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JORNADA IBEROAMERICANA SOBRE EL ENFRIAMIENTO SOLAR; TECNOLOGÍA PARA PARA EL DESARROLLO ECONÓMICO Y SOCIAL DE LA REGIÓN IBEROAMERICANA Centro de Formación de la Cooperación Española Cartagena de Indias, Colombia 17 al 21 de mayo de 2004

TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO  ISAAC PILATOWSKY PILATOWSKY FIGUEROA Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor  Departamento de Sistemas Energéticos Energéticos Centro de Investigación en Energía Universidad Nacional Autónoma de México Cerrada Xochicalco, s/n Colonia Centro, 62580 Temixco, Temixco, Morelos, México Tel: +52-55-56229733, /56229736 /56229736 fax: / 56229791 [email protected]

IMPACTOS IMPACTOS DE LA REFRIGERACIÓN Sector social Sector alimentario Sector industrial Sector servicios Sector salud y biológico Calidad de vida interior Entretenimiento Ambiente

IMPACTOS IMPACTOS DE LA REFRIGERACIÓN Sector social Sector alimentario Sector industrial Sector servicios Sector salud y biológico Calidad de vida interior Entretenimiento Ambiente

ENFRIAMIENTO El enfriamiento es un proceso de eliminación de calor de un cuerpo o un espacio, el cual puede ocurrir por medio de un abatimiento de la temperatura sin que el cuerpo sufra un cambio de estado físico a temperatura constante.

TIPOS DE ENFRIAMIENTO  Enfriamiento natural   Radiativo Conducitivo Convectivo  Efectos combinados.

 Enfriamiento artificial  Utilización por lo general fluidos cuyas propiedades termodinámicas los sitúan como grandes absorbedores de calor, los cuales se conocen como refrigerantes, quienes tienen como función extraer el calor de un cuerpo de manera constante.

ENFRIAMIENTO RADIATIVO CONDICIONES AMBIENTALES:

•

TEMPERATURA ATMOSFÉRICA BAJA

MÍNIMO CONTENIDO ATMOSFÉRICO DE VAPOR DE AGUA Y BIÓXICO DE CARBONO •

•

ALTITUD MAYOR A LOS 2000 m

RADIADOR NOCTURNO

V E N T I L A D O R

I N T E R C A M B I A D O R

ALMACEN AIRE CALIENTE

DE AGUA FRÍA

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO RADIATIVO

ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO Enfriamiento evaporativo directo. Por medio de un ventilador se hace circular el aire caliente y seco a través de una membrana de fibras húmedas en donde se humidifica y enfría, introduciéndolo en el interior de la habitación. La membrana se humedece de manera continua por medio de agua que se hace circular con una pequeña bomba. En esto sistemas se tiene que recuperar el agua que se pierde por arrastre del aire. Enfriamiento evaporativo indirecto . En este caso la temperatura del aire se acercará a la temperatura de bulbo húmedo, o sea a la del líquido frío, por lo que la temperatura de bulbo húmedo deberá ser bastante baja, esto suele ocurrir en climas muy secos. La forma clásica de este proceso es circular el agua enfriada en una torre de enfriamiento a través de un intercambiador de calor agua-aire, a partir del cual el aire de la casa se recircula.

ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO

DL V E N T I L A D O R

H

B F

SISTEMA MECÁNICO DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: H, MALLA HUMIDIFICADORA, DL, DISTRIBUCIÓN DE LÍQUIDO, B, BOMBA , F, FLOTADOR

 NIVELES RELATIVOS DE ENFRIAMIENTO a) El enfriamiento propiamente dicho que va de los 24 a los 14 °C, en donde se sitúa el bienestar  humano y las temperaturas alcanzadas por diferentes procesos naturales como el enfriamiento evaporativo y el radiativo, el acondicionamiento del aire y la conservación de algunos productos  perecederos. b) La refrigeración en donde comienzan a suceder los cambios de estado, principalmente del agua y en donde el abatimiento de la temperatura va desde la temperatura de 14 °C hasta cerca los 0 °C, en la mayoría de los casos no ocurre un cambio de fase. b) La subrefrigeración, la cual opera en un dominio de temperaturas que va desde 0 °C hasta cerca de - 15 °C. En este dominio se lleva a cabo la formación de hielo. c) La congelación, en un dominio de temperaturas entre -15 y - 35 °C, siendo una técnica utilizada para la conservación prolongada de los productos perecederos. d) La subgelación, en un dominio de temperaturas los - 30 a -200 °C. e) La criogénia o generación de muy bajas temperaturas, a valores cercanos al cero absoluto (273.16 °C), dominio utilizado para el estudio de propiedades de superconductividad y superfluidez, criocirugía, conservación de esperma y conservación en general.

PRODUCCIÓN DE FRÍO  La producción de frío es básicamente un fenómeno endotérmico (absorción  de calor), en donde la fuente de calor es el producto o el espacio a enfriar, lo que provoca el abatimiento de su temperatura. Existe una gran diversidad de  métodos de producción de frío, los cuales en su mayoría están basados en la extracción de calor de un cuerpo o un espacio por intermedio de la  absorción del mismo por un fluido ( refrigerante), el cual lo utiliza a su vez y de manera espontánea, para cambiar de estado de agregación, como la evaporación, fusión, sublimación, etc. cuyas transiciones se desarrollan a  bajas temperaturas.

MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO  DISOLUCIÓN DE CIERTOS SOLUTOS EN UN SOLVENTE.

•

•

FUSIÓN 

• VAPORIZACIÓN 

• SUBLIMACIÓN 

• EXPANSIÓN DE UN GAS PREVIAMENTE COMPRIMIDO.

•

•

EFECTO TERMOELÉCTRICO (EFECTO PELTIER DESMAGNETIZACIÓN ADIABÁTICA

DISOLUCIÓN DE SOLUTOS EN DISOLVENTES: EFECTO ENDOTÉRMICO

SOLUCIÓN T EM P E R A T U R A

3

1 HIELO HIELO Y LÍQUIDO

SAL 2

SAL Y LÍQUIDO

PUNTO CRIOHIDRÁTICO HIELO Y SALMUERA SÓLIDA

SAL Y SALMUERA SÓLIDA

CONCENTRACIÓN, %

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES DE SOLUCIONES

AGUA Y SALES

Componentes

Partes en peso

Agua

16

Solución amoniacal

5

Salitre

5

Agua

1

Nitrato de amonio

1

Agua

16

Sulfato de sodio

8

Salitre

5

Solución amoniacal

5

Agua

1

Carbonato de sodio

1

Nitrato de amonio

1

Caída de temperatura de °C a °C + 10

- 12

+ 10

- 15

+ 10

- 15

+ 10

- 22

ACIDOS Y SALES Componentes

Partes en peso

Acido clorhídrico

9

Sulfato de sodio

8

Ácido nítrico

2

Nitrato de sodio

Caída de temperatura de °C a °C + 10

- 18

3

+ 10

- 20

Ácido sulfúrico

4

+ 10

- 20

Sulfato de sodio

5

Ácido nítrico

4

+ 10

- 23

Sulfato de sodio

6

Solución amoniacal

4

Salitre

2

Ácido nítrico

4

+ 10

- 25

Fosfato de sodio

9

Ácido nítrico

4

+ 10

- 40

Nitrato de amonio

5

Sulfato de sodio

6

NIEVE, SALES Y ÁCIDOS Nieve

2

Sal marina

1

Nieve

5

Sal marina

2

Solución amoniacal

1

Nieve

24

Sal marina

10

Solución amoniacal

5

Salitre

5

Nieve

3

Ácido sulfúrico

2

Nieve

12

Sal marina

5

Nitrato de amonio

5

0

- 20

0

- 25

0

- 28

0

- 30

0

- 32

NIEVE, SALES Y ÁCIDOS Nieve

8

Ácido clorhídrico

5

Nieve

7

Ácido nítrico

4

Nieve

4

Cloruro de calcio

5

Nieve

2

Cloruro de calcio cristalizado

3

Nieve

3

Potasa

4

0

- 32

0

- 35

0

- 40

0

- 45

0

- 46

LIQUIDO CON HIELO SECO

Alcohol etílico abs. Eter etílico Cloruro de etilo Acetato de amilo Cloroformo Cloruro de metilo Tri cloruro de fósforo Ácido sulfuroso Al vacío: Eter etílico Cloruro de metilo

-

-

- 72

-

-

- 77 - 60 - 78 - 77 - 82 - 76

-

-

- 82 - 103 - 106

FUSIÓN  Es necesario que esta transición se desarrolle a una temperatura  suficientemente baja, en donde interviene el calor latente de fusión. En la  antigüedad la producción de frío, se basaba en la utilización del hielo, el cual   se recolectaba de manera natural en invierno y se conserva para su utilización posterior. El hielo juega un papel preponderante sobre todo en los  países en vías de desarrollo para la conservación de pescados y mariscos, de  aves, etc. Para la conservación de frío se substituye frecuentemente al hielo  cuya temperatura de fusión no es muy baja (0°C) - por una mezcla eutéctica  de numerosas sales y de agua, en una concentración bien definida del soluto en el solvente, en donde intervienen los calores latentes de fusión- la  temperatura de una mezcla eutéctica que se funde o se congela, permanece  constante - en donde las temperaturas pueden ser inferiores a 0 °C.

VAPORIZACIÓN  En este método se utiliza el calor latente de evaporación, que por lo general es  más grande que el de fusión. Este procedimiento es el mas utilizado a nivel  industrial, comercial y doméstico. El fluido que se vaporiza para la producción  de frío se le conoce como frigorígeno o refrigerante. En este caso se puede  obtener un sistema de enfriamiento abierto, en donde el vapor resultante de la vaporización no se recupera, sobre todo en los casos en donde el refrigerante no es caro y no presenta problemas de impacto ambiental, como por ejemplo el uso  del nitrógeno líquido y refrescar el aire caliente y seco por medio de la vaporización directa del agua en el aire.  En el sistema de enfriamiento cerrado, el vapor del refrigerante, generalmente  costoso y algunas veces tóxico, se recircula con el objeto de volverlo a licuar  para vaporizarlo de nuevo. Este tipo de sistema esta formado por un recipiente  aislado térmicamente, el cual limita el espacio frío, y en cuyo interior se coloca un intercambiador de calor, en donde se introduce el refrigerante líquido el cual   se vaporiza a una temperatura T0 inferior a la temperatura del interior Tr a la  cual se quiere mantener el espacio. A este intercambiador se le conoce como evaporador.

SUBLIMACIÓN

 La sublimación es el cambio del estado sólido al estado vapor, este calor latente es más grande que el de vaporización, debido a que contiene además del calor latente de vaporización el de  fusión. Normalmente se utiliza en un sistema abierto bajo  presión atmosférica, siendo el refrigerante mas utilizado el   anhídrido carbónico (CO2), el cual en estado sólido tiene una  temperatura de transición de - 78.5 °C ( hielo seco).

EXPANSIÓN DE UN GAS PREVIAMENETE COMPRIMIDO

 Esta expansión se puede realizar en:  a).- En un motor de gas comprimido, en donde se extrae la energía mecánica del gas que se expande. Esta extracción de energía provoca un enfriamiento intenso del gas expandido.  b).- En una válvula, en donde el gas que experimenta esta expansión (expansión JouleThomson) no produce ningún trabajo al exterior. Este enfriamiento es limitado, ya que según el  estado termodinámico del gas antes de la expansión, el gas se puede enfriar, recalentarse o  permanecer a una temperatura constante después de esta expansión.  El primer procedimiento se usa muy frecuentemente para la producción de frío a muy bajas  temperaturas (criogenia) inferiores a los 120 K, como en el caso de la licuefacción del aire, del   hidrógeno, del helio, etc. Como ejemplo de este método, se tiene en tubo Ranque, en donde se expande el aire comprimido en un tubo. La inyección del gas que se efectúa tangencialmente a la  superficie interna del tubo provoca la formación de un torbellino rápido en donde la parte  central se enfría y la periférica se calienta. Otro método utilizado es la máquina frigorífica a aire, la cual utiliza un compresor y una turbina  para comprimir y expandir el gas, provocando el enfriamiento en el aire. Estos dos casos de expansiones, se trataran con mayor amplitud en los sistemas ditermos

EFECTO TERMOELÉCTRICO (EFECTO PELTIER

 El enfriamiento producido por medio del efecto termoeléctrico se debe al paso  de una corriente eléctrica en la junta de dos metales diferentes. El efecto  termoeléctrico  termoeléctrico conocido con el nombre de Peltier, Peltier, esta relacionado con las interacciones entre el flujo de calor y el flujo eléctrico en sólidos conductores y  semiconductores.  semiconductores. Es decir que hay un flujo de calor proporcional a la  corriente eléctrica aplicada y depende de las características características del material. La  refrigeración  refrigeración termoeléctrica termoeléctrica es una transferencia transferencia de calor que utiliza los  cambios de niveles de energía energía de las cargas eléctricas para para transportar energía  térmica. La dirección de la corriente determina el fenómeno que ocurre en la  junta bimetálica; calentamiento calentamiento o enfriamiento. Este efecto de enfriamiento se  tratará con más detalle en el tema de sistemas ditermos.

DESMAGNATIZACIÓN ADIABÁTICA  El fenómeno magnetotérmico esta basado en la transición ferromagnética  paramagnética. La desmagnetización d esmagnetización de una sustancia paramagnética la cual se aísla  térmicamente, provocando una caída de temperatura. En este caso se utiliza un  crióstato magnético. En el caso de la producción de bajas temperaturas utilizando la  desmagnetización se usan como se mencionó substancias paramagnéticas, las cuales  al colocarse colo carse en un campo magnético no uniforme estas substancias se desplazan en el   sentido de los campos crecientes. En un campo magnético uniforme este tipo de  substancias se desplazan en el sentido de las líneas de fuerza. Como ejemplos se tiene tie ne  al sulfato de gadolino y diferentes alumbres. Este fenómeno se describirá con más  detalle en los sistemas ditermos

EFECTO TERMOACÚSTICO  En general, la termoacústica, termoacústica, estudia la interacción entre la acústica y los  fenómenos térmicos. térmicos. El efecto de poder generar generar un gradiente de temperatura temperatura a  partir de una onda sonora, comenzó a ser utilizado en la construcción de  refrigeradores en la década de los años ochenta. Estas máquinas son muy  simples, no tienen parte móviles y son pequeños.  El refrigerador termoacústico termoacústico consiste en un resonador de un cuarto de longitud de onda, que tiene en su extremo abierto y un parlante encargado de  generar una onda acústica estacionaria dentro de este. La forma en que opera este tipo de refrigerador se describirá con más detalle en la sección de sistemas  de refrigeración ditermos.

MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO BASADOS EN LA EVAPORACIÓN DE UN REFRIGERANTE  En la refrigeración industrial, comercial y doméstica la mayor parte de las  máquinas frigoríficas operan en un ciclo cerrado, bajo el principio de  producción de frío basado en la evaporación del refrigerante líquido.  Estos métodos se diferencian por la forma en que los vapores que se  producen en el evaporador son extraídos. Dentro de estos sistemas tenemos los ciclos de compresión, de eyecto-compresión y de sorción.  Para el funcionamiento de estos sistemas basados en la evaporación de un  fluido, intervienen las substancias llamadas refrigerantes, en donde en la  mayoría de los casos, sufren una transformación de cambio de fase.

 REFRIGERANTES  El refrigerante es una sustancia que es capaz de producir un efecto de enfriamiento sobre el medio que lo rodea, sea un espacio o un cuerpo, absorbiendo calor y que de manera  general fluye y evoluciona en un ciclo al interior de un  circuito de una máquina frigorífica. En el caso de  producción de frío por medio de vaporización, estas  substancias deben tener una temperatura de ebullición, a  presión normal, inferior a la temperatura ambiente.

SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE  a).- Comportamiento indiferente frente a los materiales utilizados. El refrigerante no debe combinarse o reaccionar con los materiales utilizados para la construcción de la máquina  frigorífica.  B).- Estabilidad química. El refrigerante no debe de sufrir ningún tipo de transformación química, dentro del dominio de temperaturas y presiones de operación. C).- Ausencia de toxicidad. Es importante que el refrigerante no tenga efectos nocivos sobre la salud, ni sobre el medio. No todos los refrigerantes satisfacen esta condición.  D).- No debe ser explosivo ni inflamable . Por motivos de seguridad se exige que el refrigerante este operando fuera de los dominios de peligrosidad, en lo referente a los riesgos de explosión y flamabilidad.  E).- Fácil detección de fugas. Por aspectos de seguridad, operación y economía, es necesario que la circulación del refrigerante se realice en conductos herméticos y que las fugas en caso de ocurrir deben ser inmediatamente detectadas, prefiriéndose aquellos refrigerantes que tengan un olor penetrante.  F).- Ningún efecto sobre el lubricante . Si en el circuito del ciclo de refrigeración se utiliza algún tipo de lubricante, el refrigerante no le debe ocasionar ningún cambio químico, ni influir en sus propiedades lubricantes. G).- La presión de evaporación debe ser superior a la presión atmosférica . En el caso de la refrigeración por vaporización, la presión de evaporación del refrigerante, debe ser dentro de lo posible, algo superior a la presión atmosférica. De esta manera se evita la introducción de aire al interior del sistema.  H).- Baja presión de condensación.  La generación de altas presiones de condensación, requiere de estructuras que soporten esta presión, aumentando el costo. Se sugiere trabajar el refrigerante a condiciones de operación no muy próximas del punto crítico, con el objeto de realizar mas fácilmente la condensación.  I).- Gran potencia frigorífica específica. Entre mayor sea su capacidad o potencia de enfriamiento, se requerirá una menor cantidad de refrigerante en circulación  para una potencia de enfriamiento determinada.  J).- Costo y disponibilidad. El refrigerante no debe ser muy costoso y debe estar disponible en el mercado, sobre todo si se requiere de un

PROPIEDADES DE LOS REFRIGERANTES .  Propiedades térmicas. bien el análisis de los diferentes factores externos que intervienen para que estos cambios se produzcan.

 Las propiedades térmicas en general, permiten conocer el comportamiento de las substancias frente a los cambios de estado o

 Presión de vapor. Para compuestos puros, el equilibrio entre las fases del refrigerante líquido y el refrigerante vapor,  permite la determinación de la temperaturas de evaporación y de condensación, así como de las  presiones en función de estas temperaturas. Volumen específico y densidad. El volumen especifico es el valor inverso de la densidad, y ambos varían en función de la temperatura y de la presión, siendo más importante este efecto si el refrigerante se encuentra en fase vapor. Conociendo el volumen específico se puede determinar la cantidad de vapor generado por la vaporización de una cierta masa de refrigerante líquido. Calor específico. El calor específico indica la cantidad de calor necesaria para absorberse o disiparse, para obtener  la variación de un grado de temperatura de una cierta masa de una sustancia. Este valor es muy importante sobre todo para el dimensionamiento de los intercambiadores de calor. Calor latente. El calor latente indica la cantidad de calor necesaria por unidad de masa de la substancia, para efectuar una transición de un estado de agregación a otro. En el caso de los refrigerantes existen grandes variaciones de estos calores.

PROPIEDADES DE REFRIGERANTES

METODOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO BASADOS EN LA EVAPORACIÓN DE UN REFRIGERANTE . En la refrigeración industrial, comercial y doméstica la mayor parte de las máquinas frigoríficas operan en un ciclo cerrado, bajo el principio de producción de frío basado en la evaporación del refrigerante líquido. Estos métodos se diferencian por la forma en que los vapores que se producen en el evaporador son extraídos. Dentro de estos sistemas tenemos los ciclos de compresión, de eyecto-compresión y de sorción. SISTEMA DE COMPRESIÓN DE VAPOR.  Los vapores son aspirados y comprimidos por medio de un dispositivo mecánico llamado compresor. SISTEMA A EYECTO-COMPRESIÓN. En este caso los vapores son aspirados por medio de un eyector, en donde el refrigerante hace la función de vapor motriz y una depresión en el eyector permite su aspiración a baja presión. SISTEMA A SORCIÓN.  Los vapores son retenidos por un material líquido o sólido, lo que provoca su aspiración a la salida del evaporador. Existen dos formas por las cuales estos materiales pueden fijar a los vapores, uno en donde el vapor se fija al material por medio de uniones de naturaleza física, resultando en un fenómeno superficial, al que se conoce con el nombre de adsorción, en donde por lo general ocurre entre un sólido y un vapor, aunque este fenómeno se puede presentar también aunque con menos frecuencia entre un líquido y un vapor. En la adsorción el material que adsorbe se le conoce como adsorbente y al material adsorbido como adsorbato. La otra forma es que el vapor se solubiliza al interior del material y en donde posteriormente ocurre una reacción química. Este fenómeno se conoce con el nombre de absorción y ocurre tanto en materiales líquidos como en sólidos. En la absorción, el material que absorbe se le conoce como absorbente y el material absorbido como absorbato. En este tipo de sistema el refrigerante en forma vapor es adsorbido o absorbido por un líquido o sólido, a la salida del evaporador.

SISTEMAS DITERMOS (DOS FUENTES DE TEMPERATURA) PARA LA PRODUCCIÓN DE FRÍO . Introduccion  Estos sistemas funcionan entre una fuente fría a TE , en donde absorben el   calor y una fuente caliente a TC en donde disipan el calor al medio ambiente.  En este caso las temperaturas TE y TC , corresponden en el caso de un  régimen interior a las condiciones de transformación del refrigerante (evaporación y condensación respectivamente). Si se refiere a un régimen exterior, se consideran las temperaturas de los  fluidos exteriores por intermedio de los intercambiadores de calor, tanto del   fluido a enfriar, a una temperatura TR, como del fluido de enfriamiento (agua o aire ambientes) a una temperatura Tf , el cual se utiliza para disipar los calores de condensación y los correspondientes a los de disolución o  reacción química.  Los sistemas frigoríficos ditermos incluyen los ciclos de compresión mecánica  de vapores y los basados en el principio de Peltier. Para asegurar el   funcionamiento de estos ciclos es necesario el suministro continuo de energía  mecánica o eléctrica.

MÁQUINA FRIGORÍFICA A COMPRESIÓN  .  La figura 1.1, representa una máquina frigorífica a una etapa de compresión.  Esta está formada por un a).- evaporador E en donde el refrigerante se evapora  bajo la presión de evaporación PE . Los vapores formados por lo general se  sobrecalientan un poco a la salida de este intercambiador. b).- un compresor  mecánico C, que aspira bajo la presión PE los vapores sobrecalentados y los  recomprime a la presión PC correspondiente a la temperatura de saturación del   sumidero de calor, normalmente referida a la temperatura de condensación. c).Un condensador C en donde el vapor sobrecalentado se licúa a TC y el líquido se  puede subenfriar. El enfriamiento del condensador puede efectuarse con fluidos  ambientales como el agua y el aire. d).- Una válvula de expansión V, la cual   recibe el refrigerante líquido y lo expande de la PC a la presión PE , siendo una expansión isoentálpica, en donde disminuye la calidad del vapor. El líquido pasa  nuevamente al evaporador y de esta forma se inicia un nuevo ciclo de  refrigeración. Si se desea disminuir aún más la temperatura entre  –  20 C y  –  50 °C se pueden  aplicar ciclos a dos etapas de compresión, y si se requieren aún temperaturas más  bajas, entre – 60 y – 160 °C es posible utilizar estos ciclos en forma de cascada.

Qc QC condensador

Válvula de expansión

Compresor Motor eléctrico

evaporador

QE SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPORES

QC Línea de saturación

Condensador

TC

Condensación Compresión

Compresor Expansión

Válvula de expansión

Evaporador

Elemento primario de movimiento

TE Evaporación

T S QE

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPORES Y SU REPRESENTACIÓN EN UN DIAGRAMA TEMPERATURA-ENTROPIA

OTROS CICLOS DITERMOS EN DONDE SE REQUIERE EL SUMINISTRO DE  ENERGÍA MECÁNICA O ELÉCTRICA. CICLO RANKINE

CONDENSADOR

GENERADOR TURBINA

COMPRESOR

REGENERADOR

EVAPORADOR CONDENSADOR

Un ciclo alternativo para la producción de frío usando energía térmica es el ciclo de la máquina térmica Rankine, la cual recibe calor de una fuente térmica, la cual convierte esta energía a trabajo mecánico el cuál es utilizado para operar un sistema convencional de refrigeración por compresión mecánica de vapor. En el ciclo básico. El calor es suministrado al generador de vapor por medio de cualquier fuente térmica o un sistema de almacenamiento térmico. En el generador se lleva a cabo la vaporización del fluido, por lo general agua; el vapor se separa, si es necesario, del líquido y pasa a una turbina en donde es extraído el trabajo mecánico. Dependiendo del fluido de trabajo utilizado, el fluido puede entonces pasar a través del generador donde se disipa algo de energía antes de fluir al condensador antes de su licuefacción. El condensado se bombea hacia un regenerador antes de regresar al generador.

OTROS CICLOS DITERMOS EN DONDE SE REQUIERE EL SUMINISTRO DE ENERGÍA MECÁNICA O ELÉCTRICA.  Máquina frigorífica a aire  La máquina frigorífica a aire consiste en: un compresor C, el cual aspira, bajo la presión P0 el aire que se encuentra en el espacio E y que se encuentra a una temperatura TE. El aire se comprime de PE hasta PC y su temperatura aumenta de TE hasta TC. TC. b).- un enfriador EN, en donde el aire aire se enfría, enfría, bajo la presión presión PC de TC hasta TEN . Este intercambiador intercambiador constituye la  fuente caliente de la máquina y se enfría con aire o con agua. c).- una turbina de expansión T en donde la presión presión del aire aire disminuye de PC hasta PE . De manera simultánea su temperatura desciende de TE hasta TT y a esta temperatura el aire aire se envía frío otra vez vez al espacio a enfriar. enfriar.  La turbina está ligada mecánicamente al compresor, compresor, pero como el consumo energético de este último es superior a la producción de la primera, se requiere requiere un motor de apoyo, ya que como es sabido el ciclo de refrigeración debe consumir energía para poder transferir calor de una fuente  fría TE a una fuente caliente TC . Este sistema parece ser muy interesante, ya que sólo cuenta con un intercambiador y el refrigerante usado es el aire y su coeficiente de eficiencia teórico es excelente: Sin embargo, al tratarse de máquinas reales y al considerar las caídas de presión, imperfecciones del compresor y de la máquina de expansión, que no funcionan evidentemente isoentrópicamente, el ciclo real presenta un eficiencia mucho menor que la teórica, ya que el compresor consume más energía y la turbina de expansión suministra una menor potencia, y el motor tendrá que dar  una potencia mucho más grande. Esto da como resultado que la eficiencia de un ciclo de enfriamiento de aire, excepto por el caso de la obtención de muy bajas temperaturas, tiene eficiencias más bajas que las máquinas frigoríficas de compresión compresión de vapores. vapores.

ESPACIO ESPACIO A ENFRIAR ENFRIA R

4

1

PC

3

T TURBINA

INTERCAMBIADOE DE CALOR

PE

2

C COMPRESOR

M

CICLO DE REFRIGERACIÓN DE AIRE CON UN COMPRESOR

El funcionamiento esta basado sobre el principio de la expansión del aire atmosférico con la producción de trabajo exterior. El  funcionamiento es el siguiente: un cilindro de compresión compresión del aire A y un cilindro de expansión de aire B se montan sobre el mismo eje del pistón, que esta acoplado acoplado al árbol manivela de la máquina máquina de vapor C. El pistón en su recorrido aspira aspira el aire de la tubería I y en su recorrido de regreso lo comprime; el aire calentado de esta manera se enfría en el recipiente D por medio de la pulverización de agua; el aire húmedo se seca en E , por medio de un tamiz; un secado más fuerte se produce durante la caída de presión en los tubos G, dispuestos en el espacio a enfriar F, y en los cuales el agua después del abatimiento de temperatura se separa del aire y se escurre. El aire que se encuentra todavía bajo presión llega por la tubería 2 en el cilindro de expansión B donde, con la producción de trabajo, empuja el pistón y alcanza la más baja temperatura debido a la expansión. El aire enfriado se envía por el conducto 3 directamente al espacio a enfriar, en donde es aspirado de nuevo por el compresor A para iniciar un

CICLO RANKINE

CONDENSADOR

GENERADOR

TURBINA

COMPRESOR

REGENERADOR

EVAPORADOR CONDENSADOR

TUBO RANQUE

El tubo Ranque tiene la forma de una T: la barra horizontal esta constituida de la parte en donde se desarrolla el fenómeno de separación, la vertical sirve como llegada del aire comprimido, la cual se hace tangencialmente interior del tubo torbellino propiamente dicho. Por este efecto, el aire toma un movimiento en espiral. En la práctica, el aire se inyecta sobre la periferia interior del tubo a la temperatura ambiente, entre 20 y 22 °C, proyectado sobre la pared cilíndrica, se pone a girar en avance según el comportamiento de un torbellino, quedando pegado a la pared   por medio de la fuerza centrífuga. Como la sección interior de este tubo esta alargada hacia la primera salida –  el tubo esta abierto en los dos extremos –  la fuerza centrífuga que tiende a inflar el torbellino arrastra el flujo en esta dirección.

SEPARADOR BERTIN

frío

Inyección intermitente

calor

Aletas de enfriamiento El separador  Bertin, esta basado en el siguiente principio: el gas comprimido se inyecta de forma independiente en un tubo cerrado en una extremidad. Se establece un régimen oscilatorio, el cual crea una diferencia en temperaturas entre el aire desechado frío en la vecindad del inyector y el aire caliente que queda en el fondo del tubo. En este caso, la separación es posible debido a la no  permanencia dinámica y térmica de la corriente.

SISTEMAS FRIGORÍFICOS TERMOELÉCTRICOS.  La teoría de un refrigerador termoeléctrico se fundamenta en una serie de efectos físicos propios de los sólidos conductores y semiconductores. Dichos efectos termoeléctricos relacionan las interacciones entre los flujos de calor y los  flujos eléctricos en una junta de dos materiales (conductores ó semiconductores) diferentes.

 Efectos termoeléctricos.  La junta termoeléctrica de la figura siguiente. se encuentra formada por dos metales diferentes (conductores ó semiconductores); dicho termopar tiene dos  juntas entre los metales, las juntas J1 y J2 las cuales se encuentran a sus respectivas temperaturas; T1 y T2.  Las interacciones de los diversos flujos de calor y corriente eléctrica que  pasan por la junta se encuentran relacionados por los tres efectos termoeléctricos:

EFECTOS TERMOELÉCTRICOS. La junta termoeléctrica de la figura, se encuentra formada por dos  metales diferentes (conductores ó semiconductores); dicho termopar tiene  dos juntas entre los metales, las juntas J1 y J2 las cuales se encuentran a sus  respectivas temperaturas; T 1 y T 2 . Las interacciones de los diversos flujos de calor y corriente eléctrica que  pasan por la junta se encuentran relacionados por los tres efectos  termoeléctricos: 

Junta 2 T2

Junta 1 T1

fem

Metal 1 Metal 2

- Efecto Seebeck: -Al producir una diferencia de temperaturas ( T) entre las juntas 1 y 2 (Figura anterior) se genera un voltaje ó fuerza electromotriz (fem) que circula la junta termoeléctrica. La diferencia de temperatura requerida ( T) para producir un voltaje dado se encuentra determinado por las características de los materiales que conforman la junta y se le conoce como coeficiente de Seebeck ó potencia termoeléctrica ().

 

 Me tal1, Me tal 2

V T 



V  T 

: Voltaje, [V] : Gradiente de temperatura, [ °C]. : Coeficiente Seebeck relativo a los metales 1 y 2, [ V/ °C].

Efecto Peltier: -Al generar y circular un voltaje por la junta termoeléctrica se genera un  T entre la  temperatura de las juntas 1 y 2 (y en consecuencia un flujo de calor de un extremo  a otro de la junta). La magnitud del voltaje requerido (V) para producir un  T (ó flujo  de calor) dado se encuentra determinado por las características de los materiales  que conforman la junta y se le conoce como coeficiente Peltier (   ).

  

 Metal1, Metal2

Q 

 I 

donde: Q : Calor emitido ó absorbido, [kJ]. I : Corriente eléctrica, [A].  : Coeficiente Peltier relativo a los metales 1 y 2, [ kJ/A].

EL EFECTO THOMPSON: El coeficiente Thompson (  )  es la relación de la absorción y emisión de calor en un solo  material conductor a una razón proporcional del flujo de corriente y del gradiente de  temperatura (ver figura). La figura representa de manera esquemática el efecto Thompson efectuándose en un metal 

dado a una cierta  T. Thompson obtuvo la relación del tercer coeficiente termoeléctrico (   ), para uno solo de  los conductores (ver figura bajo la suposición de que al fluir la corriente eléctrica (I) en  un conductor, existe un gradiente de temperatura dependiente de la posición (dT/dx, donde x representa la posición a lo largo del conductor referida a la dirección del flujo  de la corriente I y calor Q) que conduce a una razón de calentamiento dependiente a  su vez también de la posición x (dQ/dx). De donde    es igual a: 

Q

Calor emitido por el conductor

Calor absorbido por el conductor

Q

I

T=T2-T1 T2 > T1 X



T2

T1

Thompson obtuvo la relación del tercer coeficiente termoeléctrico ( ), para uno solo de los conductores (ver figura) bajo la suposición de que al fluir la corriente eléctrica (I) en un conductor, existe un gradiente de temperatura dependiente de la posición (dT/dx, donde x representa la posición a lo largo del conductor referida a la dirección del flujo de la corriente I y calor Q) que conduce a una razón de calentamiento dependiente a su vez también de la posición x (dQ/dx). De donde  es igual a:

  

dQ /  dx 

 I ( dT  /  dx )

donde: Q I T X

: Calor emitido ó absorbido, [Kj]. : Corriente eléctrica, [A]. : Temperatura absoluta, [K]. : Eje relativo al gradiente de posición x a través del cual se realiza la transferencia de calor (Q) y el flujo de la corriente eléctrica (I).

El principio de los refrigeradores de este tipo y como se mencionó anteriormente, está  basado en lo que se conoce como efecto Peltier (Fig. 1.5). en este tipo de  refrigeradores, no se utiliza la unión de dos metales ya que la diferencia de  temperatura producida es muy pequeña, en realidad lo que se utiliza es la unión de  materiales semiconductores tipo p y n, los cuales producen mayores diferencias de  temperatura. Existen dos tipos de materiales semiconductores, los semiconductores tipo n y los  semiconductores tipo p. El material semiconductor tipo n tiene un exceso de cargas negativas  ó electrones. La adición de impurezas que provocan una deficiencia de electrones en el  material da como resultado un material semiconductor tipo p en el cual las cargas mayoritarias  presentes son cargas positivas (ausencia de electrones). Algunos ejemplos de materiales tipo  p y n son: Bi 2 Te 3 , Bi 2 Te 3 +Sb 2 Te 2 +Sb 2 Se 3 , PbTe, SiGe y SiSb.

Calentamiento

Calentamiento

p

n

Enfriamiento

Corriente eléctrica

+

-

Metal Semiconductor Diagrama esquemático de una junta metal-semiconductor para producir el efecto Peltier

El calentamiento ó enfriamiento de las juntas es el resultado de fenómenos básicos de transporte de calor. El refrigerador termoeléctrico utiliza los cambios de nivel energético de las cargas eléctricas para transportar energía térmica (calor); además, la dirección del flujo de corriente eléctrica determina si una junta dada disipa ó absorbe calor. Independientemente del efecto Peltier asociado al funcionamiento de una bomba de calor termoeléctrica, existen dos fenómenos adicionales que ocurren en el circuito y afectan el desempeño de la bomba: El calentamiento Joule que ocurre por efectos de resistencia eléctrica de los semiconductores a la corriente eléctrica.  La conducción de calor, fenómeno inevitable debido a la unión física entre los materiales y al gradiente de temperatura presente en los mismos. Para diseñar un sistema óptimo termoeléctrico, se debe considerar, un material que minimiza el calentamiento Joule, una relación geométrica área / longitud adecuada para la junta y el hecho de que el T de operación del refrigerador y el calor (Q) transferido son inversamente proporcionales, esto es que T será óptima cuando Q = 0 y viceversa. Este tipo de sistemas se utiliza generalmente para enfriamiento y aunque su COP es menor que el de un refrigerador convencional, tiene la ventaja de ser pequeños y silenciosos, no emplear  líquidos, su regulación y control es muy sencillo (proporcional a la corriente eléctrica), responden rápidamente a cambios de polarización invirtiendo la función de la bomba (bomba termoeléctrica de calentamiento-enfriamiento) y por no tener partes móviles son de larga duración. Como inconveniente técnico (bajos COP) y económico (costo de los módulos de juntas termoeléctricas), una aplicación de bomba de calor termoeléctrica solo es adecuada a bajas potencias térmicas (aprox. 30 Watts ó menos), Este sistema de refrigeración es muy costoso y su uso se a limitado para aplicaciones de muy bajas potencias de refrigeración.

EFECTO TERMOACÚSTICO  Las máquinas termoacústicas no difieren de las máquinas de potencia en el   sentido de que ellas intercambian calor y trabajo. La diferencia reside en que el   tipo de trabajo que se obtiene, se llama trabajo acústico, que consiste en el   transporte de energía de una onda sonora.  El efecto termoacústico se da cuando una placa sólida esta sometida a los efectos  de una onda acústica plana estacionaria en dirección paralela a la placa. Las  principales consecuencias que se pueden observar son las siguientes: 1. Aparición de un flujo neto de calor cerca de la superficie de la lámina a lo largo de la dirección de la vibración.  2. Generación o absorción de potencia acústica (trabajo) cerca de la superficie  de la lámina.

REFRIGERADOR TERMOACÚSTICO El refrigerador termoacústico consiste en un resonador de un cuarto de longitud de onda, que tiene en su extremo abierto y un parlante encargado de generar una onda acústica estacionaria dentro de este.  Dentro del tubo se localiza una rejilla de láminas alineadas de tal forma que queden en la misma dirección de la vibración, la cual constituye el medio sólido que va a interactuar con el fluido.  La presencia de la onda dentro del tubo hace que durante la operación de la máquina el  fluido y las láminas interactúen, originando un flujo neto de calor de un lado a otro de la rejilla (en la figura del lado izquierdo al derecho), llevando un calor neto desde una  zona a baja temperatura hasta una a más alta temperatura. De esta forma opera como un refrigerador convencional en el cual el trabajo es suministrado por el parlante.

R E J I L L A S

PARLANTE

FRIO

CALIENTE

TUBO DE HOFLER El tubo de  Hofler , el cual consiste en un tubo metálico con uno de sus extremos cerrados y con el otro abierto a la atmósfera. El tubo tiene una rejilla de láminas alineadas en la dirección de la vibración, que constituyen el medio sólido que va a interactuar con el  fluido. Si el tubo se somete a una temperatura entre los dos extremos, de manera que el extremo cerrado este a mayor temperatura que el otro, se generará una onda sonora. En este caso, la máquina esta absorbiendo calor de una fuente a alta temperatura y está expulsando  parte de este calor a una fuente de temperatura más baja, generando trabajo acústico (sonido).

QSALE

QENTRA

REJILLA

FRÍO

CALIENTE

SISTEMAS TRITERMOS (TRES FUENTES DE TEMPERATURA) DE PRODUCCIÓN DE FRÍO. Introducción Estos sistemas a diferencia de los sistemas tritermos funcionan con  energía térmica [1] . Para su funcionamiento requieren por lo menos de  tres fuentes da calor (de donde su nombre tritermos):  1.Una fuente de baja temperatura, T E  en donde el calor se extrae del  medio a enfriar;  2.Una fuente de mediana temperatura, T C  en donde el calor se cede al  medio exterior;  3.Una fuente a alta temperatura, T G  , donde el calor se suministra para  asegurar su funcionamiento.

1]  Para algunos sistemas es necesario cierta cantidad de energía 

[ 

mecánica la cual sin embargo es pequeña comparada con la energía  térmica requerida.

ACOPLAMIENTO ENTRE UNA MÁQUINA TÉRMICA Y UN REFRIGERADOR Q1

T3

w Q’2

T2 Q’’2

T0

S1

S2

S3

CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS TRITERMOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO. A. Sistemas en donde interviene un ciclo de producción de energía mecánica con motor térmico y un ciclo frigorífico a compresión. un motor térmico a combustión interna ( a gas o con combustibles líquidos). un motor a gas caliente ( combustión externa, con calentamiento clásico o solar. un motor a vapor ( calentamiento clásico o solar). B. Sistema en donde intervienen un motor térmico y un ciclo de refrigeración a aire. C, Sistemas en donde intervienen un módulo termoeléctrico Seebeck y un módulo efecto Peltier. D. Sistemas a sorción: Sistemas a absorción (liquido-vapor) Ciclo con funcionamiento intermitente Ciclo con funcionamiento continuo* Ciclo de absorción-difusión Ciclo a resorción* E. Sistemas a adsorción (intermitentes) F. Sistemas frigoríficos a eyección* •

•

•

* Sistemas que requieren un pequeño suministro de energía mecánica Los sistemas C, D y E, pueden operarse con energía solar.

COEFICIENTES TRITERMOS.

DE

EFICIENCIA

DE

LOS

SISTEMAS

FRIGORÍFICOS 

Desde el punto de vista termodinámico es conveniente considerar un sistema frigorífico tritermo como una máquina constituida por un motor térmico, (MT), funcionando entre dos temperaturas T G y TC y una máquina frigorífica, operando entre las temperaturas T E y TC , de acuerdo a la figura 1.4 . Por definición el coeficiente de operación esta representado de manera general como: COP 

Q0 QG



efectorefr igerante energíasuministrada

Si se incluye el trabajo W suministrado por el motor térmico (MT), el cual es absorbido por la máquina frigorífica (MF), se tiene:

COP

Q0 

.

W 

W  QG

El primer término es el coeficiente de eficiencia del ciclo frigorífico ditermo recibiendo energía mecánica y el segundo el rendimiento del motor térmico productor de trabajo. Por lo tanto la eficiencia de un sistema frigorífico tritermo esta representado por la relación siguiente:

COPSFT 



COP M F COP M T 

si las dos máquinas acopladas se consideran perfectas (ideales): 

COPSFT , iseal



COP MF , idealCOP MT , ideal

en temperaturas termodinámicas: 

COPSFT , ideal 

T  E  T C   T  E 



T G  T C  T G

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN A EYECCIÓN  Sistema de refrigeración a eyección de vapor

Principio de funcionamiento. En la parte superior puede verse una sección del compresor de inyección de vapor, llamado también eyector. Por la tobera 2 entra el vapor de impulsión y se expande.  Debido a la inyección a alta velocidad, se produce una aspiración qu e se engendra en el evaporador la baja presión necesaria para aspirar el vapor. El calor necesario para la vaporización se toma del agua, la cual se pulveriza con el objeto de obtener una superficie de evaporación lo mayor posible. El agua fría así obtenida, después de ser  utilizada para su fin, es devuelta al evaporador con unos grados más de temperatura. El agua aspirada por el inyector es sustituida por el condensado del condensador, a través de la válvula de regulación VR o por agua fresca.  La mezcla de vapor generada en la tobera mezcladora 4, fluye a gran velocidad por el difusor 5 y transforma su energía cinética en presión. Para lograr una condensación por medio de agua fría, el incremento de presión debe ser 

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN A EYECTO-COMPRESIÓN Introducción Un sistema de refrigeración por eyecto-compresión combina un ciclo de compresión de vapor y un eyector de vapor. El ciclo por eyecto-compresión se puede considerar  como un ciclo por compresión de vapor que emplea para su operación un eyector en lugar de un compresor convencional. El refrigerante es succionado y comprimido a  presión de saturación en el eyector a partir del empleo de un fluido motor. El fluido motor deberá ser un fluido del mayor peso molecular posible, pero en la mayoría de las instalaciones convencionales por cuestiones prácticas se emplea el mismo fluido como refrigerante y motor. Como se puede ver en la figura un refrigerador basado en el principio de eyectocompresión está constituida básicamente por dos circuitos térmicos, uno llamado circuito motor ó caliente y otro llamado circuito frío. El circuito caliente tiene como  función producir el vapor del fluido de trabajo en el generador de vapor mediante el suministro de una cantidad de calor QGE para después pasarlo al eyector.

  r   o    d   a   r   e   n   e    G

QG

  r   o    t   c   e   y    E

  r   o    d   a   r   o   p   a   v    E

QE

bomba Circuito frío Circuito caliente

Condensador QC

Válvula de expansión

 Diagrama esquemático de un refrigerador por eyecto-compresión de vapor.

El eyector está constituido por dos toberas una dentro de la otra las cuales tienen una sección convergente, cuello, y una sección divergente. En la sección convergente, el vapor del circuito caliente disminuye su presión y aumenta su velocidad alcanzando un nivel supersónico. Posteriormente en la sección divergente, se produce la expansión del fluido, provocando la succión del fluido frío proveniente del evaporador. El fluido caliente se comprime junto con el fluido frío a través de ondas de choque y salen del eyector. El fluido así formado pasa hacia el condensador donde se licua mediante la extracción de una cantidad de calor QCO, para separarse después en dos líneas, una que va hacia el generador de vapor y la otra que va hacia el evaporador, donde se vaporiza mediante la absorción de una cantidad de calor QEV y pasa hacia el eyector dando inicio nuevamente al ciclo.

Fluido ( PG ) caliente ( PE )

Fluido frío

PC Zona de mezclado y de generación de ondas de choque

Eficiencia del ciclo por eyecto-compresión. La eficiencia termodinámica para este ciclo está dado por la ecuación, donde τ representa la relación de flujos = masa que circula por el circuito caliente ó motor /  masa que circula por el circuito frío:

COPENF  

QEV  QGE 

1   H EV  

      H    GE  

El flujo que circula por el condensador es la suma del flujo del generador de vapor y el evaporador; esto es que el flujo que sale del condensador se divide entre los dos circuitos del sistema. Así es que un parámetro importante tanto de diseño como de operación de los sistemas de eyección de vapor es la relación de flujo entre el condensador y el evaporador.

CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR SORCIÓN

Los ciclos de refrigeración por sorción presentan grandes semejanzas con el ciclo de compresión de vapor, ya que ambos ciclos presentan operaciones análogas de condensación, expansión y evaporación de un componente puro conocido como fluido de trabajo. La principal diferencia entre los ciclos consiste en el proceso de compresión del vapor saturado a condiciones de sobrecalentamiento; el ciclo de compresión mecánica emplea un compresor en tanto que los ciclos por sorción aprovechan ciertos fenómenos fisicoquímicos propios de la interacción de dos fases. Dichos fenómenos incluyen los fenómenos de superficie entre las fases, la difusión y transferencia de masa de una fase en otra y las posibles reacciones químicas entre los compuestos que forman las fases.

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR SORCIÓN Un ciclo por sorción consta de los tres procesos comunes al fluido de trabajo, esto es la condensación (condensador), la expansión (válvula de expansión) y la evaporación (evaporador). Pero, el ciclo por sorción substituye al compresor por dos procesos propios de los fenómenos de sorción; un equipo de sorción y un equipo de desorción. El equipo de sorción recibe el fluido de trabajo como vapor saturado a baja presión y lo pone en contacto con otra fase ó compuesto (un líquido ó un sólido); el fluido de trabajo, al entrar en contacto con este líquido ó sólido experimenta un fenómeno de sorción (absorción, adsorción ó quimiosorción) y se une al sólido ó líquido en cuestión, liberando una cantidad dada de calor Qso de sorción a condiciones TSO y PSO en el proceso. El equipo de desorción libera (como vapor sobrecalentado) el fluido de trabajo sorbido en el sólido ó líquido al adicionar una cantidad de calor Q DS de desorción a condiciones de TDS y PDS. Si PSO es el nivel de baja presión de la bomba de calor y PDS es el nivel de alta presión (donde por supuesto PDS >PSO) se tiene un sistema sencillo de bomba de calor por sorción.

Fluido de trabajo, GAS Vapor de alta presión

Desorción del gas de la fase sól. ó Equipo de líq. desorción QDS TDS, PDS

QCO

condensador

Gas absorbido en la fase sólida o líquida

PDS = PCO = PH PSO = PEV = PL TDS > TSO > TCO Válvula de expansión

QSO TSO, PSO

Contacto entre el gas y la fase sólida ó líquida

Sorción del gas en la fase sól. ó líq.

Equipo de sorción

evaporador

Fluido de trabajo (gas) vapor de baja presión

QEV

CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS SISTEMAS A SORCIÓN

C A R fenómenos de sorción así como las condiciones de presión, temperatura y concentración ó Los A saturación a las cuales se llevan a cabo, se encuentran regidos por el equilibrio termodinámico

existente entre las fases. En su arreglo más sencillo, los refrigeradores por sorción operan de forma intermitente para sistemas sólido-gas; esto es debido a la dificultad mecánica asociada al transporte del sólido de un equipo a otro. En ciclos intermitentes el equipo de sorción y el equipo de desorción son el mismo, e intercambian sus funciones de forma periódica (por ejemplo, un recipiente opera como desorbedor, liberando el fluido de trabajo de una cama fija de sólido. Una vez que todo el fluido de trabajo ha sido desorbido y ha circulado por el condensador, válvula y evaporador regresa al mismo recipiente; sólo que en este caso opera como equipo de sorción y el fluido de trabajo, a partir de un fenómeno de sorción, se une al sólido presente en la cama del recipiente). Para sistemas líquido-gas, el ciclo puede operar de forma continua al integrarse una bomba y una válvula adicionales que conformaran el circuito secundario de solución entre absorbedor y generador de vapor. Los sistemas por sorción operan térmicamente. Esto es que el trabajo requerido por el ciclo para operar es de tipo calorífico. La bomba no consume trabajo mecánico y el gasto de potencia eléctrica se encuentra restringida a los equipos de medición, control y bombeo. Los sistemas de por sorción requieren de un consumo de energía calorífica de alto potencial en el desorbedor. En el desorbedor, para poder liberar el fluido de trabajo de la fase a la cual se encuentra unido, se requiere del suministro de calor a un mayor nivel de temperatura que el que se disipa en el condensador. Es por ello que los sistemas por sorción operan a dos niveles de presión y tres de temperatura. Los sistemas por sorción son: la absorción líquido-gas (ó absorción), la absorción sólido-gas (ó termoquímica) y la adsorción sólido-gas (ó adsorción).

CLASIFICACIÓN DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR SORCIÓN C L A -

ABSORCIÓN (LÍQUIDO-GAS)

-

ABSORCIÓN

REFRIGERACIÓN POR SORCIÓN

REFRIGERACIÓN POR COMBINACIÓN DE CICLOS

-

TERMOQUÍMICOS (SÓLIDO-GAS)

-

ADSORCIÓN (SÓLIDO-GAS)

-

ADSORCIÓN -

-

HIDRUROS METÁLICOS (METAL-HIDRÓGENO)

COMPRESIÓN-ABSORCIÓN

REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN.

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 liquido y un vapor o entre un sólido y un vapor. De todos los ciclos termodinámicos disponibles para la producción de frío los sistemas tritermos a sorción 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.

REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN: ANTECEDENTES

ENFRIADOR DE AGUA DE EDMOND CARRÉ

El sistema consistía de una bomba manual, movida por la palanca B, comunicada por el tubo C con una garrafa, que contiene tres cuartas partes de agua, para que en ella se pueda hacer vacío. Cuando el pistón ha funcionado un cierto número de veces, se alcanza un vacío suficiente para que la evaporación del agua en la garrafa inicie; el enfriamiento se desarrolla tan rápidamente, que la garrafa se cubre de rocío. El vapor de agua producido por la evaporación es absorbido por el ácido sulfúrico concentrado, que está contenido en el recipiente D. En pocos minutos (10 minutos aprox.), se observa la congelación del agua, primero formando largas agujas en su superficie, y después se congela toda la masa de agua.

REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN: ANTECEDENTES

 Refrigerador por absorción amoniaco-agua de Ferdinand Carré  En este sistema se tiene un generador B que contiene una solución amoniacal concentrada. Al calentarse, los vapores de amoniaco que se desprenden provocan el levantamiento de la válvula C, atraviesan una columna de  rectificación R, para separar los vapores del agua de los del amoniaco y por un tubo T van a un intercambiador de  calor, EV que se enfría por medio de una corriente de agua, actuando como un condensador. El generador B se enfría, por de la circulación de agua o se sumerge en un deposito con agua estática y el amoniaco líquido, que estaba contenido en el intercambiador de calor, se evapora con la consecuente producción de frío. Los vapores  formados vuelven a la columna R por medio del tubo T. La presión ejercida por los vapores permite mantener  cerrada la válvula C y pasan a través del tubo Ta y burbujean en la solución diluida, absorbiéndose y formando de  nuevo la solución concentrada inicial.

REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN: ANTECEDENTES

REFRIGERADOR DOMÉSTICO POR ABSORCIÓN AMONIACO-AGUA DE FERDINAND CARRÉ  En esta máquina el enfriamiento se produce por medio de la vaporización instantánea del amoniaco líquido. El cilindro metálico A  de paredes resistentes contiene una solución amoniacal concentrada comunica por un tubo estrecho con otro depósito cilíndrico cónico condensador B, igualmente resistente y doble pared. En su cavidad está colocado el recipiente C que contiene el agua que se quiere congelar. El aparato funciona en un ciclo cerrado sin fugas, lo que origina que siempre se comprime y se dilata. Este aparato  de uso doméstico, representado en la figura 5.4, funciona por medio de calentamiento en el depósito A hasta que el termómetro que  contiene alcance un valor cerca de los 120 °C. A ésta temperatura, la mayoría del gas amoniaco se desprende de la solución y se  condensa en B, sumergido en un cubo de agua fría, para sustraer el calor suministrado al vapor. En este momento se retira del   fuego el cilindro A y se le sumerge en un cubo de agua fría El enfriamiento permite al agua contenida en A disolver el amoniaco, de  tal modo que se produce un vacío y el gas amoniaco, licuado en B, se vaporiza rápidamente para volverse a disolver en A. El  enfriamiento producido por esta evaporación, es capaz de congelar el agua en pocos minutos. Una vez terminada la operación, el 

Dirección de flujo

TA < TB Agua Ácido Sulfúrico A

Mezcla

B

REFRIGERADOR INTERMINTENTE POR ABSORCIÓN DESARROLLADO POR SIR. JOHN LESLIE

CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN LÍQUIDO-GAS  Los ciclos de refrigeración por absorción tienen dos características principales : 1. Utilizan un par de sustancias afines químicamente, llamadas fluido de trabajo y absorbente. 2. La energía principal suministrada al sistema es calorífica.  Los elementos principales de un ciclo de refrigeración por absorción a una etapa son: un generador de vapor, un condensador, un evaporador, un absorbedor, dos válvulas de expansión y una bomba. En la figura se muestra esquemáticamente un ciclo de este tipo con sus elementos básicos. Todos los sistemas simples de refrigeración por sorción operan a tres niveles diferentes de temperatura y dos de presión como mínimo. El funcionamiento de este tipo de ciclos es similar al de un ciclo de refrigeración por  compresión, en lo referente a los procesos de condensación, expansión, y evaporación; sin embargo en el ciclo de absorción substituye al compresor en su función de recibir vapor  saturado de baja presión y entregarlo como vapor sobrecalentado de alta presión por medio de un circuito secundario en el cual el líquido absorbente se recircula a través de una bomba. La energía mecánica requerida para bombear los líquidos dentro de este tipo de refrigerador es generalmente pequeña en comparación con la cantidad de energía térmica suministrada para su operación (QGE y QEV).

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN EN FUNCIONAMIENTO CONTÍNUO Absorbedor

QA

Generador

Bomba

QG

QC

QE Válvula

Evaporador

Condensador

Válvula

1

Rectificador

QR

QC

Condensador

TR

2 15

14 QSC

QG

Subenfriador

Generador TG

3 5

10

11 QI

Evaporador TE

Intercambiador de calor 5’

12

QA

4

6

9

8

13

7

TA

Absorbedor

REFRIGERADOR CONTINUO POR ABSORCIÓN CON RECTIFICACIÓN DE VAPORES

QE

EFICIENCIA DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN. La eficiencia de operación del sistema de refrigeración es medida por el  coeficiente de operación conocido como COP [1] : 

COP 

calorabsor bidoporelr efrigerant ealevaporarse calorsumin stradoalre frigerante  trabajodelbomba



Q E  QG  W  B

(5.1)

con Q E  y Q G  los calores de evaporación y de generación del refrigerante y W b  el  trabajo suministrado por la bomba.

 [1]  COP = Coefficient Overall of Performance.

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN EN FUNCIONAMIENTO INTERMITENTE

R C RC

G/ A

E

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL CICLO INTERMITENTE

4 Tempe ratura 3

P = CTE.

5 1 2

Concentración

4   a   í   p   l   a   t   n   e

3

P = CTE.

5 1 2

Concentración

REPRESENTACIÓN DE UN CICLO INTERMITENTE DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN EN UN DIAGRAMA ENTALPIA - CONCENTRACIÓN

COEFICIENTE DE OPERACIÓN

COP 

 M 4 Lm



 M 3h3  M 1h1  hV dM 

 h4  h3    exp  M 3    Lm  

 M 4

  1   X  R    dM      x R   X  R  

REPRESENTACIÓN DE LOS CICLOS BÁSICOS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN EN DIFERENTES PLANOS TERMODINÁMICOS. OLDHAM

PC

L O G

X=1

X1

X2

X=0

P

PE

1/TE 7

1/TC

1/TA

1/TG

MERKEL - BOSNJAKOVIK

REGLA DE LOS MOMENTOS APLICADAS A LAS MEZCLAS  MA ± MB = MC   MA XA ± MB XB = MCXC

y

 MA hA ± MB hB = MC hC 

B

E n t a l p i a

C

A+B=C

A

A –  B = C C

A

Concentración

B

CASOS PARTICULARES DE CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN CICLO DE REFRIGERACIÓN A CIRCUITO ABIERTO . El aire caliente entra en (1) y se mezcla con el aire reciclado tomado en (5) del espacio a climatizar (E), a través del circuito (a). En (2), las dos corrientes de aire se mezclan provenientes de (1) y (5). El aire mezclado se introduce en el absorbedor (A), en donde circula a través de un rociador de una solución absorbente concentrada. Este absorbente  puede ser una solución acuosa de cloruro de litio (LiCl) o de calcio (CaCl2). En (3) el aire se dehumidifica debido a que la solución a extraído una parte de su contenido de humedad y debido a este sufre un aumento de su temperatura,  ya que en la mayoría de los procesos de absorción, estos están acompañados de una disipación de calor (calor de disolución). El aire húmedo y caliente se introduce en un lavador de aire o humidificador (H), en donde una lluvia de agua humidifica el aire y lo enfría, a causa de la vaporización de una parte de esta agua. En el punto (4), el aire frío y húmedo se introduce en el espacio a enfriar a través de un ventilador. Este aire se calienta desde las condiciones en (4) hasta las condiciones en (5) en el interior del espacio por climatizar, debido a la absorción de calor. En el absorbedor la solución diluida (rica en contenido de agua), es enviada a un intercambiador de calor (IC), en donde se calienta para después entrar en un hervidor (HE), en donde por calentamiento, se vaporiza el agua en el aire atmosférico, lo que permite que la solución se concentre (pobre en contenido de humedad). Este hervidor se conoce también como concentrador o regenerador. La solución concentrada una vez formada es succionada por la bomba (P2)  y enviada hacia el intercambiador (IC), en donde se enfría al calentar simultáneamente la solución diluida y  posteriormente pasa a un enfriador (E) en donde completa su enfriamiento por medio de un circuito de intercambio térmico con agua. De esta forma la solución concentrada y fría regresa al absorbedor para iniciar un nuevo ciclo de enfriamiento.

(a)

Aire 1 caliente

2

Aire reciclado

3

4

Espacio a refrigerar

Absorbedor H Hervidor Agua

Calentamiento

Bomba 1

IC Enfriador

Bomba 2

CICLO DE REFRIGERACIÓN CONTINUO A ABSORCIÓN EN UN SISTEMA ABIERTO

1   d   a   d   e   m   u   H

2 4 5

3

Temperatura

REPRESENTACIÓN EN UN DIAGRAMA PSICROMÉTRICO DE UN CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN EN UN SISTEMA ABIERTO

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DIFUSIÓN Ciclo a absorción con auto circulación o columna de burbujas . GENERADOR DE BURBUJAS

CONDENSADOR

ABSORBEDOR

QC

EVAPORADOR

Q

Q

A

E

Q G

 En estos sistemas el fluido de trabajo circula de manera natural por medio del efecto de termosifón, conocido con el   nombre de bomba de burbujas. Usando agua como refrigerante la presión diferencial entre el condensador y el   absorbedor es muy baja y se puede mantener usando el principio de la cabeza hidrostática. La solución del   absorbedor puede circular al generador por una bomba de burbujas.

Condensador

Solución concentrada Solución diluida

Rectificador

Amoníaco líquido Amoníaco gas b’

Absorbedor

Evaporador

a Generador

SD

IC ICS

b SC

SC

Solución concentrada Solución diluida Mezcla gaseosa pobre en hidrógeno Mezcla gaseosa rica en hidrógeno

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DIFUSIÓN

Condensador

ET 

4 Agua enf.

R

Alta presión

3

C1 Generador

VA

EX

Evaporador

IC Agua enf.

2 Baja presión

1

5 (SD) Bomba 2

Agua enf.

Absorbedor

Bomba 1

(SC)

Bomba 3

CICLO CONTINUO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN (BROMURO DE LITIO AGUA)

CICLO CONTINUO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

Sistema bromuro de litio-agua

 El agua, es transportada por la bomba (B1) y e irriga la superficie externa del evaporador, en cuyo interior circula el agua a enfriar, proveniente de la instalación de climatización. El vapor formado es absorbido por la solución que irriga el intercambiador para enfriamiento (1) del absorbedor (intercambiador a agua). Esta solución se desplaza por medio de la bomba (B2). La solución  concentrada en agua se transporta por medio de la bomba (B3), de la zona de baja presión hacia la  zona de alta presión, atraviesa, pasando por el intercambiador de calor (IC) en donde se calienta  antes de introducirse en el generador. Debido al calentamiento en el intercambiador de calor(3), el  vapor de agua se desprende y se va a condensar sobre el intercambiador de calor (4) del   condensador, enfriado por el agua. El agua líquida formada regresa por el circuito (C1) y el   dispositivo de expansión (EX) hacia el evaporador.  La solución concentrada (SC), regresa hacia la zona de baja presión, enfriándose en el  intercambiador IC. Alimentándose así para el sistema en el punto 5, a través de la bomba (B2) con una solución de concentración intermedia entre la solución diluida y la solución concentrada.  El regulador (R), que regula por medio de un elemento térmico (ET), la temperatura del agua enfriada, controlada por medio de una válvula automática VA, el flujo del fluido de calentamiento  calentador y también el flujo de las soluciones por medio de una válvula de tres vías V3V.

6 Válvula XD

IC 1

7 XC

Agua Absorbedor

Generador

5 XC

8 XD

Bomba 1 IC 2

2 X’C

Fluido a enfriar

Calentamiento

4

Válvula

X’D

Agua

Desorbedor

Resorbedor

3 Baja presión

X’D

Bomba 2

X’C

1

Alta presión

Ciclo continuo de refrigeración a resorción

CICLO DE ABSORCIÓN POR RESORCIÓN.

En este modo de funcionamiento se encuentra el conjunto constituido por: el absorbedor (A), un intercambiador de calor (IC) y un generador (G), el cual se utiliza para poder desplazar el vapor del refrigerante, de la zona de baja presión (BP) a la de alta presión (AP). En este sistema el evaporador  se reemplaza por un desorbedor o desgasificador (D) , En donde la solución concentrada refrigerante se diluye al pasar bajo la baja presión , de concentración X´r correspondiendo a las condiciones del punto 2, a la concentración X´p correspondiendo al punto (3). La temperatura de esta solución permanece baja debido a la salida del vapor de amoniaco, el cual es aspirado por el absorbedor (A), es aquí en donde se produce el efecto refrigerante del sistema. En el punto (3), la solución es aspirada por la bomba (B2) , atravesando el intercambiador de calor  (IC2) , en donde se calienta parcialmente hasta 4¨, bajo la concentración constante X´p. Esta solución completa su calentamiento en el resorbedor (R) en donde absorbe el vapor de amoniaco proveniente del generador. La concentración de la solución pasa de X´p a X´r (transformación de 4 a1). El enfriador de agua colocado al interior del resorbedor absorbe el calor disipado durante la absorción. Se observa que el resorbedor juega el papel de condensador en el sistema convencional de absorción.  La solución así concentrada se introduce otra vez al desgasificador, atravesando el intercambiador  (IC2), donde se enfría y la válvula de regulación (VR) en donde se expande.

X’D

X’C

Refrigerante 100%

2

1

4

7

3

5

6

8

PA

PB

log P XD

XC

Absorbente 100%

T D

T A=T R

T G

T 

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR SORCIÓN

Baja presión

Válvula IC BP Agua

1

Absorbedor BP

a XCBP

Presión intermedia

Absorción a baja presión d

XDBP

Absorción a presión alta

XDAP Agua

Absorbedor AP

Generador BP

2

d’

Válvula IC AP

b XCBP

b’

XCAP Generador AP

a’

c

XCAP

XDBP

Bomba 1

Alta presión

c’

Bomba 2

XDAP

L Calentamient o

6 Evaporador 5 Líquido a enfriar

4

Calent. Condensador

3

Agua

CICLO CONTINUO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN A DOS ETAPAS

XCAP

XDAP

b’

Refrigerante 100%

a’

c’

d’

b

log P a XCBP

PA

PI

c

d

PB

XDBP Absorbente 100%

T E

T A=T C

T 

T G

REPRESENTACIÓN DE UN CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ASORCIÓN A DOS ETAPAS EN UN DIAGRAMA PRESIÓN-TEMPERATURA.CONCENTRACIÓN

CICLOS A MÚLTIPLE EFECTO QH

Generador I

condensador

IC II Generador II IC I

QI

absorbedor

evaporador

QL

Ciclo de absorción a doble efecto (bromuro de litio-agua). El calor eliminado en el condensador se suministra al   generador II. Este ciclo opera a 3 niveles de presión. Ciclo a doble efecto operando con el sistema Bromuro de litio –  Agua. El calor liberado debido a la condensación del  vapor de amoniaco se usa como calor suministrado en el generador II. Si se usa el sistema Amoniaco-Agua, se  puede generar una alta presión en el generador del primer efecto. Se han analizado ciclos a tres y cuatro efectos Sin embargo, una mejoría en el COP, no está directamente ligada al incremento del número de efectos. Se observa que, que cuando el número de efectos se incrementa, el COP de cada efecto no será más alto que para el sistema a

rectificador

QI

condensador

Generador I

IC I

QL

evaporador

Absorbedor I

Generador II

Calor de Absorción

QI

QH

IC II

Absorbedor II

 Representación gráfica de un ciclo de absorción a doble efecto operando a dos niveles de presión. El calor de absorción del absorbedor II se suministra al generador II para el proceso de separación del refrigerante

 La figura representa un ciclo de refrigeración por absorción a doble efecto usando el sistema amoniaco-agua, en  donde este sistema se puede considerar como una combinación de dos ciclos separados de un solo efecto. El  evaporador y los condensadores de ambos ciclos, están integrados juntos como una sola unidad. De esta  manera, hay sólo dos niveles de presión en el sistema y la presión máxima puede limitarse a una presión con un  nivel aceptable. Sólo El calor suministrado al generador II es por medio de fuentes externas. Como el agua es un  absorbente, no hay riesgo de cristalización en el absorbedor. Desde ahora, el absorbedor II puede operar a alta

QH 1a. etapa generador

IC I 2da. etapa generador

QI condensador

IC II 3ra. etapa generador

IC III

QI

absorbedor

evaporador

QL

 Representación de un ciclo de absorción a tres efectos operando con cuatro niveles de presión.  El calor de condensación de la etapa de más alta presión se usa para la separación del   refrigerante en la etapa de más baja presión.

CICLO DE ABSORCIÓN CON GAX. generador CICLO DE ABSORCIÓN CON GAX. condensador

QI

rectificador

fluido secundario QH

Pre-enfriador de condensado

QL

evaporador

QL

absorbedor

El término GAX se refiere a la inserción de un intercambiador de calor (X), entre el generador (G) y el absorbedor  (A) y en algunas ocasiones se llama DAHX, el cual representa un intercambiador de calor (X), entre un desorbedor  (D) y un absorbedor (A). Se puede alcanzar una alta eficiencia con un sistema a un solo efecto. De acuerdo al sistema de absorción a doble efecto en flujo paralelo, mencionado anteriormente, el sistema consiste de dos ciclos a un solo efecto, trabajando en forme paralela. El Concepto de GAX, se usa para simplificar el ciclo de absorción

generador

QG

condensador

QC

evaporador

QE

IC

Absorbedor recuperador De calor

bomba

QA

absorbedor

. Ciclo de refrigeración por absorción con absorbedor recuperador de calor que

usa el calor de absorción para precalentar la corriente del absorbedor al   generador.

CICLO A MEDIO EFECTO

QI

condensador

Generador II

QH

IC

QI

absorbedor II

Generador I

IC

QI QL

evaporador

absorbedor I

Ciclo de absorción de medio efecto. Este ciclo es una combinación de dos ciclos a un solo efecto, pero operando a diferentes niveles de presión.

CICLO DUAL

Generador

Condensador NH3-H20

Condensador

Generador LiBr H20  – 

IC

Absorbedor

IC

Evaporador

Absorbedor

Evaporador

 Este concepto es similar al sistema doble efecto en paralelo. Sin embargo, este sistema consiste de  dos ciclos completamente separados, usando diferentes clases de fluidos de trabajo. En la figura se  representa un ciclo, el cual consiste de dos ciclos de un solo efecto usando amoniaco-agua y  bromuro de litio-agua. El sistema de amoniaco es operado con calor proveniente de una fuente externa. El calor rechazado de su absorbedor y condensador se usa para operar el sistema de  bromuro de litio. El sistema bromuro de litio, disipa el calor a través del absorbedor y condensador  de manera habitual. El efecto de enfriamiento se obtiene de ambos evaporadores.

CICLO DE ABSORCIÓN SÓLIDO-GAS . El ciclo de refrigeración por absorción sólido-gas, también conocido como refrigeración termoquímica, es un sistema basado en reacciones heterogéneas sólido - gas, en dónde el efecto térmico se debe a la H R  ó entalpía de reacción de una ó más reacciones químicas entre un sólido y un gas. La unidad básica del  proceso consiste en un reactor en el cual se lleva a cabo la reacción sólido - gas, conectado a un  condensador y un evaporador. Este ciclo de refrigeración es similar al de absorción líquido-gas, en el sentido  de que en el reactor existe una relación de equilibrio de fases que gobierna los fenómenos de la cinética de  reacción, transferencia de calor, presión y temperatura de operación. La diferencia fundamental entre estos  dos ciclos, consiste en la naturaleza física de la absorción; ya que en este caso la absorción se realiza entre  un sólido y un gas. Esta diferencia se puede apreciar al observar el comportamiento de las isotermas de  equilibrio, en el caso de la absorción líquido-gas, la relación entre presión de vapor y la concentración es una  función constante, lo que significa que es posible obtener cualquier concentración, sin embargo, en el caso  de la isoterma de la absorción sólido-gas, se tiene una función discontinua, en donde la presión permanece  constante cuando hay un cambio en la concentración, es decir, que en este caso, se tienen compuestos de  composición definida. No existiendo compuestos de composición intermedia. El reactor substituye al compresor para un ciclo de compresión mecánica de vapor y al absorbedor y  generador para un ciclo por absorción; el resto del ciclo es común tanto para las bombas de calor mecánicas  como para los sistemas de absorción y termoquímicos. El proceso en general consiste en un reactor en el  cual se lleva a cabo una reacción entre una sal y el gas; este gas es el fluido de trabajo del ciclo. El calor  removido ó aplicado en el reactor es calor de reacción ( H R  ). Las reacciones que se llevan a cabo son del  siguiente tipo:  S   G  S '    H R donde:  H R   

S G S’ 

= Cambio de entalpía de la reacción ó calor de reacción. = Coeficiente de transformación estequiométrico. = Sal. = Gas (fluido de trabajo). = Compuesto formado por la reacción entre la sal y el gas.

QH

Generador I

IC

Generador II IC

Eyector QI

absorbedor

evaporador

QL

Ciclo modificado a doble efecto de un ciclo eyector-absorción en donde no se incluye un condensador.

este sistema emplea dos etapas de generación similar a lo que se utiliza en un sistema a doble efecto. Sin embargo, en  contraste con un sistema convencional a absorción a doble efecto, el vapor del refrigerante de baja presión del   generador del segundo efecto se usa como fluido motor por el eyector y trae consigo vapor del refrigerante del  evaporador. El vapor a la salida del eyector es descargado al absorbedor, provocando un aumento en la presión a un  nivel más alto que en el evaporador. Por consiguiente, la concentración de la solución dentro del absorbedor se puede  conservar de la cristalización cuando el sistema requiera operar con bajas temperaturas en el evaporador o con altas

QH

condensador

Generador

QI

IC eyector Bomba

QI

absorbedor

evaporador

QL

Un sistema combinado eyector-absorción. La solución concentrada de retorno del generador sirve  como fluido primario y el vapor del refrigerante proveniente del evaporador, como fluido secundario.  La figura presenta una configuración diferente, en este caso, el eyector se usa para mantener el absorbedor a una presión más alta que en el evaporador. A diferencia del caso anterior, el fluido motor del eyector es la  solución líquida a alta presión proveniente del generador. Por consiguiente, sólo un refrigerante de alta presión y  alta densidad se puede usar. Esto es debido a que un eyector operado con un líquido no es conveniente que opere  con vapor de baja densidad como el agua, como es el caso de los sistemas que utilizan bromuro de litio-agua.

eyector QH

Generador

condensador

QI

evaporador

QL

IC bomba

QI

absorbedor

Ciclo combinado de eyector-absorción. El vapor de alta presión del refrigerante proveniente del generador entra al eyector como fluido motor arrastrando el vapor del refrigerante del evaporador.

 En la figura se presenta un ciclo combinado entre una bomba de calor de inyección de vapor y un ciclo a un solo efecto. En este sistema, el sistema de inyección de vapor se usa como una bomba de calor interna, la cual se usa  para recuperar el calor de desecho durante la condensación del vapor del refrigerante del ciclo a un solo efecto. La  bomba de calor suministra calor sl generador de un sistema de absorción. El vapor del refrigerante generado del   generador es llevado por el eyector de vapor y es licuado junto con el vapor motor del eyector por disipación de  calor a la solución en el generador. En este sistema el problema de la corrosión se elimina si la temperatura máxima  de la solución se mantiene a 80 °C.

Eyector

Generador de Vapor

Condensador Generador

IC

Absorbedor

Evaporador

Ciclo combinado entre una bomba de calor de inyección de vapor y un ciclo a un solo efecto.  En la figura se presenta un ciclo combinado entre una bomba de calor de inyección de vapor y un ciclo a un solo efecto. En este sistema, el sistema de inyección de vapor se usa como una bomba de calor interna, la cual se usa  para recuperar el calor de desecho durante la condensación del vapor del refrigerante del ciclo a un solo efecto. La  bomba de calor suministra calor sl generador de un sistema de absorción. El vapor del refrigerante generado del   generador es llevado por el eyector de vapor y es licuado junto con el vapor motor del eyector por disipación de  calor a la solución en el generador

CICLO DE ABSORCIÓN CON MEMBRANA OSMÓTICA.

QI

condensador

QH

membrana

generador absorbedor QI QL

evaporador

Ciclo de absorción con membrana osmótica, el cual emplea calor para la separación del refrigerante y produce una diferencia de  presión dentro del sistema.

la figura 5.31, consiste como siempre de un condensador y un evaporador. La solución concentrada en el   absorbedor y la solución diluida en el generador se separan una de la otra, por medio de una membrana osmótica.  Esta membrana permite que sólo el refrigerante pase. Por lo tanto el refrigerante del absorbedor se puede  transferir al generador por un efecto de difusión osmótica a través de la membrana sin utilizar una bomba  mecánica. La diferencia en presión dentro del generador y del absorbedor es dependiente del tipo de membrana utilizada. Normalmente la membrana no es perfecta, y el absorbente del absorbedor se puede difundir junto con el   refrigerante al generador. De esta forma se requiere una válvula de purga para restrengthen la solución en el 

CICLO CONTINUO A DOS ETAPAS Alta presión Baja presión

XDBP

IC BP

Válvula Agua Absorbedor

1

Bomba 1

Absorbedor

AP a’

XCAP

Calentamiento

6 Evaporador

b’

XCAP

Generador AP c’

Bomba 2

XDAP

L Calent.

Condensador 5

Líquido a enfriar

IC AP

Agua

c XDBP

2

d’

Válvula

b XCBP BP

a

Absorción a presión alta

XDAP

Generador

BP

XCBP

Presión intermedia

Absorción a baja presión d

4

3 Agua

 La figura representa esquemáticamente ésta configuración. Se tiene un conjunto formado por un absorbedor (A)  y un generador (G), el cual opera a baja presión y transfiere el vapor del refrigerante tomado en el punto (1) del  evaporador (E), de la presión baja (PB) a una presión intermedia (PI). Este vapor es enseguida transferido de la  presión PI a la alta presión (PA), gracias a un segundo conjunto formado por un absorbedor (B) y un generador (G), que operan a alta presión (PA). Este vapor es enviado en (2) en el condensador.

XCAP

XDAP

b’

Refrigerante 100%

a’

d’

PI

b

log P

a XCBP

PA

c’

c

d

PB

XDBP Absorbente 100%

T E

T A=T C

T G

T 

 Representación de un ciclo de refrigeración por absorción a dos etapas en un diagrama  presión – temperatura –  concentración.

Absorbedor

QAB

Circuito del fluido de trabajo

W Válvula de expansion

Compresor

Circuito de la solución

Bomba

Generador

QGE

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN REFRIGERADOR HÍBRIDO POR COMPRESIÓN-ABSORCIÓN

 En la figura se muestra esquemáticamente la versión más simple de un refrigerador por compresión-absorción, la cuál está formada por un generador, un absorbedor, un compresor, una bomba y una válvula de expansión.  En el generador, se suministra una cantidad de calor QGE, para separar el vapor del fluido de trabajo del   absorbente. El vapor obtenido es comprimido para dejarlo a una mayor presión a la entrada del absorbedor. La  solución diluida (baja concentración del componente más volátil) es bombeada del generador al absorbedor  para absorber el vapor proveniente del compresor, disipando una cantidad de calor QAB hacia el exterior a una temperatura mayor que a la que se suministró calor al generador. Por último, la solución concentrada (alta concentración del componente más volátil) pasa a través de la válvula de expansión hacia el generador  dando inicio una vez más al ciclo].

REFRIGERACIÓN TERMOQUÍMICA Este sistema opera bajo el principio de que la reacción renversible entre el sólido y el gas se encuentra sujeta a los principios del equilibrio existente entre ambas fases; esto es que la renversibilidad de la reacción depende de la temperatura de la sal y la presión de vapor del gas presente. Así, los niveles de temperatura de QRE y QGE son diferentes. Después de  finalizada la reacción y extraído todo el calor útil QRE ( HR) a condiciones TRE y PRE, al igual que en las máquinas por calor por absorción líquido  –  gas y debido a la renversibilidad  de las reacciones, se suministra una cantidad de calor QGE al reactor a condiciones TGE y PGE para separar el fluido de trabajo requerido. Obviamente, en su modo más simple de operación, este es un sistema que opera de forma intermitente dado que el reactor opera a niveles de presión y temperatura diferentes para la fase de reacción y regeneración. Uno de los pares de sustancias que se utilizan en este tipo de sistemas es el cloruro de manganeso  –  amoniaco, (MnCl2-NH3). En este sistema, una mol de MnCl2 en estado anhidro  puede absorber seis moles de gas NH3, en reacciones sucesivas con equilibrios diferentes. La última reacción de absorción en el equilibrio del sistema anterior, es de acuerdo a la reacción siguiente, en donde la relación 6-2 representa las moles de NH3 absorbidas por la sal en cada término de la reacción en el equilibrio:

REFRIGERACIÓN TERMOQUÍMICA Gas Condensador

Zona de Desorción entre regeneración la sal y el gas

QCO

Sal + Gas

QGE TGE, PGE Válvula de expansión

Sal,gas

QRE TRE, PRE

(absorbido) Absorción entre la Sal y el Gas

Evaporador Zona de reacción

Gas

QEV

REFRIGERACIÓN TERMOQUÍMICA

Este sistema opera bajo el principio de que la reacción renversible entre el sólido y el gas se  encuentra sujeta a los principios del equilibrio existente entre ambas fases; esto es que la  renversibilidad de la reacción depende de la temperatura de la sal y la presión de vapor del gas  presente. Así, los niveles de temperatura de Q RE  y Q GE  son diferentes. Después de finalizada la  reacción y extraído todo el calor útil Q RE  (ΔH R  ) a condiciones T RE  y P RE , al igual que en las  bombas de calor por absorción y debido a la renversibilidad de las reacciones, se suministra una  cantidad de calor Q GE  al reactor a condiciones T GE  y P GE  para separar el fluido de trabajo  requerido que dará inicio una vez más al ciclo. Obviamente, en su modo más simple de  operación, este es un sistema que opera de forma intermitente dado que el reactor opera a  niveles de presión y temperatura diferentes para la fase de reacción y regeneración. Uno de los pares de sustancias que se utilizan en este tipo de bombas de calor es el MnCl 2 -NH 3 , (6-2 NH 3  ). En este sistema, una mol de sal (MnCl 2  ) puede absorber seis moles de gas (NH 3  ) en  reacciones sucesivas a equilibrios diferentes. La última reacción de absorción en el equilibrio del  par anterior es como sigue, donde la relación 6-2 representa las moles de NH 3  absorbidas por la  sal en cada término de la reacción en el equilibrio:   Mn NH 3 2 Cl2  4 NH 3    Mn NH 3 6 Cl2  4 H  R

 NH 3

Esto quiere decir que en la última reacción en el equilibrio entre el MnCl 2 y el NH3 se absorben ó generan cuatro (6 –2=4) moles libres de NH 3.

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ADSORCIÓN 

Gas Desorción del Gas absorbido

QDE TDE, PDE

Zona de desorción

Condensador

QC

Gas adosrbido en el sólido Válvula de expansión

QAD TAD, PAD

Zona de adsorción

Evaporador

QEV

Gas + Sólido

Gas Adsorción entre El sólido y el gas

 El ciclo de refrigeración por adsorción es un sistema sólido/gas, muy semejantes en concepto a los sistemas  termoquímicos salvo por la diferencia básica de que la operación entre el sólido y el gas es una adsorción. El efecto  térmico se debe a la  H de adsorción.