Sistemas de Refrigeración Por Absorción

Universidad Nacional de Trujillo

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 refr refrig iger eraci ación ón por por abso absorc rció ión n se ha conve convert rtid ido o en un sist sistem emaa prin princi cipal pal para para much muchas as 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 (icatos (icatos et al, !""#$. En los ciclos de absorción hablamos siempre de agente absorbente, designando así a la sustancia %ue absorbe los vapores, y de agente refrigerante, o agente frigorífico, a la sustancia %ue se evapora y da lugar a una producción frigorífica aprovechable. &erían absorbentes el agua y la solución de 'romuro de itio, y refrigerantes el )moniaco y el agua destilada, en los ciclos de absorción )gua*)moniaco y 'romuro de itio*)gua, respectivamente.

II.

HISTORIA

El ciclo de absorción absorción no es un descubrimien descubrimiento to reciente, ya %ue el primer antecedente antecedente es el e+perimento realizado por el escocés illiam -ullen en el ao /011, cuando consiguió obtener una pe%uea cantidad de hielo en una campana mantenida mantenida a una presión reducida. reducida. 2ero, de hecho, fue el francés 3erdinand -arré %uien en /#4" construyó la primera má%uina de absorción para la fabricación de hielo. En la evolución del ciclo de absorción se han e+perim e+periment entado ado divers diversas as pare5a pare5ass de refri refrigera gerante nte6ab 6absor sorben bente, te, pero pero comerc comercial ialmen mente te hay 7nicam 7nicament entee dos8 dos8 la formad formadaa por el agua como refrig refrigera erante nte y bromur bromuro o de litio litio como absorbente, y la %ue utiliza el amoníaco como refrigerante y agua como absorbente. -ada una de estas dos técnicas tiene sus peculiaridades. 9ientras la utilización del agua como refrigerant refrigerantee limita limita la temperatura temperatura de evaporación evaporación por encima encima de ":-, permite, permite, en cambio, cambio, una mayor eficiencia energética %ue la %ue se consigue con el ciclo de amoníaco %ue, por su parte, presenta la venta5a de poder ba5ar las temperaturas muy por deba5o de ":- y condensar a temperaturas más altas.

1


III. III.


PROC PROCED EDIM IMIE IENT NTOS OS DE PROD PRODUC UCCI CIÓN ÓN DE FRÍO FRÍO

a refrigeración refrigeración por absorción absorción se usa cada vez más en refrigeradores refrigeradores para acondicionar acondicionar el aire aire,, en los los %ue %ue resu result ltan an adecua adecuada dass temp temper erat atur uras as de refr refrig iger eran ante te entr entree 0 y /" :apro+imadamente. 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 ba5a en el evaporador por%ue 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 elevado8 la presión del evaporador es apro+imadamente de / <2a, y el generador y el condensador están a unos /" <2a. =eneralmente, estas unidades se calientan con llama directa o utilizan vapor generado en una caldera (=uanípa, !"//$.

IV. IV.

CONC CO NCEP EPTO TO DE DE SIST SISTEM EMA A DE REF REFRIG RIGER ERAC ACIÓ IÓN N POR POR ABS ABSOR ORCI CIÓN ÓN

a característica sobresaliente de un sistema de refrigeración %ue opera ba5o el ciclo de absorc absorción ión,, es %ue la energía energía necesar necesaria ia para para manten mantener er el proces proceso o de enfria enfriami mient ento o se suministra principalmente en forma de calor. Este ciclo se basa en la capacidad %ue tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el vapor de agua. >ambién 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, %ue tiene relación con procesos físicos y %uímicos %ue ocurren al entrar en contacto gases y lí%uidos lí%uidos o gases y sólidos; en el caso de la refrigeración, refrigeración, al ponerse en contacto contacto amoniaco gaseoso con agua lí%uida, esta absorbe el amoniaco formando una solución lí%uida de hidró+ido hidró+ido de amonio amonio desprendiend desprendiendo o una determinada determinada cantidad cantidad de calor. calor. El amoniaco amoniaco es el refrigerante de uso más com7n 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, %ue resulta tan efectiva como un compresor mecánico para mantener una ba5a

2



presión en el evaporador; la cantidad absorbida aumenta con la presión y disminuye al aumentar la temperatura.

V.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Ana má%uina de refrigeración por absorción está formada por los siguientes e%uipos8 generador, condensador, evaporador, absorbedor, dos intercambiadores regenerativos y una bomba. En el generador la solución es calentada (mediante vapor, el sol, o cual%uier 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 lí%uido saturado pasa al evaporador a través de la válvula de e+pansión. os 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$. Esta solución fuerte es bombeada de nuevo hacia el generador a través de uno de los intercambiadores regenerativos, con lo cual se completa el ciclo. (-isneros, !""!$. Ana aplicación práctica de este proceso se muestra en la figura /, donde un tan%ue a presión suministra amoniaco lí%uido puro al evaporador a través del dispositivo de estrangulación. Ana vez %ue el amoniaco se evapora es absorbido por el agua contenida en otro recipiente. Este efecto de enfriamiento es continuo hasta %ue el amoniaco lí%uido se agota o hasta %ue el agua en el tan%ue de absorción se sature, de modo %ue ya no puede absorber más vapor de amoniaco.

Figura 1. 2rincipio del sistema de refrigeración por absorción

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os 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 (BC$ sirve como refrigerante y el agua (C!"$ es el medio de transporte. 2ara comprender me5or los principios de la refrigeración por

absori!"# s$ $%a&i"a $' sis($&a NH)*H+O ,ai$"-o uso -$ u" o'$(or so'ar Figura +/.

Figura +. -iclo básico del sistema de refrigeración solar continuo por absorción BC*C!. Este sistema es muy similar al sistema por compresión de vapor, e+cepto %ue el compresor ha sido sustituido por un mecanismo de absorción, compuesto por8 absorbedor, bomba, generador, regenerador, válvula y rectificador. Ana vez %ue la presión del BC 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 %uímica con el agua para formar BC* C! siendo esta una reacción e+otérmica (el calor se libera durante este proceso$. a cantidad de BC %ue puede disolverse en C! es inversamente proporcional a la temperatura. 2or consiguiente, es necesario enfriar el absorbedor para mantener su temperatura lo más ba5a posible y, por ende, para ma+imizar la cantidad de BC disuelto en

4



el agua. a solución lí%uida BCFC!, %ue es rica en BC se bombea luego al generador. El calor se transfiere a la solución de una fuente para evaporar algo de la solución. El vapor %ue es rico en BC pasa por un rectificador, %ue separa el agua y la regresa al generador. El vapor de BC puro de alta presión contin7a luego su trayecto por el resto del ciclo. a solución caliente BC F C!, pobre en BC, pasa por un regenerador donde transfiere algo de calor a la solución enri%uecida %ue sale de la bomba, y se estrangula hasta la presión del absorbedor (ópez, !"//$. En el

i'o agua*bro&uro -$ 'i(io, el agua (refrigerante$, se evapora en un evaporador,

enfriando a un fluido secundario, %ue 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 e+terna; el agua vuelve al evaporador, y el bromuro al absorbedor para reiniciar el ciclo (Figura )$.

Figura ). -iclo básico del sistema de refrigeración por absorción agua*'romuro de litio.

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VI.


SISTEMAS DE ME0CAS

/. BC G C! El mercado actual de la refrigeración por absorción de BC*C! comprende plantas industriales de producción de frío de potencias en torno a / 9, así como enfriadoras de agua de absorción para aire acondicionado de pe%uea potencia y llama directa %ue utilizan combustibles como gas natural, propano o butano. El sector de la alimentación presenta una gran demanda de refrigeración a temperaturas entre " y G/" :- para cámaras de refrigeración y producción de hielo. Este sector industrial se caracteriza también por disponer de calor residual a temperaturas por deba5o de los /"" :-. 2or lo tanto, estas necesidades de refrigeración podrían ser cubiertas por e%uipos de absorción activados con los residuos térmicos. tros sectores en %ue e+iste un potencial para este tipo de e%uipos son los sectores comercial y residencial, e incluso el sector del transporte, para cubrir la demanda creciente de aire acondicionado y refrigeración, en %ue es posible el accionamiento mediante calor residual de los nuevos desarrollos tecnológicos de micro cogeneración, o de energía solar térmica. ) pesar del interés y la potencialidad de los sistemas de refrigeración de absorción de /" a /1" < y accionamiento con fuentes de calor a ba5a temperatura, todavía no e+isten en el mercado e%uipos de estas características. Ana de las mayores desventa5as de las mezclas de BC*C! 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 (3ernández &eara et al., !""!; 'ogart, /4#/$. Esta rectificación es indispensable, ya %ue la presencia del agua en el evaporador reduce su capacidad frigorífica. Esta purificación re%uiere la disipación de energía térmica y de e%uipo adicional de gran volumen, %ue puede llegar a ser considerable conforme se incremente la temperatura de generación o cuando se re%uieren temperaturas de evaporación muy ba5as (*/" a *!" H-$ para aplicaciones de refrigeración. !. i'r G C! El fluido utilizado en el ciclo de refrigeración, es una solución de agua y 'romuro de litio (i'r$, siendo el agua el refrigerante y el i'r el absorbente. Ana primera venta5a es %ue los agentes utilizados son totalmente inocuos para el medio ambiente. El i'r es una sal similar a la sal com7n (Ba-l$ %ue 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 %ue ésta, cuando





se encuentra en un espacio en el %ue la presión absoluta está muy por deba5o de la atmosférica y %ue en este caso es de 7nicamente de ",4 <2a (4 mbar en vez de /"/ %ue es la presión atmosférica nominal$, el agua se evapora (hierve$ a tan solo H-.

VII.

VENTA2AS 3 DESVENTA2AS

as venta5as y desventa5as de un sistema de refrigeración por absorción, al compararlo con un e%uipo 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 e%uipo, el rendimiento energético, la utilización de combustible y su efecto en el medio ambiente, entre otras.

a. Cos($ i"iia' El coste inicial de una planta frigorífica de absorción resulta, en la mayoría de los casos, superior al de un e%uipo de compresión mecánica de la misma capacidad. a razón para esta diferencia está en la muy superior cantidad de materiales metálicos %ue son necesarios para la fabricación de los intercambiadores de calor, en e%uipos %ue se basan en procesos termodinámicos sin prácticamente aportación del e%uivalente térmico del traba5o mecánico. &in embargo, cuando se analizan los costes de e+plotación a partir del valor de las energías consumibles, la balanza puede desplazarse a favor de los e%uipos de absorción, si se dan las condiciones de partida necesarias ()&CI)E, /441$.

b. C.O.P El concepto de -..2. (-oefficient of 2erformance$ en refrigeración, es sinónimo de Eficiencia Energética en el evaporador. -..2. se define ?oficialmente@ como8 ?a cantidad de refrigeración obtenida de una má%uina dividida entre la cantidad de energía %ue se re%uiere aportar para conseguir esta refrigeración ()&CI)E, /440$@. En este cómputo no se incluyen los consumos au+iliares de energía eléctrica necesarios para el funcionamiento de bombas y ventiladores. os -..2.s de los ciclos de absorción son muy ba5os comparados con los de los ciclos de compresión mecánica. En má%uinas de absorción de una etapa, con 'romuro de itio, no se superan -..2.s de ".0, en má%uinas de doble etapa se alcanzan valores %ue pueden ser hasta /.1 veces a los esperables en una etapa, es decir de hasta /.!; esto significa %ue las má%uinas de doble etapa aprovechan me5or la energía %ue las de etapa simple. En ciclos de ba5a temperatura )moniaco*)gua se consiguen valores de -..2. de ".1 y pueden alcanzarse má+imos de ".#. 2or el contrario en e%uipos de compresión mecánica de gran cantidad, con compresores centrífugos y de tornillo, se

!



consiguen en la actualidad rendimientos frigoríficos entre J.1 y 1.1 <6< (-..2.s en el evaporador de J.1 a 1.1$. De no ser por%ue el coste de producir el traba5o mecánica necesario para obtener un < de refrigeración por ciclo de compresión mecánica de vapor es, normalmente, superior al coste necesario para recuperar la cantidad de calor re%uerida para obtener el mismo < en un ciclo de absorción, estas diferencias tan espectaculares en cuanto a los -..2.s habrían convertido a las má%uinas de absorción, hace mucho tiempo, en piezas de museo o ?curiosidades tecnológicas@. El coste de la energía básica es el 7nico factor %ue determina la posible competitividad de los sistemas de absorción frente a los de compresión mecánica.

. Cos($ $"$rg4(io 5 a6ro7$,a&i$"(o a'($r"a(i7o Debido a %ue los sistemas de refrigeración por absorción utilizan energías térmicas residuales (%ue de otro modo serían e+pulsados al ambiente$, es evidente %ue siempre e+ista la posibilidad de %ue dichas energías sean desechables, gratuitas, o de muy ba5o 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 ()&CI)E, /441$. )sí mismo puede resultar atractiva la aplicación de sistemas ?híbridos@, %ue se basan en la instalación de má%uinas de absorción en serie, o en paralelo, con má%uinas de compresión mecánica sobre el mismo circuito de agua enfriada. En estos sistemas, las má%uinas de compresión se utilizan para hacer frente a las cargas térmicas básicas, o en horas valle, mientras %ue las má%uinas de absorción se utilizan e+clusivamente en horas punta o para combatir las demandas punta. Esto permite dimensionar las má%uinas %ue consumen energía más cara para condiciones de menor carga, lo %ue repercute favorablemente en los costes de e+plotación de la instalación.

-. U(i'i8ai!" -$ o&bus(ib'$s 5 a6ro7$,a&i$"(o a'($r"a(i7o os sistemas de absorción no solo hacen posible la utilización de energías térmicas %ue serían evacuadas a la atmósfera de no utilizarse estos sistemas para su recuperación y aprovechamiento, sino %ue 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 (-ano !""/$. 2or 7ltimo no %ueremos de5ar de comentar las posibilidades de los e%uipos de absorción para ser utilizados para la refrigeración y climatización en aplicaciones en las %ue se dispone de fuentes

"



alternativas de energía. Energías no convencionales como la =eotérmica, la 'iomasa y la &olar >érmica 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 #" y /":-, bien es verdad %ue con -..2.s bastante ba5os, alrededor de ".1, pero con la venta5a %ue supone la independencia de fuentes convencionales de energía y, sobre todo, el ahorro de combustibles fósiles y la reducción del impacto ambiental %ue su uso lleva apare5ado (-ano, !""/$.

VIII.

I&6a(o a&bi$"(a'

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/ U(i'i8ai!" -$ 'os sis($&as -ano (!""/$ dice %ue el factor %ue determina con mayor e+actitud la incidencia sobre el medio ambiente de una má%uina o proceso, es el %ue se ha dado en denominar >EK (>otal Environmental Kmpact$ %ue engloba todos los parámetros de influencia8

$ $ $ $ $ $

D2 (2otencial de destrucción de zono$. =2 (2otencial de calentamiento global*Efecto Knvernadero$ -onsumo de los e%uipos (-2$. ida atmosférica. -arga de los e%uipos (Iefrigerante$. Emisiones de los e%uipos.

De todos estos parámetros el de mayor importancia, cuando nos referimos a la ma%uinaria frigorífica, resulta ser el consumo de los e%uipos, englobando tanto los consumos directos de energía de cada má%uina como los de energías primarias y fósiles necesarios para la producción de la energía eléctrica %ue después se va a consumir en ella, e incluyendo las emisiones de gases invernadero (-!, fundamentalmente$ %ue van apare5adas con la producción de esta energía. a )gencia Knternacional del 9edio )mbiente ha determinado %ue el 4#L del >EK de una planta frigorífica se debe a la emisión de gases invernadero %ue se originan en la producción de la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. &olo el !L restante se debe a las emisiones originadas por la propia má%uina. &i consideramos ahora %ue el consumo eléctrico de una planta de absorción es, por término medio, un 0L del correspondiente a un e%uipo de compresión mecánica, y %ue la energía térmica %ue consume, salvo en las aplicaciones de combustión directa, procede como efluente de un proceso, es decir %ue su impacto medioambiental se debe a otras necesidades a5enas

#



a las de la producción frigorífica, concluiremos %ue el >EK de una planta de absorción es tan solo el 0./1L respecto al e%uipo de compresión mecánica e%uivalente. Este valor se reduce hasta el 0L si tenemos en cuenta %ue un e%uipo de absorción no origina emisiones propias, ya %ue su interior, por principio, se encuentra en depresión frente a la atmósfera, y %ue aun en el supuesto de %ue por una avería se produ5era alg7n vertido o emisión al e+terior de sus fluidos interiores, esto no tendría ning7n efecto contaminante para el medio, dadas las características de estas sustancias. En e%uipos %ue funcionan con combustión directa, el efecto de las emisiones propias se acent7a por la emisión de los productos de la combustión %ue se generan en la má%uina. En este sentido, considerando un -2 medio de / en la producción frigorífica, y un rendimiento en la combustión de un 4"L. -on gas natural, se alcanzaría un valor de >EK prácticamente idéntico al %ue correspondería a un e%uipo de compresión de la misma capacidad frigorífica accionado eléctricamente y con un -2 de J.1. Esto sin tener en cuenta los efectos debidos a los agentes frigoríficos, %ue en caso de la absorción serían nulos.

b/ R$9rig$ra"($s En lo %ue a agentes frigorígenos se refiere, la balanza se inclina favorablemente a favor de la utilización de ciclos de absorción frente a los de compresión mecánica para la producción frigorífica. Desde el punto de vista medioambiental el interés de los primeros es evidente, por las siguientes razones8 En los ciclos )gua*'romuro de itio el refrigerante %ue se utiliza I*0/# (agua destilada$, y el absorbente es una solución de 'romuro de itio. En los ciclos )moniaco*)gua se utiliza I*0/0()moniaco$ como refrigerante y agua destilada como absorbente. En la siguiente tabla se muestran las características de los refrigerantes utilizados en los cilos de absorción.

>abla "/. -aracterística de los refrigerantes8 )moniaco, agua y sal diluida de 'romuro de itio.

1%



I*0/0 )moniaco Estabilidad %uímica 9edia >o+icidad )lta Disponibilidad )lta Efectos contaminantes 'a5os D2 " =2 " TE:I; 'a5o -alor lat. aporización /.!1 9M6otal E%uivalente del Kmpacto en el -alentamiento.

I*0/#

'ri

)gua )lta Bula )lta Bulos " " Bulo !.1 9M6
&al Diluida )lta 'a5a )lta Bulos " " 'a5o B6) 9edio

3uente8 -ano (!""/$.

as tres sustancias tienen un comportamiento muy favorable con el medio ambiente, si bien se precisan precauciones especiales para la manipulación y mantenimiento de los e%uipos %ue traba5an con )moniaco, dada la peligrosidad de esta sustancia para el ser humano, sobre la %ue no es preciso abundar ya %ue es sobradamente conocida. 2or lo %ue respecta al agua, solo cabe sealar la necesidad de controlar su pureza cuando se emplea como refrigerante, más por lo %ue puede afectar al rendimiento de los e%uipos %ue por sus efectos sobre las personas y el medio ambiente para los %ue es completamente inocua. a sal de 'romuro de itio es, así mismo inocua, aun%ue en solución acuosa tiene efectos detergentes bastante acusados por lo %ue no debe ser ingerida y conviene ser manipulada con la precaución necesaria para evitar derrames %ue pueden decolorar los suelos de madera y otros materiales orgánicos. Bo se re%uieren más prevenciones.

I<.

CASIFICACIÓN DE OS SISTEMAS DE ABSORCIÓN

a/ SISTEMA DE ABSORCIÓN DE EFECTO SIMPE An sistema de refrigeración por absorción de simple efecto es el más simple y más com7nmente diseo utilizado. Cay dos configuraciones de diseo dependiendo de los

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fluidos de traba5o utilizado. 3ig.  muestra un sistema de simple efecto usando absorbente tal como la no volatilidad i'r 6 agua

Fig. =. An sistema de refrigeración i'r 6 absorción de agua de simple efecto con un intercambiador de calor de la solución (CO$ %ue ayuda a la entrada de calor disminución en el generador. -alor 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$. 2or lo tanto, una irreversibilidad es causada en forma de calor de alta temperatura en el generador se desperdicia a cabo en el absorbedor y el condensador. -on el fin de reducir esta irreversibilidad, un intercambio de calor solución se introduce como se muestra en la 3ig. J. El calor intercambiador permite %ue la solución del absorbedor a ser precalentado antes de entrar en el generador utilizando el calor de la solución caliente %ue sale del generador. 2or lo tanto, la -2 se me5ora como la entrada de calor en el generador se reduce. )demás, el tamao del absorbedor se puede reducir como menos calor es rechazado. os estudios e+perimentales muestran %ue la -2 se puede aumentar hasta un P"L cuando un intercambiador de calor de solución es utilizado ()phornratana, /441$. -uando la volatilidad absorbentes tales como agua 6 BC se utiliza, el sistema re%uiere un e+tra componente llamado Qun rectificadorQ, %ue purificará el refrigerante antes de entrar en el condensador. ) medida %ue la absorbente usada (agua$ es muy volátil, se evaporó 5unto

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con amoníaco (refrigerante$. &in el rectificador, se condensa esta agua y se acumulan en el interior del evaporador, haciendo %ue el rendimiento disminuya. Kncluso si los fluidos de traba5o más comunes utilizados son i'r 6 agua y agua 6 BC, varios investigadores han estudiado el rendimiento de un sistema de absorción de simple efecto el uso de otros tipos de fluidos de traba5o como )gB

O3

F SB

O3

F BaB

O3

O3

6 B

H 3

, i'r F Rn

Br 2

6 -

H 3

C, iB

6 agua, i-l 6 agua, glicerol 6 agua (=rover et al., /4##$.

b/ CICO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN >MUTI*EFECTO? El ob5etivo principal de un ciclo de mayor efecto es aumentar el rendimiento del sistema cuando la fuente de calor de alta temperatura está disponible. 2or el término Qmulti*efectoQ, el ciclo tiene %ue ser configurado de manera %ue el calor desechado para una etapa de alta temperatura es se utiliza como entrada de calor en una etapa de ba5a temperatura para la generación de refrigeración adicional efectuar en la etapa de ba5a temperatura. Doble efecto del ciclo de refrigeración por absorción se introdu5o durante /41P y /41# (liet et al., /4#!$. a figura 1 muestra un sistema %ue utiliza i'r 6 agua. De calor de alta temperatura de un e+terno 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 )demás de la solución procedente de la primera efecto generador. Esta configuración del sistema se considera como una serie de flu5o de doble efecto sistema de absorción.

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Fig. @. An ciclo de absorción de agua 6 i'r de doble efecto. El calor liberado de la condensación de refrigerante vapor se utiliza como entrada de calor en el generador KK. Este ciclo se opera con  niveles de presión es decir, alta, moderada y ba5a presión. An sistema de absorción de doble efecto se considera como una combinación de dos de simple efecto sistemas de absorción cuyo valor -2 es -2single. 2ara una unidad de entrada de calor de la fuente e+terna, efecto de enfriamiento producido por el refrigerante generado desde el generador de primer efecto es / T -2single. 2ara cual%uier sistema de absorción de simple efecto, se puede suponerse %ue el calor rechazado del condensador es apro+imadamente igual a la capacidad de refrigeración obtenida. 2or lo tanto el suministro de calor a la segunda generador es / T -2single. El efecto de enfriamiento producido por el generador de segundo efecto es (/ T -2single$ T -2single. 2or lo tanto, la -onferencia de las 2artes de este sistema de absorción de doble efecto es -2double U 2

-2single F (-2single

¿

. &eg7n este análisis, un doble efecto sistema de absorción

tiene un -2 de ",4P cuando el sistema de simple efecto correspondiente tiene un -2 de ",P. os estudios teóricos de un sistema de absorción de doble efecto han sido proporcionados para varios fluidos de traba5o (Saushi< y -handra, /4#1; =arimella y -hristensen, /44!$.

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Fig. . An ciclo de absorción de doble efecto funciona con dos niveles de presión. El calor de absorción desde )bsorber KK se suministra a la unidad de adsorción K para el proceso de separación de refrigerante &i i'r 6 agua se sustituye con agua 6 BC, la presión má+ima en la primera efectogenerador será muy alta. 3ig. a figura P muestra un sistema de absorción de doble efecto usando agua 6 BC. En contraste con el sistema de i'r 6 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 5untos como una sola unidad como se muestra. 2or lo tanto, sólo hay dos presiones de nivel en este sistema y la presión má+ima puede ser limitado a un nivel aceptable. El calor de los suministros de fuentes e+ternas al generador KK solamente. -omo el agua es un absorbente, no hay problema de la cristalización en el absorbedor. 2or lo tanto, KK absorbedor puede funcionar a alta temperatura y rechaza el calor al generador K. configuración Este sistema se considera como un flu5o paralelo de doble efecto sistema de absorción. &in embargo, una me5ora de la -2 no está directamente relacionada con el incremento del n7mero del efecto. Debe tenerse en cuenta %ue, cuando el n7mero de efectos aumentan, -2 de cada efecto no será tan alta como la de un sistema de simple efecto. )demás, la

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mayor n7mero de efecto conduce a una mayor comple5idad del sistema. 2or lo tanto, el ciclo de doble efecto es el %ue está disponible comercialmente (Riegler et al., /44$.

/ CICO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN >MITAD*EFECTO? Debe tenerse en cuenta %ue, cual%uier sistema de refrigeración por absorción puede ser operado solamente cuando la solución en el absorbedor es más rica en refrigerante %ue en el generador. -uando la temperatura aumenta o reduce la presión, la fracción de refrigerante contenido en la solución se reduce, y viceversa. -uando la temperatura del generador se ha caído, se incrementará la velocidad de circulación solución causando la -2 a soltar. &i es demasiado ba5o, el sistema puede ser de5ado de funcionar. El sistema de absorción media*efecto se introdu5o para una aplicación con una relativamente fuente de calor de ba5a temperatura ('attelle 9emorial Knstitute, /4#1$. 3ig. "0 muestra un diagrama es%uemático de un ciclo de refrigeración por absorción de efecto medio. a configuración del sistema es e+actamente el mismo %ue el sistema de absorción de doble efecto usando agua 6 B

H 3

(como se muestra en la 3ig. P$ e+cepto el calor

direcciones de flu5o son diferentes. Caciendo referencia a la 3ig. "0, de alta temperatura el calor de una fuente e+terna transferencias a ambos generadores. )mbos rechazan absorbedores de calor a los alrededores. )bsorber KK y el generador %ue se emplean a un intermediario nivel de presión. 2or lo tanto, la velocidad de circulación entre el generador y el absorbedor K K y entre el generador y el absorbedor KK KK se puede mantener en niveles aceptables. &e debe se observó %ue la -2 del sistema de absorción media*efecto es relativamente ba5o, ya %ue rechaza más calor %ue un ciclo de absorción de simple efecto alrededor del 1"L (=roll, /440$. &in embargo, puede operar con la fuente de calor relativamente ba5a temperatura.

1



Fig. . An ciclo de absorción media*efecto es una combinación de dos ciclos de efecto 7nico, sino %ue traba5a en diferentes niveles de presión. De5ar temperatura de la fuente de calor sea menor %ue la temperatura mínima es necesaria para un ciclo de simple efecto %ue traba5a en el mismo nivel de presión.

-/ CICO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE DOBE EFECTO El concepto de un sistema de absorción de ciclo dual es similar a una de doble efecto paralelo sistema de absorción. &in embargo, este sistema consta de dos ciclos completamente separados utilizando diferentes tipos de fluido de traba5o. Canna et al. (/4#J$ inventaron una absorción de ciclo dual de refrigeración y bomba de calor, como se muestra en la 3ig. "#. Este sistema consta de dos ciclos de absorción de efecto simple con agua 6 B

H 3

y i'r 6 agua. El sistema de B

H 3

es impulsado por el calor obtenido de

una fuente de calor e+terna. El calor de rechazo de su absorbedor y condensador se utiliza como un calor de accionamiento para el sistema de i'r 6 agua. a &istema de i'r 6 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.

1!



Fig. . &olar absorción ciclo dual impulsado emplea dos fluidos de traba5o diferentes, es decir, B

H 3

6 agua y agua 6 i'r. El calor de absorción y condensación de ciclo 6 agua

BC se suministran al generador de ciclo del agua 6 i'r.

<.

PROCESO DE ABSORCIÓN EN A COUMNA 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 lí%uido %ue hay en el absorbedor. El absorbente %ue 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 ba5o, de forma análoga a un motor de calor.

1"



Figur . Sis($&a -$ r$9rig$rai!" 6or absori!" si&6'$. Ano de los componentes más importantes de los sistemas de refrigeración por absorción es el absorbedor, ya %ue su funcionamiento afecta directamente al sistema global. El diseo de los absorbedores es un punto crítico, originado por la comple5idad de los procesos de transferencia de masa y calor. An intercambio de calor eficiente en el absorbedor depende principalmente de un e+celente mezclado entre el vapor y la solución de traba5o y del má+imo área de contacto entre la pared del intercambiador y la solución. El aumento de la eficiencia en el absorbedor puede ser logrado aplicando diferentes técnicas. Ana de ellas está asociada al incremento de la turbulencia por medio de corrugaciones en las paredes del intercambiador de calor o modificando la geometría, también puede conseguirse mediante la utilización de aditivos %ue disminuyan la tensión superficial de la solución (efecto 9arangoni$ provocando un movimiento del seno del lí%uido hacia la superficie y viceversa, o bien mediante la adición de nano partículas en la solución para me5orar la conductividad térmica de la solución. El refrigerante y el absorbente en un ciclo de absorción forman lo %ue se denomina un par de traba5o. ) lo largo de los aos se han propuesto muchos pares, pero sólo dos de ellos se han utilizado e+tensamente8 amoníaco 5unto con agua como absorbente y agua 5unto con una solución de bromuro de litio en agua como absorbente. El par agua amoníaco se encuentra sobre todo en aplicaciones de refrigeración, con ba5as temperaturas de

1#



evaporación, inferiores a "H-. El par agua*bromuro de litio se emplea e+tensamente en aplicaciones de refrigeración por aire, donde no es necesario enfriar por deba5o de "H-. os niveles de presión en la má%uina de agua*amoníaco son normalmente superiores a la presión atmosférica, mientras %ue las má%uinas de agua*bromuro de litio funcionan generalmente en vacío parcial.

El fluido de traba5o en un sistema de refrigeración por absorción consta de una solución binaria %ue se conforma por refrigerante y absorbente. En la 3ig. /(a$, dos recipientes evacuados se conectan uno al otro. El recipiente iz%uierdo contiene refrigerante lí%uido mientras %ue el recipiente derecho contiene una solución binaria de absorbente6refrigerante. a solución en el recipiente derecho absorberá vapor de refrigerante del recipiente iz%uierdo causando una disminución de presión (&
3ig. /". (a$ El proceso de absorción ocurre en el recipiente derecho causando un efecto de enfriamiento en el recipiente iz%uierdo. 3ig. // (b$ El proceso de separación de refrigerante ocurre en el recipiente derecho debido al calor adicional proporcionado por una fuente de calor e+terna.

2%



PROPIEDADES DE ABSORBENTE

El absorbente es el componente más importante en un sistema de refrigeración por absorción y su desempeo influye en la eficiencia global del sistema. a 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 absorción8 /. El absorbente debe tener una fuerte afinidad por el refrigerante. Entre mayor sea esta afinidad, se re%uerirá una menor cantidad, reduciendo las pérdidas térmicas durante su calentamiento. &in embargo, si esta afinidad es demasiado grande, será necesario suministrar una gran cantidad de energía para la restitución del refrigerante. !. a presión de vapor a la temperatura re%uerida en el generador debe ser despreciable o muy ba5a, en comparación con la presión de vapor del refrigerante. . El absorbente debe permanecer en estado lí%uido durante todo el ciclo, para evitar el problema de cristalización; la estabilidad %uímica debe ser buena y no debe ser corrosivo ni tó+ico. J. El calor específico debe ser ba5o para evitar las pérdidas, la conductividad térmica debe ser lo más alta posible, la viscosidad y la tensión superficial deben ser ba5as para facilitar la transmisión del calor y la absorción. 1. El absorbente debe ser menos volátil %ue el refrigerante, para facilitar su separación en el generador. &i esto no es posible, se re%uerirá la integración de un rectificador para llevar a cabo esta separación en forma de vapor.

PRINCIPAES APICACIONES DE SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

21



os e%uipos de refrigeración por ciclo de absorción pueden ser usados de manera tan amplia como cual%uier otra planta refrigeradora de agua convencional, y las aplicaciones para aire acondicionado son las más usuales. )ctualmente, se está intensificando el uso en instalaciones del sector terciario %ue 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. a otra utilización clásica de estos e%uipos es en procesos industriales, sobre todo en los %ue también se utiliza una fuente de calor residual como energía para hacer funcionar el e%uipo. -

Eui6o -$ r$9rig$rai!" 6or absori!" o" i'o a&o"iaoagua.

En cuanto a las plantas basadas en el ciclo amoníaco6agua como refrigerante6absorbente, pueden utilizarse, además, en aplicaciones a ba5a 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 %ue se trata de una técnica muy desarrollada, totalmente fiable y con reducidos costes de mantenimiento, %ue está disponible en unidades de más de J.""" < de refrigeración con utilización para agua caliente, y de más de P.""" < a llama directa. a mayoría de los e%uipos disponibles en el mercado mundial se a5ustan también a las directivas europeas, de conformidad con la marca -E. &in embargo, se recomienda verificar esto antes de seleccionar la marca y asegurarse de %ue dispone también de servicio de asistencia técnica en el mismo país.

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3igura /!. Iefrigeración por absorción utilizando energía solar térmica

3igura/. E%uipo de refrigeración por absorción con ciclo amoniaco6agua.

1. CICLO CONTINUO •

Descripción del ciclo contin7o de un sistema de refrigeración por absorción.

23



Fig. 1= Ci'o -$ absori!" $" 9u"io"a&i$"(o o"(i"o. El refrigerante en forma de vapor de ba5a presión entra al absorbedor, en donde es absorbido por el absorbente. a solución %ue 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. a solución concentrada entra al generador con presión alta y ba5a temperatura en donde se le suministra calor, esto eleva la temperatura de la solución y de a%uí en adelante la cantidad de refrigerante %ue el absorbente puede retener es reducida. )hora el refrigerante es mane5ado como vapor y llevado fuera del generador. a solución resultante después de la generación contiene una ba5a concentración de refrigerante, la cual se conoce como solución diluida. a solución regresa al absorbedor pasando a través de una válvula de e+pansión 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. 2osteriormente el refrigerante lí%uido pasa a través de una válvula de e+pansión la cual le reduce bruscamente la presión hasta alcanzar la presión de evaporación. Va en el evaporador el refrigerante lí%uido e+trae calor del medio %ue lo rodea (aire o lí%uido$, 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.

24



a eficiencia de operación del sistema de refrigeración es medida por el coeficiente de operación conocido como -28

COP=

COP=

calor absorbido por el refrigerante alevaporarse calor suministrado alrefrigerante + trabajo dela bomba Qg QC + W B

Donde8

Qg =¿

calor de evaporación

QC =¿

calor de generación

W B=¿

traba5o suministrado por la bomba

2. CICLO INTERMITENTE a diferencia fundamental entre un ciclo de refrigeración por absorción en funcionamiento intermitente y continuo es %ue en la operación intermitente, los procesos de generación* condensación 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. 1@. Ci'o a 6r$si!" o"s(a"($.

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2!

Sistemas de Refrigeración Por Absorción

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