Cálculo de una instalación frigorífica por absorción NH3

IER
Curso Pre-Congreso ISES-ANES
Universidad del Caribe
31 de octubre al 2 de noviembre de 2013
Cancún, Quintana Roo, México
Cálculo de una instalación frigorífica por absorción
NH3 – H2O
para la producción de hielo
Isaac Pilatowsky Figueroa
Roberto Best y Brown
ipf@cie.unam.mx,, rbb@ier.unam.ma
ipf@cie.unam.mx
Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, Departamento de Sistemas
Energéticos, Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de
México
Sesión IV
Cálculo de una instalación
frigorífica por absorción
Amoniaco - Agua
Requerimientos de enfriamiento
Climatización
de espacios
Refrigeración y conservación de perecederos
Refrigeración en procesos industriales
Producción de hielo
Congelación
Cálculo de la potencia de enfriamiento
para producción de hielo
Datos de entrada
Masa del hielo a formar: MH
Temperatura de diseño (por debajo de 0ºC),
basada en la caída de temperatura debida al
intercambio térmico: TDE
Temperatura inicial del agua TIA
Capacidad de producción, MH/unidad de tiempo
Cálculo de la potencia de enfriamiento
para producción de hielo
A) Enfriamiento sensible (qsi ) de la temperatura inicial del
agua TIA a la temperatura de congelación TC (0ºC).
qs i = ma C p (TIA − TC )
B) Calor latente de solidificación qS en donde λ es el calor de
solidificación del agua a 0 ºC.
qS = maλ
Cálculo de la potencia de enfriamiento para
producción de hielo
d) Enfriamiento sensible de la TC a la temperatura de
diseño de enfriamiento TDE.
qSE = ma Cp (TC − TDE )
e) Potencia total qT
qT = q si + q s + q se
Cantidad de amoniaco necesaria para la
producción de hielo
Capacidad de enfriamiento
La energía especifica qEE de enfriamiento por unidad de
masa de refrigerante, es equivalente a su calor de
vaporización en kJ/kg
q EE = hVTE − h LTE
En donde hVTE y hLTE corresponden a las entalpías del
vapor y la del líquido a la temperatura de evaporación TE .
Cantidad de amoniaco necesaria para la
producción de hielo
Durante el proceso de transportar el refrigerante líquido a las condiciones de
condensación a las de evaporación a través de la válvula de expansión, este
sufre un enfriamiento qP en función de la diferencia de presiones, produciéndose
una pérdida en la capacidad de enfriamiento la cual se le extrae al calor de
vaporización..
vaporización
q P = m R C p R (TC − T E )
Todas las propiedades corresponden al amoniaco. En el caso del calor
específico este es un promedio entre TE y TC.
La capacidad de enfriamiento disponible es:
q EED = ( hVTE − h LTE ) − q P
Cantidad de amoniaco necesaria para la
producción de hielo
Una forma más directa de efectuar el cálculo de qEED
equivalente a hEED
h EED = h VTE − h LTC
Por lo tanto la cantidad de amoniaco en circulación a través
del ciclo de refrigeración es, la potencia requerida para la
formación de hielo entre la capacidad de vaporización del
amoniaco por unidad de masa.
m
A
/ tiempo
q T / tiempo
=
h EED
Ciclo termodinámico
El ciclo de refrigeración por absorción puede ser con un
funcionamiento intermitente o continuo y ser un ciclo
básico a una etapa o múltiples etapas y contener o no
intercambiadores de calor tanto para la recuperación de
calor sensible o latente.
latente. En este caso se seleccionará un
ciclo continuo a una etapa con intercambiadores de calor
entre el generador y el absorbedor y entre el condensador y
el evaporador, como el representado en la figura 1.
Ciclo de refrigeración por absorción continuo a una etapa con
intercambiadores de calor
1
Rectificador
TR
QC
Condensadoror
TC
QR
2
15
14
Subenfriador
QG
QSC
Generador
TG
3
11
5
10
Precalentador
QI
4
Evaporador
QE
TE
5’
12
9
13
QA
8
Absorbedor
TA
7
6
GENERADOR
(rectificador)
14
15
GENERADOR
11
m 10 + m 15 = m 14 + m 11
m10 X 10 + m15 X 15 = m14 X 14 + m11 X 11
10
(intercambiador de calor)
Q G = m& 14 h14 + m& 11 h11 − m& 10 h10 − m& 15 h15
RECTIFICADOR
(condensador)
RECTIFICADOR
1
15
14
(generador)
m& 14 = m& 1 + m& 15
m& 14 X 14 = m& 1 X 1 + m& 15 X 15
QR = m& 14h14 − m& 1h1 − m& 15h15
CONDENSADOR
CONDENSADOR
(rectificador)
1
2
(válvula de expansión)
m& 1 = m& 2
m& 1 X 1 = m& 2 X
2
Q C = m& 1 h1 − m& 2 h 2
INTERCAMBIADOR DE CALOR LÍQUIDO-VAPOR
(absorbedor)
5’
efectividad
(condensador)
2
η ILV
h5 − h5 '
=
h5 − h5 ' − 2
m& 2 h2 + m& 5 h5 = m& 3 h3 + m& 5' h5'
3
5
(absorbedor)
& r (h2 − h3 ) = m
& 5 (h5' − h5 )
QILV = m
VÁLVULA DE EXPANSIÓN
(condensador)
3
h3 = h 4
4
(evaporador)
EVAPORADOR
(intercambiador
de calor,
líquido-vapor) (Válvula de expansión)
& 4 = m& 5 + m
&6
m
4
5
& 4 X4 = m
& 5 X5 + m
& 6 X6
m
EVAPORADOR
Q E = m& 5 h 5 + m& 6 h 6 − m& 4 h 4
6
(absorbedor)
ABSORBEDOR
(intercambiador líquidolíquido/válvula de expansión)
( bomba/intercambiador líquido-líquido)
13
8
(evaporador)
ABSORBEDOR
7
m& 8 = m& 7 + m& 13
m& 8 X 8 = m& 7 X 7 + m& 13 X 13
Q A = m& 7 h 7 + m& 13 h13 − m& 8 h8
VÁLVULA DE EXPANSIÓN
(intercambiador
de calor,
líquido-líquido)
12
m& 12 = m& 13
X 12 = X 13
h12 = h13
13
(Absorbedor)
BOMBA
(intercambiador
de calor,
líquido-líquido/
generador)
m& 8 = m& 9
9
X8 = X9
(Absorbedor)
8
h8 = h 9
INTERCAMBIADOR LÍQUIDO-LÍQUIDO
(generador)
m& 9 = m& 10 = m& S
10
11
m& 11 = m& 12 = m& w
m& 9 h9 + m& 11h11 = m& 10 h10 + m& 12 h12
QILL = m& w (h11 − h12 ) = m& S (h10 − h9 )
12
(válvula
9
de expansión/ ( Bomba/absorbedor)
absorbedor)
η ILL
h11 − h12
=
h11 − h12 − 9
Rendimiento térmico
QG
∆S = −
TG
QG , TG
B
G
BOMBA
WP
FUENTE TÉRMICA
FLUIDO DEL
SISTEMA
QE , TE
E
∆S = −
QE
TE
ESPACIO A ENFRIAR
A
QA , TA
AMBIENTE
Qa
∆Sa =
Ta
Calor disipado al ambiente
Q a + QC
QG + QE + WP
Calor absorbido
∆S = ∆SG + ∆S E + ∆S E ≥ 0 = −
Q G (T G − T a
TG
COP =
)≤
Q
E
(T a
QG QE QE
−
+
≥0
TG TE TE
− TE
TE
)− W
Q E TE (TG − Ta )
≤
QG TG (Ta − TE )
COPmax
(
TG −Ta )
=
•
TG
TE
(Ta −TE )
P
Si
WP ≅ 0
Eficiencia termodinámica
QE
COP =
QG + WP
QE
h6 − h4
COPRE =
=
QG + WP h14 + ( FR − 1)h11 − h10 − ( FR )h15 + WP
mA
FR =
m RE
FR =
X RE − X D
XC − XD
Solvente en circulación
La cantidad específica del solvente circulando en relación a una
unidad de masa de vapor de refrigerante, en el caso de la cantidad
de solución concentrada, llevada por la bomba de la solución del
absorbedor al generador, está representada por la relación:
X V − X SD
f =
X SC − X SD
La cantidad específica de la solución saliendo del generador por unidad de
refrigerante evaporado, , correspondiendo a la solución diluida regresando al
absorbedor a través de la válvula de expansión de la solución , está dada por:
XV − XSC
f −1=
XSC − XSD
Diagrama entalpia-concentración para el sistema amoniaco-agua
Mezclas de vapores
Mezclas líquidas
Mezclas sólidas