ciclo.
Eficiencia del sistema de refrigeración por absorción.
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La eficiencia de operación del sistema de refrigeración es medida por el coeficiente de operación conocido como COP:
COP=
calor absorbido por el refrigerante alevaporarse calor suministrado alrefrigerante+trabajo de la bomba
COP=
Qg QC +W B
Donde:
Qg =¿ calor de evaporación QC =¿ calor de generación W B=¿ trabajo suministrado por la bomba 2. CICLO INTERMITENTE La diferencia fundamental entre un ciclo de refrigeración por absorción en funcionamiento intermitente y continuo es que en la operación intermitente, los procesos de generacióncondensación y evaporación-absorción, se desarrollan en tiempos diferentes. El ciclo intermitente puede desarrollarse de dos formas, a) ciclo a presión constante y b) ciclo a temperatura constante.
Fig. 15. Ciclo a presión constante.
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