UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍAS FÍSICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
CURSO:
TÓPICOS SELECTOS DE INGENIERÍA MECÁNICA I DOCENTE: ING. CARLOS GORDILLO ANDIA. AREQUIPA - PERU 2006
Principio y antecedentes históricos del ciclo de refrigeración por absorción. El ciclo termo termodinám dinámico ico de enfri enfriamien amiento to por absorción, absorción, al igual que el de co comp mpre resi sión ón,, se ba basa sa en la ne nece cesi sida dad d de dell fl flui uido do us usad ado o co como mo refrigerante de obtener calor del fluido a enfriar para poder cambiar del estado líquido al de vapor cuando se le hace pasar de una presión a otra más baja. baja. En los equipos equipos de refrigeraci refrigeración, ón, el fluido fluido en estado líquido se encuentra a más alta presión en el condensador y se le hace fluir al evaporador a baja presión donde obtiene de su entorno el calor calor necesari necesario o par paraa poder evapo evaporar rarse. se. Est Estee refriger refrigerant antee en estado vapor se devuelve a alta presión al condensador donde se le sustrae el calor que ha obtenido volviendo al estado líquido para empezar de nuevo el ciclo. Con ello se logra el objetivo de sacar calor de un espacio, el evaporador, enfriándolo, para disiparlo en otro, el condensador. Mientras que en el ciclo de compresión, la circulación del fluido y el efecto de la presión se obtiene con un compresor mecánico, en el ciclo de absorción ello se logra aportando calor al generador donde el refrigerante está mezclado con otro fluido denominado absorbente cuya función es absorber el vapor vapor en la zona zona de baja presió presión n para poder devolverlo en forma líquida al generador. El ci cicl clo o de abs bsor orci ción ón no es un de desc scub ubri rimi mien ento to re reci cien ente te.. Su Suss antecedentes pueden situarse en 1755, cuando el escocés William consig sigui uió ó ob obte tene nerr un unaa pe pequ queñ eñaa ca cant ntid idad ad de hi hiel elo o en un unaa Cullen con campana donde mantenía una presión reducida. Poco después, en 1777, otro escocés, Gerald Nairne, introducía ácido sulfúrico en la 2
campana de Cullen, de manera que el vapor de agua fuera absorbido por este, dejando espacio para permitir una mayor evaporación de agua. Algo más tarde, en 1810, John Leslie coloca dentro de la campana bajo vacío, un recipiente con el agua a evaporar y en el fondo otro recipiente con el ácido sulfúrico, logrando una producción de 3 Kg. de hielo por hora. Pero es finalmente el francés Ferdinand Carré, quién construye y comercializa en 1890 la primera máquina de absorción, destinada principalmente a la fabricación de hielo, utilizando amoniaco como refrigerante y agua como absorbente. Hasta los años sesenta del pasado siglo XX, esta técnica se desarrolló especialmente en los Estados Unidos, pero posteriormente ha evolucionado particularmente en el Japón debido probablemente a la política energética seguida por éste país. Existen versiones de llama directa en las que el calor es aportado por un quemador de combustible y otras por agua caliente, donde se utiliza la energía contenida en agua caliente de origen solar o procedente de equipos de cogeneración u otras fuentes de calor gratuito o residual. El desarrollo de esta tecnología se ha derivado en dos grandes grupos en función del refrigerante y del tipo de absorbente utilizado. Uno de ellos utiliza una solución de amoniaco y agua siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el absorbente. A esta familia corresponden los equipos de la firma ROBUR distribuidos por ABSORSISTEM. El otro grupo emplea una solución de bromuro de litio con agua donde ésta actúa como refrigerante siendo las sales de Li Br el absorbente. Los equipos de la marca YAZAKI distribuidos también por ABSORSISTEM pertenecen a ésta segunda familia. Refrigeración por absorción El método convencional de refrigeración es con equipos compresores. Mediante energía mecánica se comprime un gas refrigerante. Al condensar, este gas emite el calor latente que antes, al evaporarse, había absorbido el mismo refrigerante a un nivel de temperatura inferior. Para mantener este ciclo se emplea energía mecánica, generalmente mediante energía eléctrica. Dependiendo de los costos de la electricidad, este proceso de refrigeración es muy costoso. Por otro lado, tomando en cuenta la eficiencia de las plantas termoeléctricas, solamente una tercera parte de la energía primaria es utilizada en el proceso. Además, los refrigerantes empleados hoy en día pertenecen al grupo de los fluoroclorocarbonos, que por un lado dañan la capa de ozono y por otro lado contribuyen al efecto invernadero. Un método alternativo de refrigeración es mediante equipos de absorción. En estos sistemas la energía suministrada es, en primer lugar, energía térmica. El refrigerante no es comprimido
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mecánicamente, sino absorbido por un líquido solvente en un proceso exotérmico y transferido a un nivel de presión superior mediante una simple bomba. La energía necesaria para aumentar la presión de un líquido mediante una bomba es despreciable en comparación con la energía necesaria para comprimir un gas en un compresor. A una presión superior, el refrigerante es evaporado desorbido del líquido solvente en un proceso endotérmico, o sea mediante calor. A partir de este punto, el proceso de refrigeración es igual al de un sistema de refrigeración por compresión. Por esto, al sistema de absorción y desorción se le denomina también "compresor térmico". En los sistemas de refrigeración por absorción se diferencia entre dos circuitos, el circuito del refrigerante entre compresor térmico, condensador y evaporador, y el circuito del solvente entre el absorbedor y el separador. Una ventaja notable de los sistemas de absorción es que el refrigerante no es un fluoroclorocarbono. La mezcla de refrigerante y solvente en aplicaciones de aire acondicionado y para temperaturas mayores a 0°C es agua y bromuro de litio (Li Br). En aplicaciones para temperaturas hasta -60°C es amoniaco (NH3) y agua. Hasta hoy no se han encontrado otras mezclas apropiadas para estas aplicaciones, aunque se están desarrollando sistemas de adsorción en los que el refrigerante es absorbido en matrices sólidas de ceolitos. Ventajas y desventajas de las sustancias pares en sistemas de absorción Agua / Bromuro de Litio (Li Br) Ventajas: El refrigerante agua tiene una alta capacidad calorífica La solución de bromuro de litio no es volátil Las sustancias no son tóxicas ni inflamables Desventajas: El sistema no puede enfriar a temperaturas menores del punto de congelación de agua El bromuro de litio es solvente en agua sólo limitadamente El vacío demanda una alta impermeabilidad del sistema Amoniaco (NH3) / Agua Ventajas:
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El refrigerante amoniaco tiene una alta capacidad calorífica Aplicaciones de temperaturas muy bajas, hasta -60°C Propiedades muy buenas de transferencia de calor y masa Desventajas: Presión muy alta del refrigerante (tuberías más gruesas) Volatilidad del solvente (es necesaria una rectificación Toxicidad del amoniaco). EL PROCESO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN CON AMONIACO. Desde hace más de cien años las plantas de refrigeración por absorción se están usando para la refrigeración a bajas temperaturas. Actualmente se usan los métodos más modernos de diseño y construcción para realizar plantas de alta eficiencia, fiabilidad y bajos costes. En una planta de refrigeración el refrigerante evapora a baja temperatura y presión en el evaporador. A continuación es transportado al circuito de alta presión donde condensa en el condensador. Las plantas de refrigeración por compresión usan un compresor para transportar el vapor de refrigerante del evaporador al condensador. En una planta de refrigeración por absorción (PRA) un circuito de solución cubre la función de compresor térmico. En vez de consumir energía eléctrica, este circuito consume energía térmica en forma de vapor, agua caliente o gases de escape. Una PRA esta formada principalmente por intercambiadores de calor. La única componente con partes móviles es la bomba de solución. Por ello estas plantas prácticamente no tienen desgaste siendo de alta fiabilidad y reducidos gastos de mantenimiento. En sectores en que la fiabilidad es de importancia primordial, como es por ejemplo la liofilización de café a –55°C, prácticamente solo se usan plantas de refrigeración por absorción. INSTALACIÓN DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN. Resumen: Instalación de refrigeración por absorción, cuya regeneración de la solución se realiza en desorbedor de aire a partir del calor secundario de las instalaciones energéticas que contiene en lo fundamental un evaporador, una bomba del evaporador, una bomba del absorbedor, un absorbedor, un intercambiador de calor solución-solución, un intercambiador de calor solución-portador energético, un desorbedor, que incluye una entrada y salida de aire, una empaquetadora, un rociador, un separador de gotas, un intercambiador de calor aire-aire y un ventilador; un enfriador de aire, un tanque de alimentación y una bomba de recirculación de agua fría y que se caracteriza por un
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condensador de contacto cuya entrada de aire está conectada con la salida de aire del desorbedor, lo que permite que el vapor de agua contenido en el aire saturado expulsado por el desorbedor se condense como consecuencia de su contacto directo con la película de agua fría, formada por el rociador y que se desliza por la empaquetadura, proveniente del evaporador y del tanque de alimentación de agua, hacia el que se descarga por gravedad el condensado recogido en la bandeja recolectora del enfriador de aire y el obtenido en el condensador de contacto. FIG. 1
MEMORIA DESCRIPTIVA
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INSTALACION DE REFRIGERACION POR ABSORCION La presente invención se relaciona con la rama de la Refrigeración y el acondicionamiento de aire, particularmente con las instalaciones de refrigeración por absorción con ciclo abierto, cuya regeneración de la solución de trabajo se realiza en desorbedores de aire. Son conocidas las instalaciones de refrigeración por absorción con ciclo abierto, cuya regeneración de la solución de trabajo se realiza en desorbedores de aire y que contienen en lo fundamental un evaporador, una bomba del evaporador, una bomba del absorbedor, un absorbedor, un intercambiador de calor solución-solución, un intercambiador de calor solución-portador energético, un desorbedor, que incluye, un flotante, una entrada de aire, una empaquetadora, un rociador, un separador de gotas, un intercambiador de calor un ventilador; un enfriador de aire, un tanque de alimentación de agua y una bomba de recirculación de agua fría. Dichas instalaciones son conocidas de diversos autores, Altenkerch 1913, Chernobilski 1958, Kremniov 1965, Balilkes 1966, Baum 1972, Crosman 1972, Barkalov 1982, etc. El prototipo más cercano lo constituye una instalación de refrigeración por absorción con regeneración atmosférica de la solución de trabajo en un desorbedor de aire con recuperación de calor según patente URSS F25B 33/00 No. 616498. La citada instalación tiene la desventaja de que presenta bajo rendimiento económico, debido a que al producirse la regeneración de la solución de trabajo en el desorbedor de aire se pierde una significativa cantidad de agua con el aire húmedo expulsado por el ventilador del desorbedor. En instalaciones, de una capacidad frigorífica de 300 000 kcal/h se pierden anualmente alrededor de 2 millones de litros de agua prácticamente pura de un costo mucho más elevado que la de acueducto. Esta realidad limita grandemente el empleo de estas instalaciones y sobre todo en aquellas zonas donde hay escasez de agua. El objetivo de la invención consiste en aumentar el rendimiento económico de la instalación. La novedad radica en que para evitar las perdidas de agua a la atmósfera se conecta a la salida del desorbedor de aire un equipo compacto de intercambio de calor y masa de contacto que permite la condensación de gran parte del vapor de agua contenida en el aire que se expulsa a la atmósfera por el ventilador del desorbedor de aire , mediante el paso a través de dicho condensador de agua fría proveniente del evaporador y el tanque de alimentación de agua, hacia donde se descarga el condensado proveniente del condensador y de la bandeja del enfriador de aire. Con respecto a los esquemas tradicionales de las instalaciones frigoríficas por absorción (Ej. Li Br H2O) con equipos del tipo de tubo y carcasa, unidos los cuatro elementos de dos aparatos generador condensador y evaporador-absorbedor son evidentes también las ventajas de la instalación que se propone
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producto de que los procesos de transferencia de calor y masa se producen más intensamente en los equipos de contacto directo, a la vez que son más compactos y baratos. La Figura 1 es una vista general de todos los componentes de la instalación, según figura 1, la instalación está compuesta de un evaporador 1, una bomba del evaporador 2, una bomba de solución 3, un absorbedor 4, un intercambiador de calor solución-solución 5, un intercambiador de calor solución portador energético 6, un desorbedor de aire 7 con un ventilador 8 y una salida de aire húmedo 9, un condensador de contacto 10, que incluye una entrada de aire húmedo 11, salida del aire seco 12, un separador de gotas 13, un rociador de agua fría 14, una empaquetadura 15, y un recolector 16, un enfriador de aire 17 que incluye un ventilador 18, un intercambiador de calor agua fríaaire 19, y una bandeja recolectora 20, un tanque de alimentación de agua 21, y una bomba de recirculación de agua fría 22. Su funcionamiento es como sigue: La solución débil (preferiblemente Li Cl H2O) es succionada por una bomba de solución 3 y es enviada a través del intercambiador de calor solución-solución 5, donde se precalienta y el intercambiador de calor solución-portador energético 6, donde finalmente se calienta con el calor proveniente de la fuente, al desorbedor de agua 7, donde se produce su regeneración mediante aire caliente proveniente del medio ambiente, al cual le cede como resultado de procesos de transferencia de calor y masa, la humedad. Este aire saturado y enfriado es enviado por el ventilador 8 a través de la salida de aire del desorbedor 9 al condensador de contacto 10, mediante la entrada de aire 11, del condensador de contacto. En la empaquetadura 15 como resultado del proceso de transferencia de calor y masa entre el aire saturado y el agua fría, proveniente del evaporador y pulverizada por el radiador 14, que se desliza por la empaquetadura en forma de película ocurre la condensación del vapor del agua contenido en el aire, que después de secarse pasa a través del separador de gotas 13 donde son atrapadas las gotas que quedan en el aire que finalmente es expulsado al medio ambiente a través de la salida de aire 12 del condensador. La solución fuerte y caliente regenerada en el desorbedor de aire pasa a través del intercambiador solución-solución, donde después de enfriarse en flujo de contracorriente con la solución débil que va al desorbedor de aire pasa al absorbedor donde bajo condiciones de vacío se absorbe los vapores agua provenientes del evaporador, lo que provoca una intensa evaporación sobre el haz de tubos del evaporador del agua que es recirculada por la bomba del evaporador 2. De esta forma se enfría a su vez el agua que pasa por dentro del haz de tubos del evaporador, que es succionado por la bomba de recirculación de agua fría 22 y enviada al enfriador de agua 17, por
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dentro del intercambiador de calor agua fría-aire 19, donde le extrae el calor al aire succionado del local climatizado por el ventilador 18, a su paso por el intercambiador agua fría-aire el aire se enfría y pierde humedad depositándose esta en la bandeja recolectora 20, y el aire se recircula a través del local. El agua después de haber extraído el calor del local se envía de nuevo al evaporador. El agua (condensada) recogida en la bandeja recolectora del enfriador de aire pasa por gravedad al tanque de alimentación 21, hacia donde también se descarga el condensado proveniente del condensador de contacto, mezclándose ambas porciones. La reposición del nivel de agua en el evaporador se produce a través del tanque de alimentación cerrándose de esta forma el ciclo, que se reproduce continuamente. REINVINDICACIONES Instalación de refrigeración (climatización) por absorción con regeneración de la solución (preferentemente Li Cl H2O) en desorbedor de aire, caracterizada por un condensador de contacto cuya entrada de aire está conectada con la salida de aire del desorbedor, lo cual permite que el vapor de agua contenido en el aire saturado expulsado por el desorbedor se condense como consecuencia de su contacto directo con la película de agua fría, formada por el rociador y que se desliza por la empaquetadura proveniente del evaporador y del tanque de alimentación de agua, hacia el que se descarga por gravedad el condensado recogido en la bandeja recolectora del enfriador de aire y el obtenido en el condensador de contacto. RESUMEN Instalación de refrigeración por absorción, cuya regeneración de la solución se realiza en desorbedor de aire a partir del calor secundario de las instalaciones energéticas que contiene en lo fundamental un evaporador, una bomba del evaporador, una bomba del absorbedor, un absorbedor, un intercambiador de calor solución-solución, un intercambiador de calor solución-portador energético, un desorbedor, que incluye una entrada y salida de aire, una empaquetadora, un rociador, un separador de gotas, un intercambiador de calor aire-aire y un ventilador; un enfriador de aire, un tanque de alimentación y una bomba de recirculación de agua fría y que se caracteriza por un condensador de contacto cuya entrada de aire está conectada con la salida de aire del desorbedor, lo que permite que el vapor de agua contenido en el aire saturado expulsado por el desorbedor se condense como consecuencia de su contacto directo con la película de agua fría, formada por el rociador y que se desliza por la empaquetadura, proveniente del evaporador y del tanque de alimentación de agua, hacia el que se descarga por gravedad el
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condensado recogido en la bandeja recolectora del enfriador de aire y el obtenido en el condensador de contacto.
Funcionamiento del ciclo de absorción con solución de amoniaco y agua, a llama directa de gas. El ciclo que se describe a continuación es el empleado por las unidades de la marca ROBUR distribuidas por ABSORSISTEM y que utilizan como energía combustibles gaseosos (gas natural o GLP). El fluido utilizado en el ciclo de refrigeración, es una solución de agua y amoniaco (NH3), siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el absorbente. Una importante ventaja es que los agentes utilizados en la solución son totalmente inocuos para el medio ambiente. El ciclo aprovecha la propiedad de que el agua tiene una gran afinidad con el amoniaco, utilizado desde siempre como agente frigorífico, que es fácilmente absorbido por aquella.
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Para explicar el funcionamiento del ciclo de refrigeración, seguiremos el curso de los fluidos y los cambios de estado en el gráfico de la figura 1. Empezando el análisis del ciclo en el generador, situado en el centro del gráfico, sabemos que la solución de agua y amoniaco se calienta en su interior por la aportación del quemador de gas, a una presión entre 14 y 24 bar, hasta alcanzar una temperatura del orden de 180ºC a la que por ebullición se separa, por un lado vapor con un elevada concentración de amoniaco (denominada solución concentrada o fuerte ) y por otra una solución líquida con baja concentración de amoniaco, llamada solución diluida o pobre. El vapor pasa a través del rectificador donde el contenido de agua es separado por condensación al contacto del serpentín por cuyo interior circula solución a una temperatura inferior al punto de rocío del agua en estas condiciones. El vapor de amoniaco depurado del agua, sale del rectificador a una temperatura aproximada de 75ºC y a una presión de unos 19 bar, entrando en el condensador. Éste lo forma una batería de tubos aleteados por cuyo interior circula el amoniaco y por la cara exterior aire de la atmósfera exterior impulsado por un ventilador. El flujo de aire enfría el amoniaco hasta condensarlo y llevarlo al estado líquido, reduciendo su temperatura a unos 43ºC. A continuación, la presión del amoniaco líquido es reducida a unos 12bar por un primer restrictor y luego enfriado en un intercambiador de calor del tipo tubo en tubo, para seguidamente reducir todavía más la presión a 4 bar a la cual entra en el evaporador donde debido a la diferencia de presión se evapora a 2ºC obteniendo el calor latente de vaporización del agua a refrigerar que circula en sentido inverso por el cuerpo del evaporador. Ésta agua que es la utilizada en la instalación, sale refrigerada a una temperatura nominal de 7ºC entrando a una temperatura de 12ºC. A la salida del evaporador, el vapor de amoniaco circula por el secundario del intercambiador de calor tubo en tubo al que nos hemos referido anteriormente, adquiriendo calor del amoniaco líquido que circula en sentido contrario por el circuito primario, elevando su temperatura a 32ºC. En estas condiciones entra en el pre-absorbedor al que llega también la solución acuosa procedente del generador después de atravesar un restrictor de manera a reducir su presión a 4 bar, igual a la del vapor de amoniaco. En éste dispositivo, en el cual se halla también un serpentín por el que circula solución rica a una temperatura de unos 105ºC como veremos más adelante, el vapor de amoniaco es absorbido por el agua debido a su afinidad y calentado a unos 85ºC para dirigirse seguidamente al absorbedor. Este último está formado, al igual que el condensador, por una batería de tubos aleteados por cuyo interior circula la solución rica y por el exterior el aire ambiente forzado por el ventilador. A lo largo del recorrido por el interior del absorbedor, el amoniaco es íntegramente absorbido por el agua y seguidamente 11
aspirado por la bomba de solución a una temperatura de 44ºC. A esta temperatura, es impulsado por la bomba de solución hacia el serpentín del rectificador donde, como hemos visto, provoca la condensación del agua y al mismo tiempo obtiene calor de ella y del vapor de amoniaco caliente que procede del generador aumentando su temperatura hasta 105ºC. El próximo paso es circular por el interior del serpentín del preabsorbedor al que nos hemos referido anteriormente, para volver finalmente al generador donde el ciclo empieza de nuevo.
Funcionamiento del ciclo de absorción de doble efecto con bromuro de litio y agua, a llama directa de gas (natural o GLP). El ciclo que se describe a continuación es el empleado por las unidades de la marca YAZAKI que utilizan como energía un combustible gaseoso (gas natural o GLP). 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. Por otra parte, cabe saber que a una presión absoluta de 0,9 kPa (muy por debajo de la presión atmosférica) el agua se evapora a solo 3ºC. Para explicar el funcionamiento del ciclo de refrigeración, seguiremos el esquema simplificado de la Figura 1:
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Figura 1
Empezamos en el generador que está situado en la parte inferior izquierda del gráfico, donde la solución acuosa (denominada en este punto solución diluida) está a una temperatura de 135ºC con un contenido del 54% de LiBr. Por efecto del calor aportado por el quemador de gas, la temperatura de la solución diluida asciende hasta un valor nominal de 147ºC y a una presión a 75 kPa, lo que provoca la ebullición del agua que asciende a través de la bomba de burbujas hasta alcanzar el separador principal el cual es atravesado únicamente por el vapor de agua. Como resultado de la separación del vapor, la solución restante se concentra a un valor de 56% de LiB en agua ( solución semiconcentrada) la cual fluye del separador hacia el intercambiador de alta temperatura donde es enfriada por la solución diluida (se verá más adelante) hasta 75ºC entrando a continuación en el generador de baja temperatura. En paralelo, el vapor de agua a la temperatura de 147ºC, después de atravesar el separador principal, circula por el circuito primario del generador de baja temperatura aportando calor a la solución semiconcentrada que está en el secundario de éste. Como consecuencia de este intercambio de calor, parte del agua de la solución semiconcentrada hierve liberando vapor refrigerante adicional a una temperatura de 78ºC y una presión de 5,6 kPa. Esta segunda separación de vapor de la solución permite aumentar el rendimiento de la máquina y es la razón por la que esta variante del ciclo se denomine de doble efecto. El vapor separado en el generador de baja temperatura atraviesa el 13
separador secundario y alcanza el condensador donde se reúne con el vapor generado en la primera etapa, o sea, en el generador de alta temperatura. En el condensador, el circuito por el que circula el agua de enfriamiento procedente generalmente de una torre evaporativa, enfría el vapor hasta 41ºC condensándolo y formando el agua que es el líquido refrigerante. Éste líquido entra en el evaporador debido a la diferencia de presión y al encontrarse en un espacio donde la presión absoluta es de solo 0,7 kPa se evapora a una temperatura de 3,3ºC adquiriendo el calor necesario para ello del agua a refrigerar que está circulando por un serpentín situado dentro del evaporador. Gracias a ello el agua del circuito de refrigeración desciende a la temperatura de 7ºC. Mientras, la solución semiconcentrada al reducir su contenido de agua por efecto de la evaporación en el generador de baja temperatura, concentra su contenido de LiBr hasta un 58% por lo que pasamos a denominarla solución concentrada. En estas condiciones fluye a través del intercambiador de calor de baja temperatura donde cede calor a la solución diluida que circula por su circuito secundario (volveremos sobre ello más adelante) reduciendo su temperatura hasta 40ºC. A continuación la solución concentrada entra en el absorbedor que es un espacio compartido con el evaporador y en el que se encuentra un serpentín por el que circula agua de enfriamiento a una temperatura máxima de 29,5ºC procedente de una torre evaporativa externa a la máquina. Dentro del absorbedor el LiBr de la solución concentrada, gracias a su alta afinidad con el agua, absorbe el vapor producido en el evaporador lo que permite mantener constante la presión en éste. Al mismo tiempo, el agua de enfriamiento que circula por el serpentín del absorbedor elimina durante el proceso de absorción el calor aportado al vapor de agua en el evaporador. Como toda el agua separada de la solución en los dos generadores, el de alta y el de baja temperatura, ha llegado finalmente al absorbedor, en este espacio la solución se diluye de nuevo hasta el 54% inicial, o sea, vuelve a ser solución diluida. Desde el absorbedor, dicha solución es aspirada por la bomba de solución haciéndola pasar primero por el intercambiador de baja temperatura calentándose como hemos visto antes con el calor cedido por la solución concentrada y a continuación por el intercambiador de calor de alta temperatura donde, como también hemos visto, adquiere el calor cedido por la solución semiconcentrada, entrando finalmente en el generador de alta temperatura donde de nuevo se inicia el ciclo. Las temperaturas y los niveles de concentración del LiBr pueden sufrir algunas variaciones según el fabricante e incluso el modelo del equipo. El ciclo descrito es el denominado de circuito en serie ya
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que los fluidos circulan en serie a través de los distintos dispositivos. Algunos fabricantes han introducido variaciones a este circuito, especialmente en unidades de gran potencia, con el propósito de disminuir la cantidad de fluido a circular y el volumen de la máquina. Ciclo de calefacción. Para conseguir calentar el agua con el fin de cubrir con el mismo aparato las necesidades de calefacción, se procede a abrir la válvula de cambio de ciclo y se interrumpe la circulación del agua de enfriamiento procedente de la torre evaporativa. Debe también cambiarse el ciclo en el control electrónico del sistema con el fin que adopte la lógica correspondiente a este servicio. Al igual que en el proceso de refrigeración, al hervir la solución en el generador de alta temperatura el vapor asciende junto con gotas de solución semidiluida a través de la bomba de burbujas, pero al estar ahora abierta la válvula de cambio de ciclo, el vapor caliente accede al evaporador a través del tubo de by-pass donde está colocada dicha válvula, ascendiendo dentro de él y condensándose en la superficie del serpentín por el que circula el agua de la instalación (el mismo por el que circula el agua a refrigerar en modo de refrigeración), cediendo a esta el calor de condensación y haciendo que aumente su temperatura. Al mismo tiempo, una parte del vapor fluye a través del generador de baja temperatura y el condensador, pero como por éste no circula el agua de enfriamiento procedente de la torre, no puede producirse la condensación y accede también al evaporador en fase vapor condensándose igualmente sobre el serpentín del agua a calentar cediendo a ésta su calor latente. La solución diluida, por su parte, se acumula en el colector inferior del absorbedor de donde la bomba de solución le obliga a circular por los intercambiadores de calor hasta alcanzar el generador de alta temperatura donde vuelve a iniciarse el ciclo. Funcionamiento del ciclo de absorción de simple efecto con bromuro de litio y agua, alimentado por agua caliente. El ciclo que se describe a continuación es el empleado por las unidades de la marca YAZAKI que utilizan como fuente de energía el calor contenido en un circuito de agua caliente procedente, generalmente, de un campo de paneles de captación solar, del calor residual de una planta de cogeneración por motor térmico o turbina, o de cualquier otro sistema de recuperación de calor gratuito o residual. 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
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a la sal común (NaCl) que como ella tiene una gran afinidad con el agua, absorbiéndola fácilmente. Por otra parte, cabe saber que a una presión absoluta de 0,9 kPa (muy por debajo de la presión atmosférica) el agua se evapora a solo 3ºC. Para explicar el funcionamiento seguiremos el esquema simplificado de la Figura 1.
Figura 1 Empezamos en el generador que está situado en la parte superior izquierda del gráfico, donde la solución acuosa (denominada solución diluida) contiene un 52% de LiBr. Por el circuito primario del generador circula el agua caliente que aporta la energía necesaria para hacer funcionar el sistema. Esta agua caliente entra nominalmente a una temperatura de 88ºC en el circuito primario del generador saliendo de él a 83ºC. Mientras, en el circuito secundario del generador, o sea en el circuito de refrigeración, la presión absoluta es de 13 kPa. Como efecto del calor aportado por el circuito primario de agua caliente, el agua de la solución diluida entra en ebullición y el vapor formado se encamina hacia el recipiente contiguo que es el condensador. Debido a esta separación de vapor, la solución restante, denominada solución concentrada, se concentra hasta un 56% de LiBr dirigiéndose en estas condiciones hacia el intercambiador de calor situado en la parte inferior del esquema. Mientras, en el condensador, el vapor de agua es enfriado hasta 36ºC gracias al circuito de agua procedente, por ejemplo, de una torre de enfriamiento y que entra a la máquina a una temperatura de 31ºC, condensando el vapor de agua y convirtiéndolo en líquido. Este líquido refrigerante, es introducido por diferencia de presión en el evaporador donde se mantiene una presión absoluta de 0,9 kPa, por 16
lo que se evapora a 3ºC adquiriendo el calor necesario para ello del circuito de agua a refrigerar, rebajando su temperatura a 7ºC suponiendo que ha entrado de la instalación a 12ºC. Al mismo tiempo, la solución concentrada al 56% de LiBr procedente del generador fluye en el absorbedor que comparte espacio y presión con el evaporador, siendo el vapor de agua contenido en este absorbido por el LiBr debido a su afinidad con el agua, diluyendo la concentración de LiBr de nuevo al 52%. Ello permite eliminar el vapor a medida que se produce y continuar manteniendo la presión de 0,9 kPa en el espacio compartido por el evaporador y el absorbedor. El fenómeno de la absorción produce calor que a su vez es eliminado por el mismo circuito de enfriamiento antes de dirigirse al condensador. Finalmente, la solución diluida al 52% de LiBr por la absorción del vapor, es aspirada por la bomba de solución (SP) para enviarla de nuevo al generador donde se reinicia el proceso, pasando previamente por un intercambiador de calor que permite aumentar el rendimiento del ciclo. En el esquema de la figura 2 se completa el circuito de acuerdo con el diseño específico utilizado por YAZAKI en las unidades de la serie WFC SC. En la tabla anexa al esquema se definen los distintos componentes según los números de referencia que aparecen en el esquema.
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Nº Componente 1 Generador
14 Separador gases incondensables
2 Condensador
15 Depósito gases incondensables
3 Depósito de refrigerante 16 Válvula de servicio depósito gases incondensables 4 Válvula regulación refrigerante
17 Válvula de servicio del absorbedor
5 Evaporador
18 Válvula de servicio solución diluida
6 Absorbedor
19 Válvula de servicio solución concentrada
7 Válvula bypass solución 20 Filtro 8 Válvula solenoide SV1
21 Cuadro eléctrico
9 Válvula cambio de ciclo 22 Interruptor de flujo 10 Válvula almacenamiento 23 Termostato (WTO) refrigerante 11 Intercambiador de calor 24 Termostato (CTI) 12 Bomba de solución
25 Termostato (LT)
13 Absorbedor auxiliar
26 Termostato (HWT)
Balance térmico en la unidad YAZAKI modelo WFC SC10 18
http://www.absorsistem.com/tecnologia.htm?contenido/Ciclo%20simple%20efecto %20LiBr%20H2O.htm
BOMBAS DE CALOR A GAS POR CICLO DE ABSORCIÓN REVERSIBLE
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Últimamente la firma ROBUR ha presentado importantes innovaciones técnicas en las plantas enfriadoras de agua por ciclo de absorción, a llama directa de combustible gaseoso, que utilizan como refrigerante el amoniaco y agua como absorbente.
La principal de estas innovaciones es que estos equipos ya se fabrican también como bomba de calor de ciclo reversible, lo que permite poder refrigerar o calentar el agua del circuito de utilización, según el sentido de circulación de los fluidos en el interior del ciclo. Ello se consigue mediante una válvula de inversión, de 14 vías, gestionada por el microprocesador de control de la unidad. Esta válvula modifica la circulación de los fluidos de tal forma que en modo de calefacción, convierte una parte del intercambiador de calor que actúa como evaporador durante el proceso de refrigeración, en condensador y la otra en absorbedor, mientras que las baterías exteriores enfriadas por aire que sirven de condensador y absorbedor en refrigeración, se convierten en el evaporador, captando calor del ambiente exterior. Con ello se logra que el calor contenido en el vapor de amoniaco que procede del generador así como el que llega con la solución rica procedente del absorbedor/regenerador, se transmita al agua del circuito de utilización. Gracias a ello, en régimen de calefacción se añade al calor de la combustión del gas, el obtenido del aire exterior por la evaporación del amoniaco y también el resultante del proceso de absorción. Por otra parte, para evitar la formación de escarcha en la batería exterior que sirve de evaporador en el modo de calefacción, el control abre cuando es necesaria la válvula de desescarche que permite temporalmente hacer pasar vapor de amoniaco caliente por su interior. Ésta particularidad hace que estas bombas puedan seguir funcionando en calefacción incluso con temperaturas exteriores muy bajas, contrariamente a lo que sucede con las unidades eléctricas de compresión que necesitan invertir temporalmente el ciclo para asegurar el desescarche en perjuicio del rendimiento energético y el confort.
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En las figuras 1, 2 y 3 puede seguirse el recorrido del amoniaco en fase vapor o líquido, así como del agua absorbente con mayor o menor porcentaje de amoniaco disuelto, según cada uno de los tres ciclos de funcionamiento (refrigeración, calefacción y desescarche) La eficiencia energética resultante en régimen de calor es realmente excepcional, alcanzando un valor del 140% de potencia útil respecto a la consumida, lo que representa una economía energética inalcanzable con cualquier otro producto de calefacción. Véanse en la tabla 1 las prestaciones de este equipo y en el Gráfico 1 la relación entre la potencia de calefacción, la temperatura exterior y la de salida del agua caliente.
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Versión solo caldera de muy alto rendimiento.
Otra versión de este producto es el modelo en que el ciclo es utilizado solo en calefacción, convirtiéndose en una caldera alternativa de muy alta eficiencia. Al disponer simultáneamente del calor de la combustión del gas, más el obtenido de la evaporación del refrigerante en el exterior y el generado en el proceso de absorción del refrigerante por el agua, sitúa a este aparato como el generador de calor más eficiente presente en el mercado ya que obtiene hasta un 140% respecto a la energía consumida, lo que es inalcanzable si se utiliza únicamente el calor de combustión del gas, aunque se aproveche el calor latente de condensación de los productos de la combustión. Por ello puede afirmarse que el equipo es fácilmente amortizable con el ahorro de combustible. Versión refrigeración con recuperación de calor.
Además de las aplicaciones descritas, existe todavía un tercer modelo en el que el calor obtenido en el proceso de condensación del refrigerante y en el de absorción, puede ser utilizado para el calentamiento de agua sanitaria mientras la unidad funciona en servicio de refrigeración. En la figura 4 se indica esquemáticamente la forma de utilización de este calor que se desecha en la inmensa mayoría de equipos de refrigeración. Ello significa que durante la utilización de este equipo en verano, la producción del ACS se obtiene sin coste energético añadido, lo que en muchas instalaciones, como las hoteleras y las sanitarias (clínicas, hospitales, centros de asistencia primaria, etc.) tiene un elevado interés por el importante ahorro energético que representa.
Alto rendimiento y respeto al medio ambiente.
Entre las inquietudes más importantes de la sociedad en este inicio de siglo XXI, destacan sin duda alguna las que se refieren a la conservación de la energía y a la protección del medio ambiente. Las bombas de calor por ciclo de absorción se adaptan plenamente a estos requerimientos al utilizar un combustible limpio como el gas, no utilizar refrigerantes que puedan agredir a la capa de ozono y obtener 23
una muy elevada eficiencia energética, de manera muy especial dando servicio de calefacción. A ello se añade que en períodos especialmente fríos, se mantiene la continuidad del servicio con escasa dependencia de las temperaturas exteriores y de las sobrecargadas en las redes eléctricas, lográndose una gran fiabilidad con un mantenimiento mínimo debido a la práctica carencia de elementos mecánicos en movimiento.
Trigeneración con plantas de absorción con amoniaco En la situación energética actual la rentabilidad de las plantas de cogeneración depende principalmente del aprovechamiento del calor generado. Por otra parte para amortizarlas debidamente es preciso un gran número de horas anuales de funcionamiento a carga total, por lo que para que la cogeneración sea rentable hace falta tener una demanda de calor elevada y constante.
Izquierda, planta de refrigeración por absorción en una empresa del sector de la petroquímica. Derecha, planta de refrigeración por absorción de 280kW.
En muchas aplicaciones las demandas de vapor o agua caliente son fluctuantes y dependen del proceso de producción, y parte del calor producido no puede usarse debidamente. Trigeneración Una posibilidad de optimizar el consumo de calor de la cogeneración es la introducción de la trigeneración. En las plantas de trigeneración el calor producido se usa para cubrir los consumos de calor y para propulsar una planta de refrigeración por absorción y así cubrir también la demanda de frío. Estas plantas, al combinar el suministro 24
de calor y de frío, tienen una gran flexibilidad consiguiéndose una óptima utilización del calor generado en la cogeneración. En general las demandas de refrigeración a bajas temperaturas suelen ser relativamente constantes y suelen tener una gran inercia térmica. La planta de refrigeración por absorción puede regularse de tal forma que consuma todos los excedentes de calor (generalmente vapor) dando prioridad al consumo directo de vapor, consiguiéndose así un elevado aprovechamiento del calor producido en la cogeneración. Refrigeración por absorción Las plantas de refrigeración por absorción precisan de un fluido refrigerante y un fluido absorbente. Los pares de fluidos refrigerante / absorbente mas usados son el par agua/bromuro de litio y el par amoniaco / agua. En las plantas que usan el primer par, el refrigerante es el agua por lo que estas plantas se usan para aplicaciones a temperaturas por encima de 0°C, usándose principalmente para la climatización. Las plantas de refrigeración con amoniaco / agua usan el amoniaco como refrigerante y tienen el campo de aplicación desde 0°C hasta -70°C. Especialmente en las aplicaciones a bajas temperaturas las plantas de refrigeración por absorción con amoniaco abren un amplio campo de aplicaciones para las plantas de Trigeneración. Amoniaco El amoniaco se ha usado como refrigerante desde finales del siglo XIX siendo uno de los refrigerantes con cualidades termodinámicas más idóneas para la refrigeración. Dado que en las aplicaciones industriales la demanda de frío suele estar a temperaturas por debajo de 0°C, las plantas de absorción industriales suelen usar el amoniaco como refrigerante. Las cualidades termodinámicas del amoniaco, juntamente con el agua como absorbente, hacen de ellos un par refrigerante/ absorbente ideal para las plantas de refrigeración por absorción a bajas temperaturas. Así por ejemplo el amoniaco evapora a la presión atmosférica a -33°C, por lo que los circuitos de refrigeración que trabajan a -30°C trabajan a una ligera sobrepresión. Por otra parte aplicaciones a muy bajas temperaturas, el vacío necesario no es muy bajo, así por ejemplo a -60°C la presión de evaporación es de 220mbar.
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Funcionamiento Las plantas de refrigeración por compresión constan de un evaporador, en el que evapora el refrigerante (amoniaco) produciendo frío, un sistema de compresión para transportar el vapor a baja presión del evaporador al condensador a alta presión y el condensador en el que condensa el refrigerante disipando el calor generalmente mediante torres de refrigeración. En plantas de refrigeración por absorción el compresor mecánico es sustituido por un compresor químico o térmico. El vapor de baja presión procedente del evaporador, en vez de ser comprimido por un compresor mecánico, es absorbido por una solución diluida de amoniaco y agua en el absorbedor. La solución cuya concentración ha aumento es bombeada al desorbedor en el que es calentada hasta su ebullición a alta presión. Siendo el amoniaco la componente más volátil en el desorbedor se produce vapor de amoniaco, que condensa en el condensador cerrando así el ciclo de refrigeración. El calor producido en el condensador y en el absorbedor suele ser disipado mediante torres de refrigeración, mientras que el calor aportado en el desorbedor es calor residual procedente por ejemplo de una planta de cogeneración. Problemática a bajas temperaturas El amoniaco como refrigerante tiene la gran ventaja de poder producir refrigeración a temperaturas de hasta -70°C. Para alcanzar estas temperaturas hacen falta sistemas de compresión de varias etapas por lo que dichas plantas son relativamente complejas. La operación en continuo de dichas plantas es problemática por el hecho de que prácticamente no existen aceites compatibles con el amoniaco, que tengan cualidades lubricantes a la temperatura de los compresores y una baja viscosidad a -60°C. El aceite que suele acumularse en los evaporadores únicamente puede decantarse si se eleva temporalmente la temperatura. Todo ello encarece las plantas de compresión y hace necesario un mantenimiento muy riguroso para poder garantizar la fiabilidad necesaria. Especialmente a estas temperaturas las plantas de refrigeración por absorción tienen
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grandes ventajas comparadas con las de refrigeración por compresión. Por una parte pueden alcanzar temperaturas de hasta -70°C en una simple etapa y por otra parte no precisan aceites lubricantes por lo que pueden operar en continuo sin necesidad de paradas. Tradicionalmente siempre se han usado plantas de refrigeración por absorción con amoniaco, en sectores industriales en los que se precisa refrigeración a bajas temperaturas y en los que la disponibilidad es de gran importancia. Aplicaciones En el sector químico y petroquímico se instalan con frecuencia plantas de Trigeneración con refrigeración por absorción. En estos sectores los principales argumentos son los reducidos costes de mantenimiento y la alta disponibilidad de las plantas de absorción.
Izquierda: planta de refrigeración por compresión. Derecha: planta de refrigeración por absorción.
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