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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRIDESCUELA POLITCNICA SUPERIOR DE INGENIERA INDUSTRIAL Departamento de Ingeniera Trmica y Fluidos

TESIS DOCTORAL Prototipo de mquina frigorfica de absorcin de LiBr/H2O de doble efecto condensada por aireSimulacin, optimizacin y resultados experimentales

Autor:

Jos Daniel Marcos del CanoDirector:

Dr. Marcelo Izquierdo Milln

Legans (Madrid), 2008

TESIS DOCTORAL

Prototipo de mquina frigorfica de absorcin de LiBr/H2O de doble efecto condensada por aireSimulacin, optimizacin y resultados experimentales

Autor:

Jos Daniel Marcos del Cano

Director:

Dr. Marcelo Izquierdo Milln

Firma del Tribunal Calificador: Firma Presidente: Vocal: Vocal: Vocal: Secretario:

Calificacin:

Legans,

de

de

AGRADECIMIENTOSCuando uno culmina un trabajo al que se ha dedicado, casi de forma obsesiva, durante ms de 4 aos, siente una mezcla de euforia, felicidad y vaco. La elaboracin de esta tesis doctoral difcilmente hubiera llegado a buen puerto sin el apoyo recibido, durante todo este tiempo, por muchas personas a las que aqu deseo expresamente dar las gracias. En primer lugar, quiero expresar un profundo agradecimiento a mi director (y maestro) Marcelo Izquierdo. l me ha enseado todo lo que s sobre el mundo de la absorcin y, junto a su saber cientfico, he de agradecer especialmente su calidad como persona. El brazo derecho de Marcelo en Arganda es Emilio Martn, un autntico sabio en el trabajo experimental. De l aprend, casi inopinadamente, que las mquinas de absorcin estn vivas y as, me ense a manipularlas, descristalizarlas soplete en mano e incluso a escucharlas!. Este tipo de conocimiento est claro que no se aprende en las Escuelas de Ingeniera. Gracias Emilio. Del Grupo de Arganda mencin especial merece mi compaera de fatigas, de alegras y de algn que otro quebradero de cabeza durante todo este perodo: Raquel Lizarte (muchas gracias Rache), as como nuestras ltimas incorporaciones al grupo, Esther y David. Tambin deseo expresar mi agradecimiento a mis compaeros del Departamento de Ingeniera Energtica de la UNED, en especial a Javier Sanz, cuya mediacin fue clave para que pudiera realizar la tesis con Marcelo; a Alicia y Chelo que siempre han estado ah insuflndome nimo en los momentos ms difciles, y a Patrick, mi compaero de despacho, por su silenciosa complicidad. Asimismo mi agradecimiento para el Departamento de Ingeniera Trmica y Fluidos de la Universidad Carlos III, que me acogieron como si fuera un miembro ms del mismo. Quiero agradecer especialmente al profesor Infante Ferreira por todo el tiempo y sabidura que me brind durante mi estancia en la Universidad Tecnolgica de Delft. De mi tierra leonesa doy gracias por todo su amor a mis padres y mis hermanos que han gozado y sufrido este tiempo, siempre a mi lado; y a todos mis amigos-as (especialmente a Isabel) que entraablemente me preguntaban, da s, da tambin, qu demonios es lo que estaba haciendo para tardar tanto en terminar. Un agradecimiento desde el corazn para Pohuvipre, la Hortaleza Family, y en especial para Jos Ignacio y Merche, sin cuya cercana y consejos esta tesis no hubiera sido la misma. Por ltimo, doy gracias a quien hoy da supone el impulso en mi vida. Gracias Aitziber.

La verdadera ciencia ensea, por encima de todo, a dudar y a ser ignorante

(Miguel de Unamuno)

NDICE ndice de figuras ndice de tablas Resumen Nomenclatura 1. Introduccin1.1. Inters por el tema 1.2. Objetivos de la tesisIV IX X XIV

1 2 8 11 12 15 17 17 19 24 29 31 32 32 36 39 40 41 41 42 42 44 48 49 51

2. Fundamentos de la tecnologa de absorcin2.1. Evolucin histrica 2.2. Clasificacin de las mquinas de absorcin 2.3. Ciclo de simple efecto2.3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4. Descripcin general Fluidos de trabajo Balances de masa y energa Coeficiente de Eficiencia Energtica

2.4. Ciclo de efecto mitad 2.5. Ciclo de doble efecto2.5.1. 2.5.2. Descripcin general Clasificacin

3. Estado del arte3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. Simple efecto Efecto mitad Doble efecto

3.1. Las mquinas de absorcin de pequea potencia condensadas por agua 40

3.2. Las mquinas de absorcin condensadas por aire3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4.

IntroduccinSimple efecto Efecto mitad Doble efecto

3.3. Las mquinas de absorcin de pequea potencia condensadas por aire en el mercado

I

4. La mquina de absorcin de LiBr/H2O de doble efecto condensada por agua4.1. Modelizacin4.1.1. 4.1.2. Fluidos interiores Fluidos exteriores

57 58 60 66 67 72 72 72 82 88 90

4.2. Optimizacin del COP 4.3. Simulacin4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.3.4. Introduccin Resultados para tres das caractersticos Resultados estacionales Influencia del consumo de los equipos auxiliares sobre el COP

4.4. Conclusiones

5. La mquina de absorcin de LiBr/H2O de doble efecto condensada por aire5.1. Modelizacin 5.2. Optimizacin del COP 5.3. Simulacin5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. Resultados para tres das caractersticos Resultados estacionales Influencia del consumo de los equipos auxiliares sobre el COP

91 92 94 97 97 107 110 111 113 114 115 118 122 123 125 129 130 130 131 132 133

5.4. Conclusiones

6. Modelo experimental6.1. Introduccin 6.2. Descripcin del prototipo I (PI) 6.3. Variables del proceso experimental6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. Variables manipuladas Variables de seguimiento Variables de control

7. Resultados experimentales7.1. Introduccin 7.2. Protocolo de ensayos7.2.1. 7.2.2. Prototipo I Prototipo II

7.3. Resultados experimentales

II

7.3.1. 7.3.2.

Prototipo I Prototipo II

133 141 158

7.4. Comparacin de los resultados experimentales y los de simulacin

7.5. Comparacin de las prestaciones del PII con las mquinas existentes en el mercado 160 7.6. Anlisis de incertidumbre 163 7.7. Conclusiones 166 169 170 170 175 175

8. Conclusions8.1. Introduction 8.2. Conclusions 8.3. Contributions 8.4. Researching works for the future

Bibliografa Anexo I. Equipo de instrumentacin Anexo II. Correlaciones para el clculo de propiedades Anexo III. Especificaciones de los componentes del Prototipo I

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182 191 195

III

Listado de figuras1.1. Evolucin de la demanda elctrica en Espaa en GWh. 1.2. Evolucin del consumo elctrico de los aparatos de aire acondicionado en Espaa (GWh). 2.1. Comparacin entre el compresor de una mquina de absorcin (trmico) y el de una mquina de compresin mecnica. 2.2. Diagrama de Dhring de las disoluciones LiBr-H2O (McNeely, 1979). 2.3. Diagrama de Merkel de las disoluciones LiBr-H2O (McNeely, 1979). 2.4. Calor especfico en funcin de la concentracin (Ellington et al, 1957). 2.5. Densidad de las disoluciones acuosas de bromuro de litio (Ellington et al, 1957). 2.6. Esquema de mquina de absorcin de LiBr/H2O de simple efecto condensada por agua. 2.7. Ciclo de absorcin GAX (Kim e Infante Ferreira, 2005). 2.8. Esquema de un ciclo de efecto mitad (Arivazhagan et al., 2006). 2.9. Esquema de una mquina de absorcin de LiBr/H2O de doble efecto condensada por agua. 2.10. Esquema del ciclo de una mquina de absorcin de doble efecto con distribucin de flujo paralelo. 2.11. Esquema del ciclo de una mquina de absorcin de doble efecto con distribucin de flujo serie. 3.1. Comparacin entre el ciclo de trabajo de una mquina de simple efecto condensada por agua (color rojo) y una condensada por aire (color azul). 3.2. Rotartica 045V de 4,5 kW. 3.3. Esquema de una mquina de absorcin de LiBr/agua de doble etapa accionada por energa solar (Izquierdo et al., 2004). 3.4. Desplazamiento del lmite de cristalizacin utilizando la mezcla (LiBr+LiI+LiNO3 +LiCl)/H2O segn Lee et.al (2000). 3.5. Potencia frigorfica de la Rotartica en funcin de la temperatura de bulbo seco exterior (Izquierdo et al., 2007). 3.6. Mquina de absorcin Robur de NH3/agua de 15 kW condensada por aire. 4.1. Esquema del prototipo de la mquina de absorcin de LiBr de doble efecto refrigerada por agua. IV 3

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4.2. Evolucin del COP para diferentes temperaturas de condensacin en funcin del incremento de concentracin de la disolucin a su paso por los generadores, con dos distribuciones diferentes de caudales: a) m11 = 1,13m8 , b) m11 = 1,5m8 . & & & & 4.3. Diagrama de Dhring (P T X) para el ciclo de funcionamiento de una mquina de doble efecto condensada por agua con incrementos iguales en la concentracin de la disolucin en los dos generadores. 4.4. Diagrama de Merkel (h T X) para el ciclo de funcionamiento de una mquina de doble efecto condensada por agua con incrementos iguales en la concentracin de la disolucin en los dos generadores. 4.5. Evolucin de la temperatura ambiente (a) y de absorcin (b). 4.6. Evolucin de la temperatura de condensacin en una mquina de doble efecto condensada por agua. 4.7. Evolucin de la potencia frigorfica en el evaporador (a) y en el GA (b) en una mquina de doble efecto condensada por agua. 4.8. Evolucin de la potencia en el condensador (a) y en el absorbedor (b). 4.9. Evolucin de la temperatura de inicio de ebullicin en el GA (a) y en el GB (b). 4.10. Evolucin de la temperatura de final de ebullicin en el GA (a) y en el GB (b). 4.11. Evolucin del COP de una mquina de doble efecto condensada por agua para tres das representativos de verano. 4.12. Evolucin del COP en funcin de la temperatura final de ebullicin del GA (a) y de la temperatura de condensacin (b). 4.13. Evolucin de los caudales de disolucin en el GA (a) y en el GB (b) para tres das representativos de verano. 4.14. Evolucin del caudal de refrigerante total producido para tres das representativos de verano. 4.15. Evolucin de la relacin entre los caudales de disolucin y de refrigerante producidos en los generadores. 4.16. Evolucin del caudal del agua de la torre de refrigeracin para una mquina de doble efecto condensada por agua. 4.17. Variacin de la temperatura mxima y mnima diaria durante el perodo de climatizacin. 4.18. Calor de absorcin y condensacin diario transferido por la torre de refrigeracin durante el perodo de climatizacin. 4.19. Fro producido por la mquina condensada por agua en kwh para cada uno de los das durante la temporada de refrigeracin. V

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4.20. Calor suministrado al generador de alta temperatura de la mquina condensada por agua en kwh para cada uno de los das durante la temporada de refrigeracin. 4.21. COP de la mquina condensada por agua para cada uno de los das de la temporada de refrigeracin 4.22. Relacin entre la potencia frigorfica y su consumo elctrico (Broad). 4.23. Relacin de los tres COPs obtenidos en condensacin por agua: COP sin consumo elctrico, COP con consumo elctrico y COP con consumo elctrico incluido pero referido a energa primaria. 5.1. Esquema del prototipo de la mquina de absorcin de LiBr de doble efecto refrigerada por aire. 5.2. Evolucin del COP para diferentes temperaturas de condensacin en funcin del incremento de concentracin de la disolucin a su paso por los generadores, con dos distribuciones diferentes de caudales: a) m11 = 1,13m8 , b) m11 = 1,5m8 . & & & & 5.3. Diagrama de Dhring (P T X) para el ciclo de funcionamiento de una mquina de absorcin de doble efecto condensada por aire (Tamb = 30C). 5.4. Diagrama de Merkel (h T X) para el ciclo de funcionamiento de una mquina de doble efecto condensada por aire. 5.5. Evolucin de las temperaturas ambiente (a) y de absorcin (b). 5.6. Evolucin de la temperatura de condensacin. 5.7. Evolucin de la potencia en el evaporador (a) y en el GA (b). 5.8. Evolucin de la potencia en el condensador (a) y en el absorbedor (b). 5.9. Evolucin de la temperatura inicial de ebullicin en el GA (a) y en el GB (b). 5.10. Evolucin de la temperatura final de ebullicin en el GA (a) y en el GB (b). 5.11. Evolucin del COP de una mquina de doble efecto condensada por aire.

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96 101 101 102 103 103 104 104

5.12. Evolucin del COP en funcin de la temperatura final de ebullicin del GA (a) y de la temperatura de condensacin (b). 105 5.13. Evolucin de los caudales de disolucin en el GA (a) y en el GB (b). 5.14. Evolucin del caudal de refrigerante total producido. 106 107

5.15. Evolucin de la relacin entre caudal de disolucin/caudal de refrigerante en los generadores. 107 5.16. Evolucin del caudal del aire del ventilador. 5.17. Calor de absorcin y condensacin diario para el perodo de climatizacin. VI 108 109

5.18. Energa calorfica diaria transferida al generador de alta temperatura.

109

5.19. COP sin consumo elctrico; COP incluyendo consumo elctrico; y COP incluyendo consumo elctrico referido a energa primaria. 110 6.1. Prototipo de mquina de absorcin de LiBr/agua de doble efecto condensado por aire de 10 kW. 115 6.2. Vista posterior del prototipo indicando la posicin del ventilador, condensador y subenfriador. 116 6.3. Generador de alta temperatura del prototipo. 6.4. Generador de baja temperatura del prototipo. 6.5. Vlvula de expansin del prototipo a la entrada del evaporador. 6.6. Esquema general del prototipo con la situacin de los sensores. 6.7. Esquema de distribucin de caudales en el generador de baja temperatura. 7.1. Planta Experimental de Energa Solar (CSIC) situada en Arganda del Rey (Madrid). 116 117 118 120 127 131

7.2. Temperaturas de entrada y salida del aceite y de la disolucin al generador de alta temperatura (PI). 133 7.3. Caudal de disolucin y caudal del aceite en el generador de alta temperatura (PI). 7.4. Potencia calorfica aportada a la disolucin en el generador de alta temperatura (PI). 7.5. Temperaturas ambiente, de absorcin y de condensacin durante el experimento (PI). 7.6. Caudal del agua de refrigeracin (PI). 7.7. Temperatura del agua de refrigeracin a la entrada y salida (PI). 7.8. Potencia frigorfica producida en el evaporador (PI). 7.9. COP sin tener en cuenta el consumo de los equipos auxiliares (PI). 134 135 135 136 137 138 139

7.10. COP incluyendo el consumo elctrico y COP incluyendo el consumo elctrico referido a energa primaria (PI). 140 7.11. Diagrama de Dhring (P T X) del prototipo de LiBr/H2O de doble efecto condensado por aire (PI). 140 7.12. Temperatura ambiente exterior, de absorcin y temperatura de condensacin para el da muy caluroso (PII). 142 7.13. Temperaturas de la disolucin al generador de alta temperatura para el da muy caluroso (PII). 143 7.14. Caudal de disolucin en el generador de alta temperatura (PII). VII 144

7.15. Potencia calorfica suministrada al generador de alta temperatura durante el da muy caluroso (PII). 145 7.16. Caudal del agua de refrigeracin (PII). 146

7.17. Temperatura del agua de refrigeracin a la entrada y salida del evaporador para el da muy caluroso (PII). 146 7.18. Potencia frigorfica producida en el evaporador para el da muy caluroso (PII). 147

7.19. COP sin tener en cuenta el consumo de los equipos auxiliares para el da muy caluroso (PII). 148 7.20. COP incluyendo el consumo elctrico y COP incluyendo el consumo elctrico referido a energa primaria (PII). 149 7.21. Diagrama de Dhring (P T X) del prototipo de LiBr/H2O de doble efecto condensado por aire (PII). 149 7.22. Evolucin del COP en funcin del incremento de la concentracin de la disolucin 150 para TCOND = 52C y TEVAP = 15C. 7.23. Temperaturas de entrada y salida de la disolucin al generador de alta temperatura (PII). 151 7.24. Potencia calorfica suministrada al generador de alta temperatura (PII). 152

7.25. Temperatura ambiente, de absorcin y temperatura de condensacin para el da caluroso (PII). 153 7.26. Temperatura del agua de refrigeracin a la entrada y salida del evaporador para el da caluroso (PII). 154 7.27. Potencia frigorfica producida en el evaporador (PII). 7.28. COP sin tener en cuenta el consumo de los equipos auxiliares (PII). 154 155

7.29. COP considerando el consumo elctrico y el consumo de energa primaria para el da caluroso (PII). 156 7.30. Diagrama de Dhring (P T X) para el ciclo de funcionamiento del prototipo de 156 LiBr/H2O de doble efecto condensado por aire para el da caluroso (PII). 7.31. Evolucin del COP en funcin del incremento de la concentracin de la disolucin 157 para TCOND = 46C y TEVAP = 5C.

VIII

Listado de tablas3.1. Mquinas de simple efecto de baja potencia condensadas por agua. 3.2. Principales caractersticas de las mquinas de doble efecto de baja potencia condensadas por agua existentes en el mercado. 3.3. Esfuerzos realizados en el desarrollo de mquinas de absorcin de LiBr/H2O condensadas por aire. 3.4. Modelos de mquinas de absorcin de baja potencia presentes en el mercado. 1. Simple efecto; 2. Doble efecto; 3. Generator Absorber Exchange (Kim e Infante Ferreira, 2005). 4.1 Hiptesis iniciales de la simulacin. 4.2. Propiedades termodinmicas del ciclo de doble efecto condensado por agua para las condiciones ms calurosas de los tres das representativos de verano. 4.3. Relacin de potencias, caudales y COPs del ciclo de doble efecto condensado por

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agua para las condiciones ms calurosas de los tres das representativos de verano.5.1 Hiptesis iniciales de la simulacin. 5.2. Propiedades termodinmicas del ciclo para tres das de verano. 5.3. Parmetros de funcionamiento del ciclo de doble efecto condensado por aire para la

76 97 98

temperatura mxima6.1. Variables manipuladas. 6.2. Variables de seguimiento. 7.1. Comparacin de los resultados tericos con los resultados experimentales para la

100 123 124

mxima temperatura exterior.7.2. Comparacin del prototipo con las mquinas existentes en el mercado. 7.3. Mrgenes de error en la medida de los diferentes sensores empleados. 7.4. Incertidumbres de los principales parmetros de funcionamiento de los prototipos.

159 162 163 165

IX

RESUMENCon esta tesis se pretende contribuir al desarrollo comercial de una mquina de absorcin de alta eficiencia, de aplicacin en la climatizacin de viviendas y vehculos de transporte, como camiones, autobuses o barcos. Para ello se han desarrollado dos lneas de actuacin: una terica y otra experimental. La tesis se ha dividido en 7 captulos. El captulo 1 sirve de introduccin al trabajo. Describe una visin global del panorama energtico nacional, incidiendo en los problemas que aquejan al sector energtico, y justificando el gran inters en investigar en el tema de esta tesis, como potencial solucin dentro del campo de la climatizacin. El captulo 2 detalla de modo general los fundamentos bsicos de la tecnologa de absorcin. Comienza con una narracin del devenir histrico que ha experimentado esta tecnologa, desde sus inicios a mediados del siglo XIX. A continuacin se presenta una clasificacin de las distintas mquinas de absorcin en funcin del nmero de efectos, sistema de condensacin, par/refrigerante empleado o fuente de calor. Este captulo tambin introduce los tres principales ciclos de absorcin: simple efecto, efecto mitad y doble efecto. Para cada ciclo se describen los componentes que lo conforman y se realiza un balance de masa y energa, a excepcin hecha del ciclo de doble efecto, que se analiza en mayor profundidad en captulos posteriores. El captulo 3 revisa los ltimos avances en el campo de las mquinas de absorcin de pequea potencia condensadas por agua y por aire, realizando un anlisis crtico de la situacin actual de las mquinas de absorcin de pequea potencia en el mercado. La informacin aportada en los captulos 2 y 3 ser til para valorar los resultados obtenidos en los captulos 5 y 7. En el captulo 4 se efecta el estudio terico de la mquina de absorcin de doble efecto condensada por agua. Se comienza realizando una modelizacin de los componentes de la misma, tanto desde el punto de vista de los fluidos interiores como de los fluidos exteriores. Acto seguido se construye un programa que proporciona el incremento de la concentracin de la disolucin a su paso por los dos generadores para lograr un rendimiento ptimo. Este resultado, junto con las ecuaciones modelizadas, son introducidos dentro de un programa que simula el funcionamiento de la mquina para tres das representativos de la temporada de climatizacin: templado, caluroso y muy caluroso. Los resultados ofrecen los valores que debern adoptar los parmetros de operacin para lograr un funcionamiento ptimo de la mquina. Estos resultados son completados con los valores estacionales de los principales parmetros. En el captulo 5 se efecta un anlisis terico de la mquina de absorcin de doble efecto condensada por aire. Se utilizan las ecuaciones modelizadas para la mquina condensada por agua que son comunes, y se aaden las especficas de la condensacin por aire. Con ello se calcula el incremento de la concentracin de la disolucin ptimo para lograr el mximo rendimiento de la mquina. Asimismo se construye un programa que simula el funcionamiento de la mquina para los tres das representativos de la temporada de climatizacin, para lograr un funcionamiento ptimo de la mquina de doble efecto condensada por aire. En este captulo se presenta asimismo un sistema novedoso de condensacin por serie, el cual refrigera la disolucin que llega al absorbedor en el exterior de este componente.

X

En el captulo 6 se muestra el modelo experimental aplicado sobre los dos prototipos de mquina de absorcin de LiBr/H2O de doble efecto condensados por aire. Asimismo se describen las principales variables que intervienen en su funcionamiento. Estas variables han sido agrupadas especificndose su rango de operacin y el procedimiento seguido para su obtencin. En el captulo 7 se exponen los resultados experimentales obtenidos en los ensayos efectuados con los dos prototipos. Segn nuestro conocimiento, esta tesis recoge, por primera vez, resultados experimentales realizados sobre prototipos de estas caractersticas. Estos resultados son comparados con los obtenidos mediante la simulacin numrica del captulo 5. A continuacin, se comparan las prestaciones de los nuevos prototipos con las que ofrecen las mquinas existentes en el mercado, concluyendo que el Prototipo II es competitivo con las mquinas comerciales. Este prototipo produce agua fra a 13,5C para una temperatura exterior de 40C. Finalmente, el captulo 8 presenta las conclusiones y los futuros trabajos de investigacin. Esto incluye la optimizacin y la implantacin de un prototipo de mquina de absorcin de doble efecto condensada por aire en el mercado. Quedan abiertas otras lneas de investigacin para la optimizacin de otros componentes de la mquina como el generador de alta temperatura o el evaporador.

XI

ABSTRACTThis thesis aims to promote the commercial development of an air-cooled high efficiency absorption machine, for its use in cooling houses or transportation vehicles, such as trucks, busses or boats. Towards this objective, two main research lines have been carried out: one theoretical and another experimental. The thesis is organized into seven chapters. The first Chapter provides an introductory framework for this thesis work. It describes the scope of the national energy problem, justifying the great interest in performing the research in the topic of the thesis, as a potential solution to this problem in the field of acclimatization. Chapter 2 describes an overview of the absorption technology. The chapter narrates a historical trajectory of this technology since the beginning in the mid nineteenth century. The different absorption machines are further classified by the number of effects, condensation system, refrigerant used or heat source. This chapter also describes the three main absorption cycles: simple effect, half effect and double effect. For each cycle, the components are specified, and an energy and mass balance is calculated, with the exception of the double effect cycle, which is analyzed in detail in later chapters. Chapter 3 reviews the latest advances in the field of low power water-cooled and air-cooled absorption machines. A critical analysis of the present market situation for low power absorption machines is performed. The background information in chapters 2 and 3 will be useful to interpret the results in chapters 3 and 5. A theoretical analysis of the water-cooled double effect absorption machine is performed in Chapter 4. First, modeling of its components is carried out, including both the internal and external fluids. Next, a program was created in order to infer the required increase in the solution concentration to achieve an optimal yield. These results, together with the modeling equations, were included in a program that simulates a working machine for three representative days in the cooling season: mild warm, warm and hot weather. The obtained results offer the operating values to achieve an optimal functioning of the machine. These results are complemented with the seasonal values obtained for the main parameters in further chapters. In Chapter 5, a theoretical analysis of the double effect absorption machine is performed for an air-cooled machine. Specific air-cooled equations were added to the former equations for the water-cooled absorption machine that are shared by both water and air cooled machines. Accordingly, the optimal increase in the solution concentration to achieve the maximal yield was calculated. Then it is created a program that simulates the working machine for three representative days in the cooling season, in order to achieve an optimal yield for the air-cooled double effect absorption machine. Furthermore, a new series air-cooled system is presented in this chapter, which cools the solution of the absorber in an outside heat exchanger. Chapter 6 describes the experimental model that represents two different aircooled double effect LiBr/H2O prototypes. The main variables involved in the prototype functioning are presented. These variables were classified according to the operation range and required procedure for its generation. Chapter 7 outlines the experimental results obtained from testing of both aircooled double effect LiBr/H2O prototypes. To our knowledge, this thesis reports for the

XII

first time the experimental results on this type of prototypes. These results are compared to the theoretical results outlined in chapter 5. Then, a comparison is performed between both new prototypes and the existing machines in the market; concluding that prototype II is competitive with commercial machines. It produced chilled water at 13,5C when outdoor temperature was 40C. Finally, chapter 8 summarizes the conclusions and future directions of this thesis. This includes optimization and insertion of an air-cooled double effect absorption machine prototype in the market. Future research will focus on optimization of other machine components e.g. high temperature desorber or evaporator.

XIII

NomenclaturaA ABS AHX CHP COND COP cp EVAP F G GA GB GAX h I+D+I & m M P PI PII q Q & Q R RA RB SGA SGB SUB T, t u U v v V w & W x X Griegas

rea de intercambio (m2) Absorbedor Absorber Heat Exchange Cooling Heating and Power Condensador Coeficiente de operacin Calor especfico a presin constante (kJ/kgK) Evaporador Mesurando Generador Generador de alta temperatura Generador de baja temperatura Generador Absorber Exchange Entalpa especfica (kJ/kg) Investigacin + desarrollo + Innovacin Caudal msico (kg/s) Caudalmetro ultrasnico Presin (bar) Prototipo I Prototipo II Calor especfico (kJ/kg) Calor transferido (kJ) Potencia calorfica (W) Recuperador de calor Recuperador de calor de alta temperatura Recuperador de calor de baja temperatura Separador de gotas de alta temperatura Separador de gotas de baja temperatura Subenfriador Temperatura (C) Incertidumbre de un aparato de medida Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2K) Volumen especfico (m3/kg) Vlvula Visor Trabajo especfico (kJ/kg) Potencia transferida en forma de trabajo (W) ttulo o calidad Concentracin de la disolucin en LiBr (%)

Densidad Precisin del sensor

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Subndices ac aire amb ar b BC C ce d elec e fc feb fg i ieb max min p r recal res REF s t T

Eficiencia del recuperador de calor Rendimiento

Aceite trmico Fluido que extrae el calor de la mquina en condensacin por aire Ambiente Agua de refrigeracin Bomba Bomba de calor calor de condensacin ms calor de subenfriamiento Conversin de calor a electricidad Disolucin Elctrico Entrada Fluido condensante Final de ebullicin Cambio de estado lquido-vapor Impulsin Inicio de ebullicin Mximo Mnimo Prdidas por transferencia de calor Refrigerante Recalentamiento Resistencias elctricas Refrigeracin Salida Torre de enfriamiento Total

XV

1.1 Inters por el tema

n

Captulo 1

1 INTRODUCCIN

En este captulo se presenta el planteamiento general de la tesis y las razones por las cules se considera que resulta de inters. Para ello se parte de una visin global de los problemas que aquejan al panorama energtico espaol, focalizando en la responsabilidad que detenta el sector de la climatizacin en su agravamiento. A continuacin se analiza lo que puede suponer para este sector el desarrollo de mquinas de absorcin de pequea potencia condensadas por aire como alternativa energtica sostenible a los actuales aparatos de aire acondicionado. Para finalizar se presentan los objetivos de esta tesis.

1

Captulo 1 Introduccin

1.1 Inters por el temaEl progresivo crecimiento del consumo energtico en Espaa en los ltimos aos, asociado al crecimiento econmico del pas, ha despertado las seales de alarma ante la imposibilidad, no muy lejana, de seguir abasteciendo la demanda energtica. Espaa se encuentra con la necesidad de replantearse el actual patrn de consumo de energa ya que, de no ser as, se prev muy complicado el atender los niveles de demanda que se alcancen dentro de 40 aos. La actual coyuntura energtica se sita ante dos importantes retos: Por un lado, cubrir el incremento progresivo en la demanda energtica. Y por otro, reducir las emisiones de CO2 hasta los lmites fijados para Espaa dentro del compromiso con el protocolo de Kioto. En Espaa, debido a la carencia de significativos yacimientos de petrleo se debern buscar alternativas energticas sostenibles que, al mismo tiempo, reduzcan la emisin de CO2 a la atmsfera. Sirva de ejemplo el exigente plan de ahorro de energa que implantara Francia bajo el lema No tenemos petrleo, pero tenemos ideas, mediante el cual se sustituyeron las centrales trmicas por centrales nucleares e incrementaron la presin fiscal sobre el gasleo. Si bien no exento de polmica por la apuesta tan decidida por la energa nuclear de fisin y los problemas que sus residuos acarrean. Segn los boletines estadsticos presentados por Red Elctrica de Espaa (REE, 2008), el aspecto ms destacado del comportamiento del Sistema Elctrico en los ltimos aos ha sido la creciente evolucin de la demanda de energa elctrica (figura 1.1), que un ao ms ha mantenido un crecimiento por encima de la media registrada en los pases de la Europa occidental pertenecientes a la UCTE 1 .

1

Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity

2

1.1 Inters por el tema

n

300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 2001 2002 2003 217215 223172 237327

247575

262145

266884

276365

2004

2005

2006

2007

Figura 1.1. Evolucin de la demanda elctrica en Espaa en GWh.

A este incremento del consumo de electricidad ha contribuido el crecimiento del Producto Interior Bruto espaol, que alcanz en 2006 el 3,8%, 0,4 puntos mayor que en 2005, crecimiento que se ha mantenido en el 2007 en el 3,7 %. El 2008 sin embargo ha significado un perodo de desaceleracin econmica que arroja una previsin media de crecimiento para este ao del 1,4%; 2,3% menos que el 2007. Esto presumiblemente significar un ligero descenso en el consumo energtico que hasta el da de hoy no se han manifestado. Otro factor importante a tener en cuenta es la evolucin de la intensidad energtica 2 . Mientras en Espaa el PIB aument en los ltimos ocho aos un 28,8%, el consumo de energa primaria creci el 35,7% y el de electricidad el 47,1%. La economa espaola ha registrado los peores ndices de intensidad energtica y de emisiones de la Unin Europea. Las polticas europeas en materia energtica se estn orientando hacia desacoplar el crecimiento de la actividad econmica del consumo de energa, tanto final como primaria, lo que permite aumentar el PIB y el empleo, disminuyendo al mismo tiempo las emisiones.

2

La intensidad energtica es un concepto que mide el consumo de energa necesario (en toneladas

equivalentes de petrleo) para producir cada unidad de Producto Interior Bruto (PIB).

3

Captulo 1 Introduccin Este incremento progresivo en la demanda elctrica es el causante tambin de interrupciones en el servicio (apagones), que se producen en los das ms fros del invierno y, cada vez con ms frecuencia, en los das ms calurosos del verano. En este sentido, en el campo de la climatizacin, el fuerte crecimiento en la compra de aparatos de aire acondicionado ha contribuido notablemente a elevar este consumo de electricidad, especialmente en los das ms calurosos del ao. Las empresas elctricas achacan el problema de los apagones a ste incremento extraordinario en el consumo de los aparatos de aire acondicionado, especialmente en las zonas de Levante, Andaluca, las dos Castillas, Extremadura y las provincias de la regin de Len. Entre 1988 y 1997 la instalacin de aparatos de aire acondicionado pas del 2% hasta el 8% de los hogares espaoles, respectivamente. El consumo de electricidad por este concepto aument desde 32 GWh en 1988 hasta 120 GWh en 1997 (REE, 1998). Actualmente alrededor de una cuarta parte de los hogares espaoles disponen ya de un aparato de aire acondicionado. Segn el IDAE (2006) el consumo elctrico en la refrigeracin de los edificios en Espaa supone el 11,1% del total. El 2% de este consumo (580 GWh aproximadamente) corresponde al consumo elctrico del sector residencial (ver figura 2).700 600 500 400 300 200 100 0 1988 1997 2005 32 120

580

Figura 1.2. Evolucin del consumo elctrico de los aparatos de aire acondicionado en Espaa, en GWh.

El consumo elctrico anual de los aparatos de aire acondicionado no es muy significativo en comparacin con otros consumos, pero s su potencia instalada (20% de la total). Su importancia radica en que estos aparatos se ponen en funcionamiento prcticamente todos al mismo tiempo. En los meses de verano la demanda se dispara entre las 15 y las 18 horas.

4

1.1 Inters por el tema

n

Segn el ltimo informe presentado por el Instituto Nacional de Estadstica de Espaa sobre el censo poblacional (2004), existen 15,5 millones de viviendas que son hogares y casi 7 millones de segundas viviendas. De ellas unos 4 millones aproximadamente tienen instalado un equipo de climatizacin refrigerado por aire. Estas mquinas trabajan con refrigerantes como R22, R407C y R410A, con una carga entre 1 kg y 1,5 kg de refrigerante, cuyo Potencial de Efecto Invernadero es 3.500 veces mayor que el del CO2 a un horizonte de 25 aos. Segn Marcos et al. (2007), el Potencial de Efecto invernadero Indirecto (PEII) de las mquinas de compresin mecnica usadas actualmente para proporcionar aire acondicionado es de aproximadamente 330.600 toneladas de CO2, y el Directo (PEID) de 18.375.000 toneladas de CO2, si bien esta cantidad es un potencial mximo que depende del factor de fugas. En 2007 se cumpli el 20 aniversario de la firma del Protocolo de Montreal, desarrollado para evitar la destruccin del ozono estratosfrico. Es justo reconocer la tremenda contribucin que ha prestado para poner freno al cambio climtico (Velders et al., 2007). Mediante la sustitucin de los CFCs y HCFCs han sido eliminadas ya ms de 5109 toneladas equivalentes de CO2, lo que representa ms del 25% de las emisiones de gases de efecto invernadero en 1990. Esto quintuplica los objetivos de reduccin de gases de efecto de invernadero del protocolo de Kyoto, el cual cumpli, tambin en 2007, su 10 aniversario y cuyo objetivo est dirigido estrictamente a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Este protocolo finaliza su validez en 2012 y ya se estn negociando nuevos acuerdos para seguir avanzando en este lnea despus del 2012 (Conferencia de Bali, diciembre 2007). Otro aspecto de estos refrigerantes es su contenido en Flor, gas que se ha convertido en especial objeto de atencin por parte de la Unin Europea. A tal efecto el 4 de julio de 2007 ha entrado en vigor el F-gas Regulation N 842/2006 que pretende minimizar la emisin de gases de efecto invernadero fluorados (incluyendo los HFCs) para sistemas de refrigeracin, aire acondicionado y bombas de calor que contengan hasta 6 kg de refrigerante. Esta norma afecta a las mquinas frigorficas de pequea potencia utilizadas en viviendas y sector residencial, y a los sistemas mviles de aire acondicionado como camiones, autobuses e incluso en barcos. Pues bien, a la solucin de todos estos problemas surgidos en el campo de la climatizacin pueden contribuir las mquinas de absorcin. Mquinas capaces de producir fro y/o calor, y que pueden llegar a convertirse en una alternativa real a los convencionales

5

Captulo 1 Introduccin aparatos elctricos de compresin mecnica, ya que emplean como fuente de energa calores residuales, energa solar o gases combustibles. Actualmente las ms utilizadas son las mquinas de absorcin de simple efecto para grandes potencias. El empleo de mquinas de absorcin de alta eficiencia para la produccin de calor y fro en las viviendas posibilitar un ahorro energtico esencial en consumo de electricidad. Esto, adems, implicar una notable mejora medioambiental: reduccin considerable en las emisiones de CO2 y Potencial Destructor de Ozono nulo (las mquinas de absorcin utilizan refrigerantes que no daan el medioambiente). Tambin las mquinas de absorcin de alta eficiencia pueden tener aplicacin en climatizacin de medios de transporte como camiones, autobuses y, recientemente, en barcos, ya que pueden funcionar mediante el calor generado por los humos de escape de los motores de estos vehculos. Sin embargo los sistemas de absorcin de pequea potencia no son competitivos todava frente a los de compresin mecnica, por lo que ser necesario una mayor inversin en I+D+I para mejorar su eficiencia y reducir su tamao y coste. Algunos intentos se han realizado para desarrollar mquinas frigorficas de absorcin enfriadas y condensadas por aire, como por ejemplo, en el panorama internacional (Okano et al., 1994; Lee et al., 2000; Kim e Infante Ferreira, 2005) y en Espaa (Castro et al., 2002; Izquierdo et al., 2004). Estos intentos todava no han fructificado en el mercado en un diseo de mquina de absorcin condensada por aire, eficiente y de pequeo tamao que sea competitiva con las de compresin mecnica. Para desarrollar este tipo de mquinas ser necesario, por tanto, optimizar la eficiencia de sus componentes y reducir su tamao. La primera decisin en este aspecto ha sido optar por el uso de intercambiadores de calor de placas en varios componentes de la mquina: generador de alta temperatura, generador de baja temperatura y en los recuperadores de calor, ya que su tamao es muy inferior a los intercambiadores de carcasa y tubos, y su eficiencia es superior a stos. Obviamente es necesario apostar por mquinas condensadas por aire para as poder prescindir de la torre de refrigeracin, un componente totalmente descartado hoy da para aplicacin en viviendas como, por supuesto, en vehculos, pero esta apuesta aporta una serie de inconvenientes cuando se trabaja con la mezcla de LiBr/agua que habr que solventar. A modo de resumen se puede decir que las razones que vienen a justificar el desarrollo de esta lnea de investigacin son las siguientes:

6

1.1 Inters por el tema

n

El desarrollo de esta mquina de absorcin posibilita el uso rentable de combustibles comerciales Utilizacin de calores residuales, por lo tanto se contribuye a mejorar la eficiencia energtica. Permite asimismo el uso de energas renovables para su funcionamiento. Empleo de sustancias sin efecto invernadero directo y sin efecto destructor de la capa de ozono (Protocolo de Montreal). Reduccin de los picos de demanda elctrica, especialmente en verano, por la puesta en marcha simultnea de aparatos de aire acondicionado 3 . Efecto invernadero indirecto favorable.

3

Tngase en cuenta que en Espaa el pico de demanda elctrica de verano alcanza ya al producido en

invierno.

7

Captulo 1 Introduccin

1.2 Objetivos de la tesisLos objetivos principales de esta tesis son dos principalmente: Por un lado, caracterizar y definir en profundidad el funcionamiento de las mquinas de absorcin de LiBr/agua de doble efecto, tanto condensadas por agua como condensadas por aire, identificando y determinando los factores clave que posibiliten el funcionamiento de estas ltimas. Por otro lado, aplicar el conocimiento obtenido de las simulaciones tericas junto con el desarrollo de un diseo novedoso sobre dos prototipos experimentales de absorcin de LiBr/agua de doble efecto condensados por aire con el objetivo de lograr en ellos un funcionamiento eficiente y, si es posible, competitivo con las mquinas comerciales. Para lograr estos objetivos se precisar culminar una serie de etapas parciales como son: 1. Modelizar y simular el funcionamiento de una mquina de doble efecto de LiBr/agua condensada por agua. Para ello previamente se desarrollar un programa que calcule las condiciones ptimas de funcionamiento que hagan mximo el COP de la mquina. Los valores obtenidos se introducirn en otro programa de simulacin que determinar los principales parmetros que influyen en el funcionamiento de la mquina para tres das representativos de verano. Los resultados obtenidos servirn de referencia para el clculo de la mquina condensada por aire a lo largo de la temporada de refrigeracin. 2. Modelizar y simular el funcionamiento de una mquina de doble efecto de LiBr/agua pero condensada por aire. Al igual que para la mquina condensada por agua, se calcularn las condiciones ptimas en los dos generadores y se efectuar la simulacin de funcionamiento de la mquina para tres das de verano diferentes. Los componentes y la distribucin de los mismos en la simulacin sern idnticos a los que formarn parte de los prototipos que posteriormente sern testados. 3. Diseo de un modelo experimental aplicable sobre un prototipo de mquina de absorcin de doble efecto de LiBr/agua condensada por aire. Este modelo agrupa todas las variables que intervienen en el funcionamiento de la mquina, analizando su modo de obtencin y su rango de variacin. 4. Definicin de un protocolo de ensayos a efectuar sobre los prototipos que, teniendo en cuenta la informacin recogida por las simulaciones tericas, sea capaz de acercar a estas mquinas a su funcionamiento ptimo bajo condiciones ambientales adversas. 8

1.2 Objetivos de la tesis

n

5. Comparacin y anlisis de los resultados experimentales obtenidos con los resultados tericos. Efectuar una comparacin entre las prestaciones de los nuevos prototipos y las prestaciones que ofrecen las mquinas que actualmente existen en el mercado. Por tanto, con este trabajo se pretende contribuir al desarrollo comercial de una mquina de absorcin de alta eficiencia de aplicacin en la climatizacin de viviendas y vehculos de transporte, como camiones, autobuses y barcos. Para ello se ha experimentado con dos prototipos de mquina de absorcin de doble efecto de LiBr/H2O (par absorbente/refrigerante) condensados por aire, diseados y construidos para tal fin por el grupo de investigacin Ahorro de energa y reduccin de emisiones en edificacin (CSICUC3M-UNED-UPM). Para lograr su funcionamiento se ha incorporado la informacin obtenida en la simulacin terica. Esto permite la optimizacin de su funcionamiento y contribuye al desarrollo de una mquina de absorcin de pequea potencia de gran inters para su aplicacin domstica.

9

Captulo 1 Introduccin

10

2.1 Evolucin histrica

n

Captulo 2

2

FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGA DE ABSORCIN

Este captulo recoge los fundamentos bsicos de la tecnologa de absorcin en sus principales variantes: simple efecto, doble efecto y efecto mitad. El captulo se inicia con un recorrido por la evolucin histrica que ha experimentado esta tecnologa, desde sus albores en el siglo XIX hasta nuestros das. Aparte de una somera clasificacin de este tipo de mquinas se realiza tambin un balance de masa y de energa de los componentes de cada uno de los ciclos, a excepcin hecha del ciclo de doble efecto que ser estudiado en los captulos siguientes.

11

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

2.1

Evolucin histricaLos ciclos de absorcin se basan en la capacidad que tienen algunas sustancias,

tales como el agua y algunas sales como el bromuro de litio, para absorber en fase lquida vapores de otras sustancias como el amonaco y el agua, respectivamente. Fue el ingls Joseph Priestly quien en 1774 asla los gases de amonaco, oxgeno y dixido de carbono. Podemos considerar este hecho el comienzo del desarrollo cientfico en el campo de la refrigeracin por absorcin. Bien es cierto, que su aplicacin para la produccin de fro no sera estudiada hasta Faraday. ste utiliz un tubo en forma de U, en un extremo del cual se aplicaba calor para aumentar la presin, mientras que en el otro se enfriaba. Demostr que se produca fro al evaporar amonaco en un extremo del tubo y absorberse en cloruro de plata en el otro extremo. En los aos posteriores apareceran varios estudios relacionados con el principio de refrigeracin por absorcin, pero fue Edmond Carr el que invent la primera mquina de absorcin en 1850, utilizando agua/cido sulfrico como par absorbente/refrigerante. No obstante, en 1859 su hermano Ferdinand Carr demostr el principio de funcionamiento de una mquina de refrigeracin por absorcin con el par amonaco/agua. Fue patentada en 1860 en Estados Unidos (Thvenot, 1979), comenzando su comercializacin en 1886. La mquina de absorcin se utiliz por primera vez a gran escala durante la guerra de secesin norteamericana, cuando los estados del Norte cortaron el suministro de hielo natural a los estados de la Confederacin. En 1925 la compaa Servel compr a AB Electrolux los derechos de explotacin del refrigerador domstico, basado en la mezcla amonaco/agua/hidrgeno, que haba sido patentado en 1921 por Platen y Munters. En 1927, Albert Einstein y Leo Szilard, disearon un nuevo ciclo, cuya patente fue asignada a Servel. El refrigerador de absorcin entr en el mercado norteamericano con ms de 4 millones de aparatos vendidos en 1926. Su produccin disminuira drsticamente a partir de 1950 debido a la aparicin de los sistemas de compresin mecnica, introducidos inicialmente por Carl von Linde, que experimentaron un espectacular desarrollo gracias a su buen rendimiento, menor tamao y a la generalizacin en el uso de la energa elctrica. El uso del Bromuro de litio/agua (LiBr/H2O) como par absorbente/refrigerante comenz en los aos 30 (Berestneff, 1949). Sera la empresa Carrier la primera en 12

2.1 Evolucin histrica

n

patentar una mquina de absorcin de LiBr/agua en 1945. En la dcada de los 60 las mquinas de absorcin de LiBr/agua se desarrollaron en base a los ciclos de simple efecto. Estas mquinas son la base de la tecnologa de absorcin. El desarrollo de la tecnologa de absorcin sufri un importante declive en Estados Unidos en los primeros aos 70. Uno de los motivos fue el desarrollo de compresores, motores y sistemas de control que consiguieron hacer mucho ms competitivas las mquinas de compresin mecnica. Pero el motivo principal fue la preocupacin poltica existente a raz de la crisis del petrleo de 1973 que se tema que existiesen recortes en la disponibilidad de gas natural; algo que posteriormente no sucedi. Sin embargo en otros pases, principalmente asiticos (Japn, China y Corea), la absorcin tuvo un importante desarrollo en el mercado de la refrigeracin, en el cual ya gozaba de una gran preponderancia. En China su desarrollo se vio reforzado por la carencia del pas de una infraestructura elctrica. En los ltimos 25 aos se ha asistido a un nuevo resurgir de la tecnologa de absorcin, debido al encarecimiento del precio del petrleo y a las consecuencias ecolgicas derivadas de su uso y explotacin. Este resurgir est fundamentado en la posibilidad de estos sistemas de accionarse directamente con energa solar o calores residuales, reduciendo de este modo las emisiones de CO2 ligadas al decremento de la demanda de energa elctrica (Izquierdo et al., 1994; Alefeld et al., 1991; Siatka, 1983). A esto se le une el hecho de que los fluidos de trabajo de estas mquinas son compuestos naturales, evitando as los efectos negativos sobre el medio ambiente en contraposicin a los refrigerantes utilizados por las mquinas de compresin mecnica CFCs y HCFCs, que destruyen el ozono atmosfrico. En este campo existen tambin los sistemas GAX que operan con la mezcla amonaco/agua (Anand y Erikson, 1999), mezcla que presenta la ventaja de poder utilizar temperaturas de evaporacin por debajo de los 0C. Sin embargo los COP obtenidos son inferiores a los de las mquinas de doble efecto de LiBr/H2O (Ziegler, 2002). Tambin ha cobrado mucha importancia en los ltimos 30 aos el accionamiento de sistemas de absorcin mediante energa solar, lo que se conoce popularmente como fro solar. Como se ha comentado con anterioridad en el captulo 1, este tipo de sistemas pueden ayudar a la reduccin en los grandes picos de consumo elctrico que se producen en verano debido a la utilizacin de los sistemas de aire acondicionado. Se 13

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

han realizado muchos estudios en este campo (Alvares y Trepp, 1987a, 1987b; Izquierdo et al., 2002; Kim, 2007). Segn Lamp y Ziegler (1998) es muy importante considerar la aplicacin de calefaccin en invierno con un sistema accionado mediante energa solar, tanto desde el punto de vista econmico como medioambiental. Por otro lado, en el campo de la refrigeracin, la nica mezcla utilizada actualmente es la de amonaco/agua (Ziegler, 1999), ya que el amonaco puede operar hasta temperaturas de -50C. Estas mquinas se desarrollan en pequeas series y de potencias elevadas. Tambin se ha de destacar la generalizacin del uso de mquinas de absorcin en instalaciones de cogeneracin para optimizar el consumo de calor, dando lugar a lo que se conoce como trigeneracin: calor, fro y energa elctrica. Las plantas de refrigeracin por absorcin usadas en la trigeneracin suelen tener potencias desde 100 kW hasta varios Megavatios (Ziegler, 2002). Otros autores (Bruno et al., 2002; Foley y Devault, 2000) auguran un nuevo desarrollo de los sistemas de cogeneracin/absorcin para aplicaciones residenciales y comerciales de pequeo tamao debido a la aparicin de nuevas tecnologas en generacin distribuida, como son las microturbinas de gas y las pilas de combustible. En los ltimos aos se ha incrementado el inters en desarrollar mquinas de absorcin condensadas por aire y que puedan ser integradas en el sector residencial y en el de la automocin. Las razones para este resurgimiento son de ndole medioambiental y de ahorro energtico 1 . Ziegler (1999) seala que las desventajas de las mquinas de absorcin siguen recayendo en su elevado peso y dimensiones, y especialmente en un elevado coste de inversin inicial.

1

Ver captulo 1

14

2 3 Ciclo de simple efecto

n

2.2

Clasificacin de las mquinas de absorcinToda clasificacin sobre un grupo determinado de elementos se efecta en

funcin de un criterio definido. Sobre las mquinas de absorcin, no existe una clasificacin unificada, ni siquiera unos criterios que coincidan de forma general. Entre los fabricantes de mquinas de absorcin es corriente utilizar indistintamente conceptos como efecto y etapa, v. gr., lo que Carrier y Yazaki denominan efecto, Trane y York lo denominan etapa. Por todo ello se ha credo oportuno comenzar ofreciendo una definicin especfica de estos conceptos: Efecto: hace referencia al generador de la mquina; dispositivo donde se produce el vapor refrigerante mediante ebullicin. P.e.: simple efecto = 1 generador; doble efecto = 2 generadores; etc. Etapa 2 : hace referencia al absorbedor de la mquina; elemento donde se produce la absorcin del vapor refrigerante. P.e.: simple etapa = 1 absorbedor; doble etapa = 2 absorbedores; etc. Los principales criterios a la hora de clasificar las mquinas de absorcin son los siguientes: En funcin del nmero de efectos (o generadores) De simple efecto: mquina de absorcin con un solo generador. De doble efecto: mquina de absorcin con dos generadores. De triple efecto: mquina de absorcin con tres generadores.

En funcin del par refrigerante/absorbente utilizado por la mquina H2O/LiBr: el refrigerante es agua y el absorbente, bromuro de litio. NH3/H2O: el refrigerante es amonaco y el absorbente, agua.

2

Por su parte, Herold et al. (1996) identifican el trmino etapa (stage) como una descripcin de la

configuracin fsica del ciclo. Efecto est reservado para describir el nivel de rendimiento del ciclo resultante.

15

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

-

LiNO3/H2O: el refrigerante es nitrato de litio y el absorbente, agua. NaSCN/H2O: el refrigerante es tiocianato sdico y el absorbente, agua.

En funcin del nmero de etapas (o absorbedores) De simple etapa: mquina de absorcin con un absorbedor. De doble etapa: mquina de absorcin con dos absorbedores. De triple etapa: mquina de absorcin con tres absorbedores.

En funcin del sistema de condensacin Condensada por agua: el fluido que provoca la condensacin del refrigerante es agua. Llevan asociadas una torre de refrigeracin. Condensada por aire: el fluido que provoca la condensacin del refrigerante es aire. En funcin la fuente de calor que suministra la potencia calorfica a la mquina De tipo directo o llama directa: utilizan el calor aportado por los productos de la combustin, para calentar la disolucin procedente del absorbedor y llevarla al punto de ebullicin. Se utiliza, para tal fin, un quemador de un combustible fsil (lquido o gaseoso). De tipo indirecto: reciben el calor necesario a travs de un elemento intermedio: un intercambiador de calor. El fluido caliente puede proceder de un fluido trmico, de la recuperacin de calor de una fuente residual, de una instalacin de energa solar, o de una caldera de gas. Un caso particular es el de las mquinas de absorcin de efecto mitad, que presentan dos generadores y dos absorbedores; pero que se denominan de este modo (efecto mitad) porque su COP es aproximadamente la mitad del de las mquinas de simple efecto. Segn Tozer (2002) si se denomina al COP en simple efecto, resulta que el COP de la mquina de efecto mitad es: COP =

(1 0,5 ) 1

Por ltimo sealar que se suelen combinar los diferentes criterios para describir con mayor precisin la mquina de absorcin. P.e.: Mquina de absorcin de llama directa (Gas-fired) de H2O/LiBr de doble efecto condensada por agua.

16

2 3 Ciclo de simple efecto

n

2.32.3.1

Ciclo de Simple EfectoDescripcin generalLa concepcin habitual de una mquina de absorcin es la de aquella que

desarrolla un ciclo frigorfico aprovechando la capacidad que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales como el Bromuro de Litio, para absorber en fase lquida vapores de otras sustancias tales como el amonaco y el agua, respectivamente. En las mquinas de absorcin el tradicional compresor mecnico es sustituido por un conjunto denominado compresor trmico (figura 2.1), formado por dos intercambiadores de calor y masa (generador y absorbedor), un recuperador de calor, una bomba y una vlvula de expansin. El funcionamiento de una mquina de absorcin es posible mediante el intercambio de calor con cuatro focos. Esto se puede apreciar en la figura anterior en los cuatro componentes que intercambian calor con el exterior: generador, absorbedor, condensador y evaporador; siendo sus cuatro focos respectivos: qG, TG; qABS, tABS; qCOND, tCOND; qEVAP, TEVAP. El fluido de trabajo de la mquina de absorcin es una disolucin. En el caso de la disolucin de LiBr/H2O el absorbente es el bromuro de litio y el refrigerante el agua. El funcionamiento de la mquina es el siguiente: La disolucin contenida en el absorbedor se bombea hasta el generador, que trabaja aproximadamente a la misma presin que el condensador. En el generador se transfiere calor, qG, por medio del cual la disolucin alcanza la temperatura de ebullicin separndose vapor refrigerante. La disolucin restante rica en absorbente, cierra el ciclo retornando al absorbedor, mientras que el refrigerante lo hace a travs del condensador y el evaporador, de igual forma que en una mquina de compresin mecnica. El refrigerante torna al estado de vapor en el evaporador, a baja presin y temperatura, para ser absorbido exotrmicamente en el absorbedor por la disolucin concentrada procedente del generador. El refrigerante circula sucesivamente a travs del condensador, de la vlvula de expansin, del evaporador y del absorbedor. En el condensador (proceso 1-2) el refrigerante vapor se transforma en refrigerante lquido a la temperatura de condensacin (t2) cediendo el calor de condensacin (qCOND) al foco que se encuentra a la temperatura TCOND. A continuacin 17 pasa a travs de la vlvula de expansin

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

(proceso 2-3) en un proceso isoentlpico en el cual reduce su presin evaporndose parcialmente y reduciendo su temperatura hasta la de evaporacin (TEVAP). En estas condiciones el refrigerante llega al evaporador (proceso 3-4) donde recibe el calor del local (qEVAP) que provoca su completa evaporacin a la temperatura TEVAP. En estado de vapor saturado el refrigerante accede al absorbedor, donde se pone en contacto con la disolucin concentrada procedente del generador, que absorbe el vapor y lo transforma en estado lquido (calor de condensacin), al mismo tiempo que diluye la disolucin en bromuro de litio (calor de dilucin). El calor de absorcin, que es la suma del calor de condensacin ms el calor de dilucin, se transfiere a la temperatura TABS.

Generador

Condensador

Recuperador Compresor mecnico Vlvula expansin

Absorbedor Compresor trmico

Evaporador

Figura 2.1. Comparacin entre el compresor de una mquina de absorcin (trmico) y el de una mquina de compresin mecnica.

La energa elctrica consumida por la bomba de la disolucin es despreciable frente a la que se necesita en la compresin de un vapor, debido al menor volumen especfico de la disolucin pero, a cambio, es preciso un gran aporte de calor para separar el refrigerante del absorbente en la disolucin, puesto que media una evaporacin. El recuperador de calor transfiere calor sensible de la disolucin pobre a la disolucin rica en refrigerante, con lo cual aproxima a ambos caudales a las condiciones de saturacin necesarias para la absorcin y la generacin respectivamente, reduciendo la carga trmica del absorbedor y del generador, y mejorando sustancialmente la 18

2 3 Ciclo de simple efecto

n

eficiencia. Es importante resaltar que en la mquina frigorfica de absorcin se realizan dos ciclos: el ciclo del refrigerante y el ciclo de la disolucin. El ciclo del refrigerante se inicia en el generador (1) y termina en el absorbedor (4). Por su parte, el ciclo de la disolucin transcurre entre el absorbedor y el generador, en el componente que se ha denominado compresor trmico. En el absorbedor la disolucin se diluye y en el generador se concentra. El generador y el condensador constituyen las zonas de alta presin de la mquina, mientras que el evaporador y el absorbedor constituyen las de baja presin.

2.3.2

Fluidos de trabajoLos dos pares refrigerante/absorbente ms empleados en las mquinas de

absorcin son NH3/H2O y H2O/LiBr; el primero de ellos, en aplicaciones preferentemente de refrigeracin, y el segundo, en climatizacin y bombas de calor en general. Las disoluciones de bromuro de litio en agua son conocidas desde las primeras dcadas del siglo XX. No seran introducidas en el mercado del aire acondicionado por absorcin hasta la dcada de los 50. En esta dcada se estudi su estabilidad trmica y su aplicacin a mquinas de simple efecto. En la dcada de 1970 se comenz a utilizar como fluido de trabajo del ciclo de absorcin de doble efecto. Se ha elegido el par H2O/LiBr porque presenta varias ventajas frente al NH3/H2O: EL NH3 por su carcter txico necesita utilizar sistemas indirectos. El ciclo de H2O/LiBr tiene un coeficiente de operacin mayor que el de NH3/H2O (Eber, 1967). No necesita torre de destilacin (el LiBr no se evapora en las condiciones de trabajo por su elevado punto de fusin y ebullicin). Adems no existen mquinas de NH3/H2O de doble efecto ya que las presiones que se originaran en el generador seran excesivamente elevadas. Las propiedades fsicas ms importantes involucradas en el ciclo de absorcin son la conductividad trmica, el calor especfico, la densidad, la viscosidad y la tensin superficial. Entre las propiedades termodinmicas se encuentran la presin de vapor, la entalpa, la entropa, etc. En los diagramas siguientes se representan las propiedades que se necesitan para efectuar los balances de masa y energa: diagrama PTX (presin19

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

temperatura-concentracin) (figura 2.2), diagrama hX (entalpa-concentracin) (figura 2.3), calor especfico de la disolucin (figura 2.4) y densidad de la disolucin (figura 2.5). El diagrama PTX (McNeely, 1979), tambin llamado diagrama de Dhring, representa el ciclo de absorcin en funcin de la presin de saturacin de la disolucin, la concentracin y las temperaturas de la disolucin y del refrigerante para la disolucin de LiBr/H2O. Se denomina as porque ha sido diseado utilizando la llamada regla de Dhring, la cual dice que si el punto de ebullicin de una disolucin lo representamos frente al punto de ebullicin del disolvente puro, los puntos correspondientes a distintas presiones se aproximan a una recta. Este es el diagrama recomendado por ASHRAE. En la figura 2.3 se muestra el diagrama de Merkel (McNeely, 1979), que permite calcular la entalpa de la disolucin en funcin de la concentracin y de la temperatura de la misma. Para construir dicho diagrama es necesario conocer el calor de licuacin del vapor de agua, as como los calores de dilucin y formacin de la disolucin, adems del calor especfico en funcin de la temperatura. Cabe destacar asimismo el diagrama Temperatura-entropa (T-S) desarrollado por Tozer et al. (2005) para disoluciones de LiBr/H2O, como una herramienta muy til para estudiar y optimizar este tipo de ciclos. La figura 2.4 representa el calor especfico en funcin de la concentracin. Si bien el calor especfico tambin depende de la temperatura, esta variacin es menos importante que la variacin respecto de la concentracin. La figura 2.5 muestra la variacin de la densidad de la disolucin en funcin de la concentracin y de la temperatura. Las ecuaciones obtenidas a partir de estas grficas aparecen recogidas en el Anexo II.

20

2 3 Ciclo de simple efecto

n

.Figura 2.2. Diagrama de Dhring de las disoluciones LiBr-H2O (McNeely, 1979).

21

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

Figura 2.3. Diagrama de Merkel de las disoluciones LiBr-H2O (McNeely, 1979).

22

2 3 Ciclo de simple efecto

n

Figura 2.4. Calor especfico en funcin de la concentracin (Ellington et al, 1957).

Figura 2.5. Densidad de las disoluciones acuosas de bromuro de litio (Ellington et al, 1957).

El refrigerante El agua es el lquido con mayor calor latente de evaporacin y condensacin que existe en la naturaleza. Esta caracterstica es especialmente relevante en instalaciones de climatizacin de gran tamao, ya que el caudal de refrigerante que circula por el

23

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

sistema es menor que cuando se utiliza cualquier otro refrigerante. Tiene el inconveniente de que la temperatura de evaporacin debe ser superior a 0C, lo cual le impide trabajar en refrigeracin. Por esta razn las mquinas de absorcin de LiBr/H2O trabajan con temperaturas de evaporacin superiores a 0C, entre 4 y 10C. Como la presin de vapor absoluta a estas temperaturas est comprendida entre 400 y 900 Pa, el volumen especfico en el evaporador es muy grande, del orden del 200 m3/kg. Por el contrario el condensador trabaja con presiones absolutas entre 4.000 y 10.000 Pa, lo cual implica que el volumen especfico del refrigerante es unas cinco veces inferior al del evaporador. El absorbente El absorbente en la disolucin es el bromuro de litio, una sal de color blanco con gran afinidad por el agua. El punto de fusin del LiBr se encuentra en 535C y el punto de ebullicin del orden de 2200C, siendo su presin de vapor extremadamente baja. Es miscible con el agua hasta concentraciones elevadas (75%) y se diluye con gran facilidad. Por ltimo destacar que se estn dedicando ingentes esfuerzos en investigacin para el desarrollo de esta tecnologa con nuevos fluidos de trabajo que puedan resultar ms convenientes que los usados hasta ahora, como los trabajos presentados por de Lucas et al.(2005) y Koo et. al.(1998). Inconvenientes de la disolucin de LiBr/agua La curva que aparece a la derecha en el diagrama PTX es el lmite de cristalizacin (figura 2.2). Si se supera esta lnea se formarn cristales en la disolucin. Esta zona est comprendida entre el 65 y 70% de concentracin de bromuro de litio y para temperaturas comprendidas entre 48 y 105 C. La mquina se disea para trabajar fuera de esta zona para evitar la formacin de cristales en la disolucin. Estas disoluciones son muy corrosivas en presencia de oxgeno. Esta corrosin se atena durante las condiciones normales de funcionamiento del ciclo: 600-900 Pa en el evaporador, y 4-10 kPa en el condensador. Por ello es necesario aadir a la disolucin algn inhibidor de corrosin.

2.3.3

Balances de masa y energaEn la figura 2.6 se muestra el esquema de una mquina de Bromuro de

Litio/agua de simple efecto condensada por agua. En este esquema aparecen 24

2 3 Ciclo de simple efecto

n

numerados los diferentes estados que por los que pasan, tanto la disolucin como el refrigerante. Mediante la aplicacin del primer principio de la Termodinmica y el principio de conservacin de la masa a todos los componentes de la mquina se obtienen los balances de energa y masa en cada uno de los componentes: Generador El generador es un intercambiador de calor que se ocupa, como su propio nombre indica, de generar vapor refrigerante. Sobre este componente se suministra energa en forma de calor, qG , suministrada por el foco que se encuentra a una temperatura TG. Este calor puede proceder de la combustin de combustibles fsiles, calores residuales, o incluso calor renovable obtenido de la conversin de la energa solar, la biomasa, el calor de origen geotrmico,etc. Esta transferencia de calor al circuito de la disolucin de LiBr/H2O provoca la ebullicin de una parte del agua contenida en ella. Admitiendo que el refrigerante en el estado 1 (figura 2.6) es refrigerante puro se deriva que por cada md kg de disolucin con los que se alimenta el generador, se separan mr kg de disolvente, retornando (md- mr) kg al absorbedor.

& QG8

G 7

1 COND

2

& QCOND

R9 6 3 10 ABS 5 4 EVAP

& Q ABS

& QEVAP

QC

Espacio a climatizar

Figura 2.6. Esquema de una mquina de absorcin de LiBr/H2O de simple efecto condensada por agua

Un balance de energa y de masa en este componente permite encontrar las siguientes 25

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

relaciones,QG + m d h7 m r h1 (m d m r ) h8 Q p = 0

Siendo md = m7 y mr = m1 . Adems Q p es el calor transferido por el generador al ambiente. Como se considera que el generador es adiabtico, esto implica que Q p = 0, y despejando queda, QG = mr (h1 h8 ) + md (h8 h7 ) Por otra parte, si se realiza un balance de masa de refrigerante en el generador,m d X r _ ABS = (m d m r ) X r _ G + m r(2.2) (2.1)

Si se denomina a la concentracin de absorbente en el absorbedor XABS y en el generador XG se puede escribir la siguiente relacin entre el caudal de disolucin y el de refrigerante (R),

R=

md XG = mr X G X ABS

(2.3)

Esta ecuacin representa la relacin entre el caudal de la disolucin que circula entre el absorbedor y el generador, y el caudal de refrigerante producido en el generador.

& Considerando el caudal de refrigerante producido, mr , igual a 1 kg/s permite calcularel caudal de disolucin bombeado por cada kg/s de refrigerante producido en el generador:R = md = & XG X G X ABS(2.4)

El caudal de refrigerante real que circula por la mquina se obtiene a travs de la & relacin entre la carga trmica del local, Qe , y el calor especfico de evaporacin,

mr = &

& QEVAP q EVAP

(2.5)

Siendo el caudal de disolucin bombeado entre el absorbedor y el generador igual a,& & md = R mr

(2.6)

26

2 3 Ciclo de simple efecto

n

Absorbedor El absorbedor es el componente crtico de la mquina, ya que es el correcto funcionamiento de la mquina depende de su buena capacidad para absorber el vapor refrigerante procedente del evaporador. Para ello debe optimizarse conjuntamente la transferencia de masa y de calor, ya que la capacidad de absorcin de refrigerante est ntimamente ligada a la temperatura de absorcin. El absorbedor se alimenta, por un lado con el caudal de disolucin (mdmr) con entalpa h10 procedente del generador y, por otro lado, con el vapor refrigerante mr procedente del evaporador. Del absorbedor se extrae el caudal de disolucin diluida md con entalpa h5. El balance de energa es, Q ABS + m r h4 m d h5 + ( m d m r ) h10 Q p = 0

Como el absorbedor se considera adiabtico las prdidas por calor el ambiente se eliminan y la expresin queda, Q ABS = mr (h4 h10 ) + md (h10 h5 ) Recuperador de calor de la disolucin Este componente se utiliza para precalentar la disolucin antes de acceder al generador aprovechando la mayor temperatura de la disolucin concentrada que retorna del generador. El recuperador produce dos efectos beneficiosos: adems de acercar la disolucin diluida al punto de ebullicin que alcanzar en el generador, enfra la disolucin concentrada en su retorno al absorbedor. Se disea para trabajar con una eficiencia, , que se define como el cociente del calor ganado por la disolucin fra entre el mximo calor que en teora se podra transferir. El calor ganado por la disolucin fra es, Q R = md (h7 h6 ) Mientras que el mximo calor que se podra transferir tericamente sera, Qmax = md (h8 h6 ) La eficiencia, , ser por tanto,(2.9) (2.8) (2.7)

=

h7 h6 h8 h627

(2.10)

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

Vlvula de estrangulamiento En esta vlvula se efecta la reduccin de presin de la disolucin concentrada desde la presin en el generador a la presin del absorbedor. Es asimismo una reduccin isoentlpica, h9 = h10 Condensador El condensador es el componente donde se efecta al cambio de fase del vapor refrigerante procedente del generador. El balance de energa en el condensador es, QCOND + m r ( h1 h2 ) q p = 0(2.11)

Como ha ocurrido con los anteriores componentes, tambin el condensador es considerado adiabtico, luego se desprecian las prdidas de calor al ambiente, quedando el balance energtico, QCOND = mr (h1 h2 )(2.12)

El calor qCOND normalmente se transfiera a un foco trmico que no es otro que la atmsfera. Para que eso pueda producirse, la temperatura del fluido exterior que circula por el condensador debe ser menor a la temperatura de condensacin, TCOND. Vlvula de expansin En esta vlvula se efecta la transformacin del refrigerante en estado lquido saturado a la salida del condensador en una mezcla bifsica a la presin y temperatura de evaporacin. Este proceso es isoentlpico e irreversible, lo cual implica un aumento en la entropa del fluido. Esta irreversibilidad provoca que parte del refrigerante se transforme en vapor; vapor que pierde su capacidad de producir fro. El balance de energa en esta vlvula es, h2 = h3 Evaporador A este intercambiador accede la mezcla bifsica procedente de la vlvula de expansin. A travs de l circulan conjuntamente el vapor, que no produce efecto frigorfico alguno, y el lquido que, al hervir a la presin de evaporacin transfiere su calor latente al fluido exterior que circula por el evaporador. El balance de energa en el evaporador es, 28(2.13)

2 3 Ciclo de simple efecto

n

Q EVAP + m r ( h3 h4 ) q p = 0

Considerando adiabtico el evaporador el balance finalmente queda, QEVAP = mr (h4 h3 ) Bomba de la disolucin La misin de esta bomba es hacer circular la disolucin desde el absorbedor hasta el generador. El balance energtico en la bomba ser, wb = md (h6 h5 )(2.15) (2.14)

2.3.4

Coeficiente de Eficiencia EnergticaEl uso de la energa en mquinas de absorcin se evala a travs del Coeficiente

de Eficiencia Energtica (C.E.E.) tambin denominado Coeficiente de Operacin (COP). A travs de este parmetro se compara el efecto til del ciclo con la energa consumida para producirlo. En el caso de mquinas frigorficas, como la descrita, el COP se define como el cociente entre la potencia frigorfica obtenida en el evaporador& & ( Q EVAP ) y la potencia suministrada al generador ( QG ) ms la electricidad suministrada

& a la bomba de la disolucin ( Welec ). A su vez la electricidad consumida por la bomba es & el cociente entre la potencia suministrada a la disolucin ( Wb ) y el rendimiento de conversin de la energa elctrica a energa mecnica ( b ),

& Welec =

& Wb

b

(2.16)

El calor suministrado al evaporador es la carga trmica (kW) del local que se desea climatizar. La expresin del COP despreciando el consumo de energa elctrica frente a la energa aportada al generador ser, COP = & QEVAP & QG(2.17)

Pero si se tiene en cuenta el consumo elctrico de la mquina entonces la expresin es, COPREF = & & QEVAP mr (h4 h2 ) = & & & & & QG + Welec mr (h1 h8 ) + md (h8 h7 ) + Welec(2.18)

29

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

Por otra parte, la potencia desarrollada por la bomba de la disolucin puede expresarse en forma de potencia calorfica, determinando el calor que es necesario emplear para producir la electricidad que mueve la bomba,

& Qb =

& Welec

ce

(2.19)

Siendo ce el rendimiento de la conversin de calor a electricidad del sistema de generacin termoelctrica 3 . Por tanto el COP queda como,

COPREF =

& mr (h4 h2 ) & & & mr (h1 h8 ) + md (h8 h7 ) + Qb

(2.21)

En mquinas que trabajen como bombas de calor el efecto til se obtiene tanto del condensador como del absorbedor por lo que se calcula el COP como: COPBC = & & & & Q ABS + QCOND Q ABS + QCOND = & & & & QG + Wb QG + Qb(2.23)

Y se relaciona con el ciclo frigorfico segn: COPBC = & & & & & Q ABS + QCOND QG + Q EVAP Q EVAP = = 1+ = 1 + COPREF & & & & & & QG + Qb QG + Qb QG + Qb(2.24)

Desde que se ha comenzado a aplicar fuentes de energa de alta temperatura sobre el ciclo de simple efecto, ste ha sido objeto de varias modificaciones para maximizar su eficiencia energtica. Esto se ha conseguido mediante el empleo de intercambiadores que recuperan el calor sobrante en el absorbedor o en el generador. A estos ciclos se les denomina AHX (Absorber Heat eXchange) y GAX (Generator Absorber eXchange) (figura 2.7).

3

Este valor se estima alrededor de 0,38

30

2 3 Ciclo de efecto mitad

n

Figura 2.7. Ciclo de absorcin GAX (Kim e Infante Ferreira, 2005).

Existen diversas variantes de ciclos de absorcin, generalmente ideadas para operar a un nivel trmico ms bajo, o para superar al ciclo de simple efecto en alguna caracterstica determinada como, por ejemplo, conseguir una mayor eficiencia. Las ms destacadas son el ciclo de efecto mitad y el ciclo de doble efecto.

2.4

Ciclo de efecto mitadEl ciclo de efecto mitad se emplea cuando la fuente trmica disponible es de baja

temperatura 4 , del orden de 65-80C. Este nivel de temperaturas es tan bajo que apenas permite el funcionamiento de un sistema de simple efecto. El sistema de efecto mitad presenta tres niveles diferentes de presin (figura 2.8). La presin alta y la baja operan del mismo modo que en simple efecto. La presin intermedia es aquella a la que el generador de baja presin proporciona vapor refrigerante al absorbedor de alta presin. Aqu el vapor es absorbido de nuevo por la disolucin, y sta es enviada al generador de alta temperatura donde se produce una nueva ebullicin. El refrigerante vapor cierra el ciclo a travs del condensador y evaporador para regresar al absorbedor de baja presin.

4

Este puede ser el caso de colectores solares planos.

31

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

Figura 2.8. Esquema de un ciclo de efecto mitad (Arivazhagan et al., 2006).

Est claro que la principal ventaja de los ciclos de efecto mitad es que la temperatura a la que trabajan es inferior a cualquier otro. Sin embargo este tipo de ciclos, precisamente por trabajar con un nivel trmico tan bajo, presentan el inconveniente de tener un COP muy bajo, del orden de la mitad del que tienen las de simple efecto (Tozer, 2002).

2.52.5.1

Ciclo de doble efectoDescripcin generalUna mquina de absorcin de doble efecto se compone de dos generadores de

vapor (el de alta y el de baja temperatura), dos recuperadores de calor de la disolucin, un condensador y un subenfriador de lquido, dos vlvulas de expansin, el evaporador y el absorbedor. Los ciclos de doble efecto, como poseen dos generadores, realizan dos separaciones de vapor a partir de un aporte inicial de calor externo, de manera que se consigue un aumento notable en el COP de la mquina respecto a las de simple efecto. Pero ello implica un nivel trmico superior a las de simple efecto en el generador de alta temperatura, con el fin de que el vapor producido en este generador sea a su vez capaz de producir vapor refrigerante en el generador de baja temperatura.

32

2 5 Ciclo de doble efecto

n

El rango de temperaturas con el que trabaja el generador de alta temperatura en el ciclo de doble efecto se encuentra entre 150 y 180C (Henning, 2007). Su valor depender de la temperatura ambiente, de la carga trmica a cubrir y del tipo de condensacin con el que opere: por agua o por aire. El coeficiente de operacin se define del mismo modo que para las mquinas de simple efecto (ecuacin 2.17): COP = & QEVAP & QG

En este caso el calor aportado a la mquina ser el suministrado al generador de alta& & temperatura: QG = QGA

Por otro lado, el efecto til producido en el evaporador lo podemos desdoblar en dos: El efecto producido por la contribucin del refrigerante producido en el& generador de alta temperatura ( Q EVAPGA ) y

El efecto producido por la contribucin del refrigerante producido en el& generador de baja temperatura ( Q EVAPGB ).

Sustituyendo esto en la expresin del COP se obtiene, COP = & & & QEVAP QEVAPGA + QEVAPGB = = COPEVAPGA + COPEVAPGB & & QG QGA(2.25)

Si incluimos el consumo elctrico el COP queda,

COP =

& & QEVAPGA + QEVAPGB & & QGA + Welec

(2.26)

El hecho de que la mquina de doble efecto utilice para su funcionamiento otra fuente de calor de ms elevado nivel trmico 5 ( 150 C ), tiene como consecuencia un

5

Vase apartado 2.5

33

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

aumento del COP en un sumando igual a COPEVAPGB , que no es otro que el efecto til resultado de emplear un segundo generador. A partir de los estudios realizados por Herold et al. (1996) y Xu and Dai (1997), se puede ver representando el esquema una mquina de absorcin de doble efecto con los generadores alimentados en paralelo: el vapor de refrigerante separado en el generador de alta condensa suministrando a su vez calor al generador de baja, separando por tanto, una nueva cantidad de refrigerante de la disolucin sin consumo adicional de calor externo. En la figura 2.9 se muestra un esquema de una mquina de absorcin de doble efecto condensada por agua con todos los componentes que intervienen en su funcionamiento.

Figura 2.9. Esquema de una mquina de absorcin de LiBr/H2O de doble efecto condensada por agua (Fuente: http://www.energytechpro.com/Demo-EM/Images/AbsorptionCycle.jpg).

A partir de este esquema se describe a continuacin su funcionamiento: La disolucin contenida en el absorbedor (absorber) es aspirada por la bomba (low temp generator pump) y transportada, en primer lugar, hacia el generador de baja 34

2 5 Ciclo de doble efecto

n

temperatura. Una vez all, la disolucin hervir debido al calor transferido por el vapor refrigerante producido en el generador de alta temperatura. A continuacin, parte de la disolucin concentrada ser transportada por otra bomba al generador de alta temperatura donde se producir el vapor refrigerante a alta temperatura. El resto retornar al absorbedor, pasando previamente por el recuperador de calor de baja temperatura (low temp hx), donde se enfriar la disolucin antes de su entrada al absorbedor. Por tanto, est maquina tiene una distribucin de la disolucin serie: en primer lugar, la disolucin circula a travs del generador de baja temperatura (low temperature generator) y, a continuacin, por el de alta. El generador de alta temperatura (high temperature generator) es aquel que recibe el calor del foco trmico de alta temperatura (qCOND , TCOND). El vapor refrigerante producido en el generador de alta es el causante de la ebullicin de la disolucin en el generador de baja. El efecto en el generador de baja temperatura es doble, ya que este vapor procedente del generador de alta temperatura, al transferir el calor al de baja temperatura se condensa. Por tanto, el generador de baja es generador y condensador al mismo tiempo. El vapor refrigerante, producido en el generador de baja temperatura, circula despus hacia el condensador, donde cede su calor latente al agua de refrigeracin (cooling water) y cambia de estado. El refrigerante producido en los dos generadores, ya en estado lquido, es conducido hasta el evaporador (evaporator) donde es rociado mediante unos sprays sobre un intercambiador de tubos. Por el interior de estos tubos circula agua (chilled water) que cede calor sensible al refrigerante, qEVAP, y provoca su ebullicin a la presin y temperatura de evaporacin (TEVAP, PEVAP). Ya en estado de vapor saturado, el refrigerante vuelve al absorbedor donde entra en contacto con la disolucin concentrada procedente de los dos generadores, resultando absorbido por la misma, diluyndola (calor de dilucin) y transformndose en estado lquido (condensacin). El calor de absorcin es la suma de estos dos calores: el de dilucin ms el de condensacin (ec. 2.7). Los balances de masa y energa en este tipo de ciclos son desarrollados en profundidad en los captulos 4 y 5.

35

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

2.5.2

Clasificacin de las mquinas de absorcin de doble efectoAntes de comenzar a describir este tipo de mquinas de absorcin se presenta

una clasificacin de las mismas, en base a dos criterios de los cuales han derivado 4 tipos distintos: Por la distribucin del caudal de la disolucin hacia los dos generadores:

Las opciones que se presentan son bsicamente dos: flujo paralelo y flujo serie. Por el sistema de condensacin empleado:

En este caso las dos opciones son: condensacin por agua y condensacin por aire. Flujo paralelo Una de las ms importantes decisiones a tomar cuando se trata de disear una mquina de absorcin de doble efecto es el modo de distribuir la disolucin que circula desde el absorbedor hacia los dos generadores. En este tipo de configuracin la disolucin procedente del absorbedor se divide en dos circuitos; uno hacia el generador de alta temperatura y otro hacia el de baja (figura 2.10). Segn Herold et al. (1996) las mquinas de doble efecto con distribucin de flujo paralelo desarrollan un COP mayor que las de flujo en serie. Esto mismo es ratificado en un trabajo posterior llevado a cabo por Arun et al. (2001). Este tipo de configuracin presenta mayores beneficios desde el punto de vista termodinmico y de transferencia de calor que la configuracin serie, si bien necesita mayor complejidad en el sistema de control (Herold et al., 1996).

36

2 5 Ciclo de doble efecto

n

Figura 2.10. Esquema del ciclo de una mquina de absorcin de doble efecto con distribucin de flujo paralelo (Fuente: http://www.eere.energy.gov/de/thermally_activated/tech_basics.html).

Flujo serie En la configuracin serie todo el caudal de disolucin es conducido, en primer lugar, al generador de alta temperatura y, posteriormente, al de baja temperatura (figura 2.11). Por otro lado el generador de alta temperatura debe alcanzar una temperatura lo suficientemente elevada para proporcionar el calor necesario al generador de baja el cual haga hervir la disolucin. Por otra parte, tanto las mquinas de doble efecto paralelo como las de distribucin en serie se pueden dividir en dos tipos segn el sistema de condensacin: condensadas por agua y condensadas por aire.

37

Captulo 2 Fundamentos de la tecnologa de absorcin

Figura 2.11. Esquema del ciclo de una mquina de absorcin de doble efecto con distribucin de flujo serie (fuente: http://www.eere.energy.gov/de/thermally_activated/tech_basics.html).

Condensadas por agua Las mquinas condensadas por agua son aqullas que utilizan el agua para condensar el vapor refrigerante producido en el generador de baja temperatura, as como para refrigerar la disolucin en el absorbedor. Este tipo de sistema de condensacin lleva asociado una torre de enfriamiento donde se evacua a la atmsfera el calor absorbido. La condensacin por agua es la mayoritariamente empleada por las mquinas de absorcin hasta la fecha, por sus buenas prestaciones. Si bien en los ltimos aos, debido a la estricta reglamentacin sobre las torres de refrigeracin, cada vez estn apareciendo ms trabajos de investigacin sobre mquinas condensadas por aire. Condensadas por aire Las torres de refrigeracin, aparte del problema de su ubicacin debido a su gran volumen, presentan el inconveniente de su exhaustivo mantenimiento ya que en ellas es muy frecuente la aparicin de la bacteria denominada Legionella (la legislacin al respecto es muy estricta). Adems son unas de las principales responsables de que la tecnologa de la absorcin no haya conseguido implantarse en el mercado domstico. Los sistemas condensados por aire presentan la gran ventaja de poder funcionar prescindiendo de la torre de refrigeracin. Esta es la razn por la cual cada vez ms la investigacin en su desarrollo se est convirtiendo en un tema de mximo inters.

38

3.1 Las mquinas de absorcin de pequea potencia condensadas por agua

n

Captulo 3

3 ESTADO DEL ARTE

El estado del arte de la materia que abarca esta tesis pretende exponer la situacin actual de las mquinas de absorcin de baja potencia, describiendo en primer lugar los modelos clsicos condensados por agua, para terminar focalizando sobre los avances logrados en las mquinas condensadas por aire. Esto es analizado desde dos puntos de vista: por un lado, se hace hincapi en la informacin existente en la literatura especializada que ha conducido al desarrollo de dicha tecnologa; y, por otro lado, se analiza la presencia de estas mquinas en el mercado, examinando los modelos existentes y sus caractersticas principales.

39

Captulo 3 Estado del arte

3.1 Las mquinas de absorcin de pequea potencia condensadas por aguaEn este apartado se analizan las mquinas de absorcin de pequea potencia que estn condensadas por agua y que ya estn operativas en el mercado.

3.1.1 Simple efectoLos principales modelos de mquinas de absorcin de simple efecto condensados por agua de baja potencia que estn operando actualmente en el mercado son los que aparecen representados en la tabla 3.1.Tabla 3.1.Mquinas de simple efecto de baja potencia condensadas por agua.

Marca

& QEVAP(kW)

Disolucin

Fuente de calor Combustibles fsiles, calores residuales, renovables (solar, biomasa) ,

TG (C)

T agua fra (C)

COP Tamao

Otras caractersticas Consumo elctrico