SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN (SRA)
Fundamentos y Características del proceso de Absorción
El fenómeno de absorción, en el cual se fundamenta el funcionamiento de los SRA, permite la combinación de dos fluidos que se encuentran inicialmente en diferentes estados de agregación (líquido o gas) en un mismo estado final (líquido o gas) [4], como se observa en la Figura 2.1; en este proceso no se presenta modificación química de las especies involucradas.
Los sistemas de refrigeración por absorción (SRA) se establecieron como una alternativa sostenible a los problemas de elevado consumo energético presentes en los sistemas de refrigeración convencionales (por compresión) [8], contribuyendo de forma complementaria a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GHG, por sus siglas en inglés).
Fluidos de trabajo
Los sistemas de refrigeración por absorción requieren para su operación la mezcla de dos fluidos de trabajo, un refrigerante y un absorbente, esta mezcla se conoce comúnmente como par de trabajo. Cada una de estas sustancias, al igual que la mezcla, deben contar con características fisicoquímicas que favorecen el proceso de absorción [13], se pueden destacar características como:
- Ausencia de fase sólida: Se debe garantizar que bajo las condiciones de operación en las diferentes líneas del proceso no se presente formación de sólidos, reduciéndose de esta forma la probabilidad de obstrucción.
- Afinidad: Una fuerte afinidad en el par de trabajo facilita la solubilidad gracias a que los valores de coeficientes de actividad resultan ser inferiores a la unidad para el refrigerante, favoreciendo la reducción de la cantidad de absorbente que debe recircularse en el proceso. Por otra parte, una afinidad muy alta puede hacer necesario la instalación de un equipo rectificador al momento de separar el refrigerante del absorbente.
- Volatilidad: Bajo las condiciones de presión establecidas en el ciclo se debe garantizar una amplia diferencia entre las temperaturas de ebullición del absorbente y el refrigerante, siendo menores las de este último.
- Estabilidad y corrosión: La operación del ciclo hace que los fluidos sean sometidos a condiciones extremas de trabajo, la estabilidad química de la mezcla evita la formación de gases, sólidos o sustancias corrosivas y reduce el costo de fabricación al suprimirse la necesidad de utilizar materiales complejos.
- Seguridad: Una mezcla que no sea altamente tóxica ni inflamable minimiza los impactos ambientales, y asegura la salud de operadores y usuarios.
Las investigaciones enfocadas en las mezclas de trabajo son un campo relativamente nuevo, debido a la complejidad de encontrar sustancias que se ajusten a las condiciones antes citadas, sin embargo, existe una amplia gama de combinaciones refrigeranteabsorbente. Las parejas agua-amoniaco (H2O–NH3) y bromuro de litio-agua (BrLi–H2O) actualmente se consolidan como los dos pares de trabajo más conocidos y ampliamente utilizados en sistemas de refrigeración por absorción, el agua, en el primero de ellos actúa como absorbente, mientras que en el segundo cumple la labor de refrigerante [1]. El par bromuro de litio-agua (absorbente-refrigerante) se utiliza normalmente en aplicaciones de climatización de gran capacidad (>25 kW). Por otra parte, los fluidos agua-amoniaco poseen mayor versatilidad, facilitando su uso en procesos de refrigeración o climatización con diversas capacidades.
Refrigerante
El refrigerante dentro de un SRA es la sustancia encargada de absorber el calor del elemento o medio al cual se le requiere reducir la temperatura; en el ciclo, alternativamente se vaporiza (absorbe calor) y condensa (cede calor), en el evaporador y en el condensador, respectivamente. Algunas de las características con que debe contar un buen refrigerante son: alta entalpía de vaporización y calor latente, baja temperatura de congelación, estabilidad térmica y química, y bajo costo [14]. Algunos de los principales refrigerantes usados son el agua, amoniaco y disoluciones acuosas como el Alkitrate LiNO3+NaNO3+KNO3 (53:19:28) [15].
Absorbente
En los SRA se le otorga el calificativo de absorbente al medio utilizado para absorber al refrigerante; con el fin de asegurar la correcta operación dentro del ciclo es necesario que este fluido cuente con propiedades como una baja volatilidad, elevado punto de ebullición, estabilidad química, baja viscosidad y bajo punto de congelación. Dentro de los absorbentes utilizados en este tipo de sistemas se incluyen el: agua, bromuro de litio y cloruro de zinc [4].
Mezcla Amoniaco–Agua
Los SRA que emplean la pareja amoniaco-agua (refrigerante-absorbente) han sido fabricados comercialmente desde el año 1859 [16]; apoyados en su amplio desarrollo en aplicaciones de refrigeración le ha permitido convertirse en uno de los pares de trabajo más utilizados. Estos fluidos son estables en un amplio rango de presiones y temperaturas, se consideran ecológicos y de bajo costo [14].
En la Figura 2.2 se puede observar el diagrama P-h en donde se consolidan las curvas de saturación de los refrigerantes amoniaco y agua. La amplitud del domo bajo diferentes condiciones de presión nos permite conocer la cantidad de calor requerido para que el fluido cambie su estado de agregación entre gas y líquido (calor latente). Se puede notar que se requiere aproximadamente duplicar el flujo de amoniaco para lograr la misma capacidad de enfriamiento que el agua a 0 ºC, sin embargo, esta es la mínima temperatura de operación del agua; el amoniaco por su parte presenta una temperatura de congelación de -77 °C, haciendo posible su utilización en aplicaciones de bajas temperaturas como preservación de alimentos y preparaciones farmacéuticas.
Por otra parte, el principal inconveniente con la mezcla es la relativa volatilidad del agua, haciendo necesaria la instalación de un rectificador para eliminar la fracción de agua que pueda evaporarse junto con el amoniaco. En la Tabla 2.1 se muestran las principales ventajas y desventajas asociadas con el uso de la mezcla de trabajo amoniaco-agua.
Una de las diferencias más significativas de la mezcla amoniaco-agua respecto a su homóloga agua-bromuro de litio (refrigerante-absorbente) es la diferencia en las presiones de vapor. En condiciones normales (presión = 1 atmosfera y temperatura = 25 ºC) el amoniaco alcanza su punto de ebullición a una temperatura aproximada de -33,3 ºC, forzando a que la operación en el generador se realice a presiones relativamente altas. Lo anterior permite que los intercambiadores de calor sean más compactos en relación con los que operan con agua como refrigerante.
Sistema de Refrigeración por Absorción (SRA)
La principal característica de los SRA hace referencia a que la energía requerida para su operación es provista por una fuente de calor, como se mencionó anteriormente, su relevancia se ve incrementada cuando se dispone de fuentes energéticas de bajo costo como geotérmica, solar o calor residual de procesos industriales [10], [11], [12], [17]. El sistema en principio es similar al sistema de refrigeración por compresión (SRC), el refrigerante fluye por un condensador a la presión de alta del sistema donde cede calor y cambia de fase de gas a líquido. Más adelante el refrigerante se introduce a un intercambiador de calor (evaporador) a la presión de baja del sistema donde se evapora permitiendo la remoción de calor de un medio. Para elevar la presión del refrigerante en el caso de los SRC se requiere el suministro de una gran cantidad de energía sobre el compresor para poder alcanzar las presiones deseadas de operación [18], [19]. En los SRA el compresor de vapor es reemplazado por un mecanismo complejo, integrado en su versión más sencilla, por un absorbedor, una bomba y un generador. Dado que, para un mismo fluido el volumen específico del líquido es mucho menor que el de su fase gaseosa, el trabajo requerido por la bomba para comprimir el líquido es mucho menor que el del compresor (compresión de gas) [20].
Actualmente, existen múltiples modelos comerciales que utilizan la tecnología de enfriamiento por absorción, estos se encuentran disponibles en un amplio rango de potencias de enfriamiento. Algunas de las principales compañías que tienen a su cargo la fabricación de equipos son: Carrier Corporation (EE.UU), York (EE.UU), Thermax (India), LG (Corea), SolarNext (Alemania), Yazaki (Japón), Robur (Italia) [21]
Equipos que integran el Sistema de Refrigeración por Absorción (SRA)
Un SRA convencional incluye dentro de su configuración un total de seis componentes básicos, estos se presentan en la Figura 2.3 y son descritos a continuación:
- Absorbedor: En este dispositivo se realiza el proceso de enriquecimiento en refrigerante de la mezcla binaria. En él se mezcla el refrigerante gaseoso proveniente del evaporador, llega por encima y la solución pobre en refrigerante (solución débil) del generador, liberando calor en el proceso. Atendiendo a que la absorción es más eficiente a bajas temperaturas se debe permitir el rechazo de calor hacia el ambiente.
- Bombas de solución: Generalmente, este tipo de sistemas emplea una bomba de desplazamiento positivo, cuyo propósito es elevar la presión de la solución proveniente del absorbedor y transportarla hacia el generador.
- Generador: Es consistente con una torre de destilación a la que se le puede suministrar calor producto de la combustión u otras fuentes alternativas. En este equipo se realiza la destilación y purificación de los vapores del refrigerante (amoniaco). El equipo es alimentado con una solución rica en refrigerante, conocida como solución fuerte.
- Condensador: En este equipo se realiza el intercambio de calor sensible y latente de licuefacción de la corriente de refrigerante destilada previamente en el generador (alta presión y temperatura), obteniéndose finalmente una corriente líquida fría.
- Evaporador: Es un intercambiador de calor localizado en la sección o recinto que se desea enfriar, el amoniaco utiliza el calor absorbido para generar un cambio en su estado de agregación de líquido a gas, esta energía es denominada: capacidad frigorífica del sistema.
- Válvulas de expansión: Este componente es el encargado de reducir la presión de las corrientes líquidas, en este tipo de sistema se utilizan al menos dos válvulas: una para la solución débil, previo a la entrada al absorbedor, y la segunda para el refrigerante antes del ingreso al evaporador.
Clasificación de los sistemas de refrigeración por absorción
Según Dincer & Hussain [4], los sistemas de refrigeración por absorción se pueden clasificar en función de la cantidad de generadores utilizados y la forma en la que están conectados entre sí, considerando esto, se sugieren tres configuraciones básicas denominadas como: sistemas de simple efecto, medio efecto y de múltiples efectos. Los sistemas de simple efecto son los más sencillos, dentro de su configuración integran los elementos mencionados en la sección anterior, véase Figura 2.3. Con relación a los sistemas de efecto medio, representan una forma mejorada del sistema antes descrito, hace posible el enfriamiento mientras se usa una fuente de calor a una temperatura relativamente más baja que la absorción de simple efecto; como se puede apreciar en la Figura 2.4, en su configuración se incluyen dos generadores, dos absorbedores, dos bombas, tres válvulas de expansión, un condensador y un evaporador, el calor es suministrado a ambos generadores desde una misma fuente, el inconveniente de usar este tipo de sistema es que su eficiencia, representada por el COP (Coefficient of Performance, por sus siglas en Inglés), es muy baja en comparación con el de simple efecto.
En la actualidad, se han desarrollado sistemas que varían desde doble efecto hasta efecto cuádruple denominándolos sistemas de efecto múltiple. Notándose un incremento considerable del COP, pasando de 0,5 en un sistema de simple efecto hasta 2,5 en uno de efecto cuádruple [4], sin embargo, este aumento requiere de una fuente de calor más alta en comparación con un sistema de efecto menor. En la Figura 2.5 se presentan los componentes de un SRA de doble efecto.
SRA de simple efecto
En este tipo de sistemas se presenta un único nivel de calentamiento del fluido de trabajo en el generador. La Figura 2.6 muestra la distribución de equipos y flujos del sistema. El proceso inicia cuando la solución fuerte (estado 1), sale del absorbedor para ingresar a la bomba. En la bomba, es incrementada la presión de la solución fuerte, alcanzando el estado 2. La solución en el estado 2 ingresa a un recuperador de calor, en donde incrementa su temperatura (estado 3) gracias al calor cedido por la corriente 4 que retorna desde el generador. La corriente del estado 3 es alimentada al generador al cual se le suministra calor desde una fuente externa, gracias a la baja temperatura de ebullición del amoniaco comparada con la del agua, el refrigerante abandona el equipo en el estado 7 como vapor sobrecalentado a la presión de operación de alta, la mezcla con menor concentración en refrigerante – solución débil deja el generador en el estado 4. El refrigerante, que se encuentra como vapor sobrecalentado, sale en el estado 7 sigue su recorrido hacia el condensador, aquí el amoniaco rechaza el calor a los alrededores y cambia de fase gaseosa a líquida en el estado 8. Luego, el refrigerante (amoniaco) es subenfriado en un recuperador de calor obteniéndose la corriente en el estado 9; el estado 10 se presenta al expandir isoentrópicamente la corriente de refrigerante líquida, seguidamente ingresa al evaporador donde absorbe calor del espacio que se desea acondicionar y sale como una mezcla saturada con elevada calidad (<=1) y baja temperatura (estado 11) que es aprovechada para realizar el enfriamiento de la corriente en el estado 8, una vez realizado el intercambio ingresa nuevamente al absorbedor en el estado 12, donde finalmente se mezcla con la solución débil expandida en la válvula de solución (estado 5 a 6).
Tubos de vórtice Ranque-Hilsch
En esta sección del documento analiza la información bibliográfica relacionada con el tubo de vórtice Ranque-Hilsch (RHVT, por sus siglas en inglés) o simplemente tubo vórtex. Este dispositivo fue inventado en 1928 por G. Ranque [2], posteriormente 1945 R. Hilsch sería el encargado de modificar su diseño para mejorar su eficiencia [3]. Se pueden considerar relativamente simples teniendo en cuenta que dentro de su estructura no cuentan con partes móviles, su principal característica radica en la capacidad de separar un flujo de gas a alta presión en dos fracciones (a una menor presión), una más fría y otra más caliente que la temperatura de entrada. El gas es enfriado gracias a los efectos de expansión, aceleración y transferencia de calor interna, esta combinación permite obtener temperaturas incluso más bajas que en un proceso de expansión convencional [24].
Algunas de las principales ventajas que hacen a este dispositivo llamativo se relacionan con la fácil instalación, estructura compacta, bajos costos de mantenimiento y durabilidad. Gracias a las prestaciones antes mencionadas, estos dispositivos han despertado el interés de múltiples compañías a nivel mundial como Shell, Fulton Hypothermia y Baike Flight Company, entre otras. Por otra parte, la fabricación en Estados Unidos es liderada por empresas como ITW Vortec, Vortex, Exair y Transonic [7].
Los campos de aplicación de los tubos vórtex incluyen:
- Procesos de mecanizado: enfriamiento de rodamientos y dispositivos electrónicos [6].
- Biomédico: congelamiento biológico y cirugías.
- Industria petroquímica: Enfriamiento, separación y licuefacción de gas natural [25], sistemas de combustión [26].
- Sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire [5].
Componentes y funcionamiento
Generalmente el ensamble de un tubo vórtex incluye dentro sus componentes: una cámara de vorticidad, cuerpo principal del tubo (salida caliente), boquilla de alimentación (pueden ser más de una), válvula reguladora de flujo y extremo de salida fría, para una mayor precisión se presenta la Figura 2.7.
Para su operación, a través de una boquilla se alimenta de forma tangencial al cuerpo principal del tubo un gas comprimido, este circula y se expande mediante una cámara de vorticidad en donde puede alcanzar una velocidad de rotación cercana a las 1 x 106 rpm, la corriente es direccionada hacia la salida del lado caliente del tubo, en donde se ubica una válvula reguladora de flujo por donde sale la parte caliente del flujo; la fracción restante del fluido, es forzada a retornar hacia el lado frío del tubo, en el proceso la corriente es enfriada al transferir energía cinética en forma de calor al fluido caliente [27]. La válvula presente en el tubo cumple una doble función, permitiendo controlar el flujo de la salida caliente y la separación de temperaturas. Es posible obtener temperaturas más bajas en el lado frío al abrir la válvula, en este proceso el flujo del lado frío se reduce.
Desarrollos en Sistemas de Refrigeración por Absorción
La industria de la refrigeración surge inicialmente bajo la necesidad de preservar los alimentos por periodos más largos de tiempo, previo al desarrollo de este tipo de tecnología se utilizaban métodos como el ahumado y la salazón (adición de sal). Los primeros estudios sobre generación de frío por medios no naturales datan del año 1748, cuando el Dr. William Cullen descubrió que algunas reacciones químicas permiten el rechazo de calor. Como se mencionó anteriormente, Nairn, en 1777 presenta los principios de funcionamiento de los SRA, en 1859, F. Carré construye el primer SRA utilizando como fluidos de trabajo el par amoniaco-agua (refrigerante-absorbente) [28]; desde entonces se han desarrollado múltiples investigaciones orientadas hacia el análisis de SRA que utilizan estos fluidos de trabajo.
Raghuvanshi y Maheshwari [29] realizaron la evaluación de las características de operación y rendimiento de un SRA amoniaco-agua de una etapa fundamentados en la primera ley de la termodinámica, concluyendo que al incrementarse la temperaturas de los equipos: absorbedor, generador y condensador el COP del ciclo disminuye, por otra parte, al mejorarse la efectividad del intercambiador de calor el COP se incrementa.
En los estudios donde se analizan las irreversibilidades (segunda ley de la termodinámica) sobre un SRA amoniaco-agua de doble efecto, realizados por Ben Ezzine et al. [30] se estableció que el mayor potencial para mejorar la eficiencia energética del ciclo se centra en los equipos: absorbedor, intercambiadores de calor y condensador. Una de las modificaciones que se han realizado a la configuración del SRA incluye la integración de un eyector a la entrada del absorbedor, los autores Sozen y Ozalp [31] reportaron incrementos del 49 % en el COP y reducción en la relación de circulación de un 57 %. El diagrama que describe el sistema se presenta en la Figura 2.8.
Darwish et al. [32] apoyados en las bases de datos de propiedades físico-químicas de múltiples sustancias incluidas en el simulador ASPEN Plus ®, lograron simular y analizar un enfriador comercial que utiliza el principio de absorción. Los resultados estimados por el simulador sobre varios parámetros de rendimiento presentaron buenas correlaciones con datos experimentales tomados de un enfriador comercial de la marca Robur.
A nivel mundial, la cantidad de estudios realizados sobre sistemas que incluyen en su configuración un tubo vórtex son reducidos; aplicándose principalmente en sistemas de refrigeración por compresión (SRC). Por ejemplo, Gaurav et al [33], realizaron un estudio comparativo entre un ciclo de compresión convencional (con válvula de expansión) y otro que utiliza un tubo vórtex, estimando los efectos sobre algunos parámetros de diseño como el COP y la eficiencia exergética, notándose un incremento de estos en el caso donde se utilizó el tubo vórtex. En los trabajos presentados por Liu et al [34] y Hua et al [35] se analizó el comportamiento de diferentes fluidos de trabajo sobre el COP de un ciclo de refrigeración por compresión utilizando un tubo vórtex en lugar de una válvula de expansión, observándose mejoras en el desempeño del sistema al reducir la temperatura del evaporador.
REFERENCIAS
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