Sistema de refrigeración por absorción
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REFRIGERACION POR ABSORCION Sistema de refrigeración por absorción Funcionamiento de una máquina de aire acondicionado a absorción Desde hace más de veinte años, las máquinas comercializadas de más rendimiento (japonesas o construidas bajo licencia en los Estados Unidos) son o bien las de tipo amoníaco / agua, o "de efecto simple", o bien máquinas agua / bromuro de litio, o "de doble efecto". Refrigeración con Amoníaco El amoníaco tiene un coeficiente de transferencia de calor mayor que el R-22, por sus propiedades termodinámicas y de transporte La refrigeración es un proceso conocido de mucho tiempo atrás. En el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday J.M.Arroyo Rosa Página 1 REFRIGERACION POR ABSORCION (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío. En 1834, Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la primera máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolla una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso. El Amoníaco fue el primer refrigerante utilizado en plantas de refrigeración por medio de compresión mecánica en 1876 por Carl von Linde. Desde entonces, se ha venido utilizando en grandes plantas de refrigeración como son lecherías, cervecerías, rastros y otros lugares con grandes demandas de enfriamiento. Al día de hoy, el amoníaco permanece como el refrigerante más utilizado en sistemas de refrigeración industrial para procesar y conservar la mayoría de los alimentos y bebidas. El amoníaco ha estado en el liderazgo de los avances de la tecnología en refrigeración, siendo parte esencial del procesamiento, almacenamiento y logística de distribución de los alimentos. Clasificado por ASHRAE con R-717, dentro del grupo de refrigerantes naturales, no destruye la capa de ozono y no contribuye al efecto invernadero asociado al calentamiento global. De hecho el amoníaco, es un compuesto encontrado en la naturaleza comúnmente. Es esencial en el ciclo del nitrógeno de la tierra y su liberación a la atmósfera es inmediatamente reciclada. Esto lo hace consistente con los acuerdos internacionales respecto a la reducción del calentamiento global y destrucción de la capa de ozono. Una adecuada evaluación del impacto ambiental de los refrigerantes y los sistemas de refrigeración requiere la consideración tanto de su impacto directo como indirecto en el calentamiento global. Directamente los sistemas de refrigeración contribuyen al calentamiento global, a través del efecto invernadero causado por las fugas de gases refrigerantes. Indirectamente contribuyen al calentamiento global por la producción de emisiones de dióxido de carbón como resultado de la conversión de combustibles fósiles en la energía requerida para operar los sistemas de refrigeración. El “impacto total equivalente de calentamiento” o TEWI, es definido como la suma de estas contribuciones directas e indirectas. El valor TEWI del amoníaco es muy bajo, ya que por sí mismo no contribuye al calentamiento global. Debido a sus características termodinámicas favorables, los sistemas de refrigeración con amoníaco emplean menos energía que los otros refrigerantes comunes. Como resultado, hay un beneficio indirecto al calentamiento global debido a las menores emisiones de CO2 de las plantas generadoras de electricidad. J.M.Arroyo Rosa Página 2 REFRIGERACION POR ABSORCION Propiedades del Amoníaco • Temperatura de autoignición: Límite Inferior de Inflamabilidad (LII): de Inflamabilidad (LSI): 25% 690°C (1274° F)• 16%• Límite Superior El Amoníaco es un combustible moderado, y considerado por expertos dentro del sector químico industrial relativamente como no combustible. La energía de combustión del amoníaco es menor que su energía de autoignición, esto significa que el amoníaco no puede mantenerse encendido por sí mismo sin una fuente externa de ignición, aunque la misma fuente haya iniciado el fuego. El Amoníaco en altas concentraciones es extremadamente tóxico, pero su fuerte olor es una excelente alarma. La concentración de amoníaco donde su olor no puede ser soportado (alrededor del 0.03% en volumen), no es dañino, siempre y cuando se esté expuesto a él sólo por un periodo de tiempo limitado (aún después de más de una hora, no hay efectos negativos notorios en la salud de las personas). El costo del amoníaco es mucho menor que cualquier refrigerante sintético, de manera general cuesta de un 10 a un 20% menos en instalación. Termodinámicamente, el amoníaco es de 3 a 10% más eficiente que los otros refrigerantes; como resultado, un sistema de refrigeración de amoníaco tiene menor consumo eléctrico. El costo del amoníaco por sí mismo es significativamente menor que el de los otros refrigerantes, y se requiere de una menor cantidad para la misma aplicación que otros refrigerantes y al ser una sustancia natural, no tiene una fecha límite en que se pueda producir o usar, a diferencia de otros refrigerantes sintéticos cuyo uso o producción está limitada a una cierta cantidad de años. Tabla 1: Propiedades Termodinámicas (-8°C) PROPIEDAD AMONÍACO Calor específico (KJ/Kg °C) 4.65 Conductividad térmica 0.55 (W/m °C) Viscosidad (cP) 0.20 R-22 1.15 0.10 0.25 Tabla 2: Coeficiente de Transferencia de Calor (W/m2 °C) AMONÍACO R-22 Condensando en el exterior de los tubos 3500-7000 1000-2000 Condensando en el interior de los tubos 2500-6000 1000-1800 Evaporando en el exterior de los tubos (Circula- 600-6000 300-3500 ción con bomba) Evaporando en el interior de los tubos (Circula- 1000-6000 450-1800 ción con bomba) J.M.Arroyo Rosa Página 3 REFRIGERACION POR ABSORCION Tabla 3: Coeficiente de funcionamiento o de efecto frigorífico* COP TEÓRICO (+30/-15° C) Capacidad de enfriaCOP = mientoConsumo de = kWkW energía Amoníaco R-22 3.37 3.18 *La cantidad de refrigeración obtenida de una máquina dividida entre la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración (ASHRAE, 1993) El amoníaco tiene un coeficiente de transferencia de calor mayor que el R-22, principalmente por sus propiedades termodinámicas y de transporte. Los valores para estas propiedades en relación con el R-22 son las siguientes: • Calor específico de líquido y vapor: 4a1 • Calor latente en la vaporización: 6a1 • Conductividad líquida termal: 5.5 a 1 • Viscosidad: 0.8 a 1 • Densidad liquida: 0.5 a 1 La tasa de flujo de la masa para una capacidad de refrigeración dada de amoníaco es de 1/7 menos que el R-22, lo que tiene un efecto significante sobre el tamaño de las tuberías y sobre la circulación del líquido. Esto significa que sólo 1/7 del líquido necesita ser bombeado para una capacidad de refrigeración dada, resultado de esto, es una bomba de menor tamaño que utiliza menos potencia, y en tuberías de menor tamaño. Plantas de Refrigeración con Amoníaco Las plantas de refrigeración por compresión (ver figura 1) constan de un evaporador, en el que se evapora el refrigerante (amoníaco) produciendo frío; un sistema de compresión para transportar el vapor a baja presión del evaporador al condensador a alta presión; y el condensador en el que condensa el refrigerante disipando el calor generalmente mediante torres de refrigeración. J.M.Arroyo Rosa Página 4 REFRIGERACION POR ABSORCION Figura 1. Refrigeración por compresión Las plantas de refrigeración por absorción (ver figura 2) precisan de un fluido refrigerante y un fluido absorbente. Los pares de fluidos refrigerante/absorbente más usados son el par agua/bromuro de litio y el par amoníaco/agua. En las plantas que usan el primer par, el refrigerante es el agua por lo que estas plantas se usan para aplicaciones a temperaturas por encima de 0°C, utilizándose principalmente para la climatización. J.M.Arroyo Rosa Página 5 REFRIGERACION POR ABSORCION Figura 2. Refrigeración por absorción Las plantas de refrigeración con amoníaco/agua lo usan como refrigerante y tienen el campo de aplicación desde 0°C hasta -70°C. En plantas de refrigeración por absorción el compresor mecánico es sustituido por un compresor químico o térmico. El vapor de baja presión procedente del evaporador, en vez de ser comprimido por un compresor mecánico, es absorbido por una solución diluida de amoníaco y agua en el absorbedor. La solución cuya concentración ha aumentado es bombeada al desorbedor, donde será calentada hasta su ebullición. Siendo el amoníaco la componente más volátil en el desorbedor se produce vapor de amoníaco, que condensa en el condensador cerrando así el ciclo de refrigeración. El calor producido en el condensador y en el absorbedor suele ser disipado mediante torres de refrigeración, mientras que el calor aportado en el desorbedor es calor residual procedente, por ejemplo de una planta de cogeneración. El amoníaco como refrigerante tiene la gran ventaja de poder producir refrigeración a temperaturas de hasta -70°C. Para alcanzar estas temperaturas hacen falta sistemas de compresión de varias etapas, por lo que dichas plantas son relativamente complejas. Así la operación en continuo de dichas plantas es una problemática, pues prácticamente no existen aceites compatibles con el amoníaco, que tengan J.M.Arroyo Rosa Página 6 REFRIGERACION POR ABSORCION cualidades lubricantes a la temperatura de los compresores y una baja viscosidad a -60°C. El aceite que suele acumularse en evaporadores únicamente puede decantarse si se eleva temporalmente la temperatura. Todo ello encarece las plantas de compresión y hace necesario un mantenimiento muy riguroso para poder garantizar la fiabilidad necesaria. Especialmente a estas temperaturas las plantas de refrigeración por absorción tienen grandes ventajas comparadas con las de refrigeración por compresión. Por una parte pueden alcanzar temperaturas de hasta -70°C en una simple etapa y por otra parte no precisan aceites lubricantes por lo que pueden operar en continuo sin necesidad de paradas. Tradicionalmente siempre se han empleado plantas de refrigeración por absorción con amoniaco en los sectores industriales en los que se precisa refrigeración a bajas temperaturas y en los que la disponibilidad de refrigeración continua es de gran importancia; en estos sectores generalmente puede aplicarse la trigeneración. En las plantas de trigeneración el calor producido por los sistemas de cogeneración se usa para cubrir los consumos de calor y para propulsar una planta de refrigeración por absorción y así cubrir también la demanda de frío. Estas plantas, al combinar el suministro de calor y de frío, tienen una gran flexibilidad, consiguiéndose una óptima utilización del calor generado en la cogeneración. En general las demandas de refrigeración a bajas temperaturas suelen ser relativamente constantes y suelen tener una gran inercia térmica. La planta de refrigeración por absorción puede regularse de tal forma que consuma todos los excedentes de calor (generalmente vapor) dando prioridad al consumo directo de vapor, consiguiéndose así un elevado aprovechamiento del calor producido en la cogeneración. Es un compuesto esencial en el ciclo del nitrógeno de la tierra, y su liberación a la atmósfera es inmediatamente reciclada. Refrigeración por Absorción: Interés Energético e Impacto Ambiental El cada vez más acelerado desarrollo tecnológico unido a las crecientes necesidades de la población mundial ha conducido a un desenfrenado e irracional uso de los recursos energéticos, siendo los sistemas de refrigeración y aire acondicionado los principales consumidores de ésta. Estos sistemas en gran número de empresas gastan de 40 a 70 % del consumo total de energía eléctrica. Los sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire, principalmente los de compresión, son una ironía técnica, pues envían más calor al planeta que frío a las necesidades de las personas. Esto supone que si seguimos utilizando los sistemas convencionales continuará el acelerado calentamiento del planeta y el deterioro de la capa de ozono. J.M.Arroyo Rosa Página 7 REFRIGERACION POR ABSORCION Existen hoy en día algunos métodos con tecnología “nueva” que hacen de las necesidades de refrigeración una opción menos contaminante. Los ciclos de absorción (ver figura 1) por ejemplo, se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, tales como el agua y sales como el Bromuro de Litio, para absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias como el Amoniaco y el agua, respectivamente. A partir de este principio es posible concebir una máquina en la que se produce una evaporación con la consiguiente absorción de calor, que permite el enfriamiento de un fluido secundario en el intercambiador de calor que actúa como evaporador, para acto seguido recuperar el vapor producido disolviendo una solución salina o incorporándolo a una masa líquida. El resto de componentes e intercambiadores de calor que configuran una planta frigorífica de absorción se utilizan para transportar el vapor absorbido y regenerar el líquido correspondiente para que la evaporación se produzca de manera continua. En estos ciclos hablamos siempre de agente absorbente, designando así a la sustancia que absorbe vapores, y de agente refrigerante, o agente frigorífico, a la sustancia que se evapora y da lugar a una producción frigorífica aprovechable. Serían absorbentes el agua y la solución de Bromuro de Litio, y refrigerantes el Amoniaco y agua destilada, en los ciclos de absorción Agua-Amoniaco y Bromuro de Litio-Agua, respectivamente. Consideraciones sobre operación y mantenimiento Uno de los rasgos característicos de la maquinaria frigorífica de absorción ha sido siempre su hermeticidad y dificultad de comprensión para los operadores. Por principio, la necesidad de confinar sustancias de cierto riesgo como el Amoniaco, y de mantener depresiones relativas muy altas en su interior, para J.M.Arroyo Rosa Página 8 REFRIGERACION POR ABSORCION conseguir la evaporación de refrigerantes, tales como el agua, a temperaturas lo suficientemente bajas para hacerlas utilizables en procesos de refrigeración es algo complejo. Los técnicos frigoristas que se encuentran por primera vez delante de una planta enfriadora por ciclo de absorción, tardan bastante tiempo en comprender que la mayoría de los criterios de servicio y “reglas del arte” válidas en la refrigeración “convencional”, no son de aplicación inmediata a las máquinas de absorción. El comportamiento de los fluidos interiores de la máquina de absorción, refrigerante y absorbente, durante el proceso de funcionamiento del ciclo está directamente condicionado por la evolución energética de los fluidos exteriores a la máquina; agua a enfriar en el evaporador, agua de la torre de recuperación, y agua caliente o vapor aportado al concentrador. El equilibrio energético entre todos los intercambiadores de calor de la máquina es el que condiciona la estabilidad del ciclo. Desde el punto de vista de su operación y mantenimiento (ver figura 2), las máquinas de absorción requieren intervenciones específicas que no son de aplicación en otro tipo de circuitos frigoríficos. Criterios Actuales de Diseño Cuando las primeras plantas de absorción aparecieron en el mercado la tecnología electrónica estaba en sus albores. Hoy en día estas dificultades de acceso e interpretación se han eliminado prácticamente, y es mucho más sencillo e inmediato analizar el comportamiento de un equipo en unas condiciones dadas. Este gran avance se debe, fundamentalmente al desarrollo y perfeccionamiento de las aplicaciones de la microelectrónica al control y gestión de la maquinaria en general, que también se ha hecho patente en las máquinas frigoríficas en los últimos años. J.M.Arroyo Rosa Página 9 REFRIGERACION POR ABSORCION La aplicación de dispositivos de control basados en microprocesadores, permite la utilización de todo tipo de sensores de temperatura, presión y concentración, y la utilización de lógicas de control que por una parte ponen al alcance de los operadores, de manera inmediata, una información importantísima e imprescindible para el manejo de la máquina, cuya obtención era como mínimo, muy laboriosa con los controles utilizados anteriormente; y por otra, facilitan un funcionamiento más estable y seguro de las máquinas. En materia de seguridad y estabilidad de funcionamiento se han aportado grandes mejoras. Así por ejemplo, se ha conseguido que los procesos de entrada en carga, puesta en régimen y parada de las máquinas, se desarrollen de manera equilibrada y sin riesgo de que se produzcan fenómenos perturbadores. Desde el punto de vista de resistencia mecánica también se han conseguido mejoras importantes. La utilización de aceros aleados de alta resistencia en la fabricación de las envolventes permite una construcción más ligera, y el empleo de tubos de materiales inoxidables o de alta resistencia a la corrosión, como el cuproníquel, en la fabricación de haces tubulares de intercambiadores de calor, facilita mejores rendimientos en la transmisión de calor al tiempo que alarga la vida útil de las máquinas. Interés Energético En todo proceso de definición de las posibles soluciones a un determinado problema de aprovechamiento de energía consumida, los considerandos que más fuertemente influyen en la decisión tanto de proyectistas como de las propiedades se relacionan principalmente como consideraciones de índole económica, fundamentalmente por el impacto producido en el ambiente. El coste inicial de una planta frigorífica de absorción es superior a la inversión hecha en un equipo de compresión mecánica de la misma capacidad. La razón para esta diferencia está basada directamente en la muy superior cantidad de materiales metálicos que son necesarios para la fabricación de los intercambiadores de calor, en equipos que se basan en procesos termodinámicos donde es menor o donde prácticamente no existe aportación del equivalente térmico del trabajo mecánico. Sin embargo, cuando se analizan los costes de explotación a partir del valor de las energías consumibles, la balanza puede desplazarse a favor de los equipos de absorción, si se dan las condiciones de partida necesarias. Por otra parte, el concepto de COP (Coefficient of Performance) en refrigeración, es sinónimo de Eficiencia Energética en el evaporador. COP que se define “oficialmente” como: “La cantidad de refrigeración obtenida de una máquina dividida entre la cantidad de energía que se requiere aportar respectivamente para conseguir esta refrigeración” (de acuerdo con la ASHRAE). En este cómputo no se incluyen los consumos auxiliares de energía eléctrica necesarios para que se realice el funcionamiento de bombas y ventiladores. J.M.Arroyo Rosa Página 10 REFRIGERACION POR ABSORCION Los COPs esperables de los ciclos de absorción son también muy bajos comparados con los de los ciclos de compresión mecánica. En máquinas de absorción de una etapa, con Bromuro de Litio, no se superan COPs de 0,7. En ciclos de baja temperatura Amoniaco / Agua se consiguen valores de COPs de 0,5 y pueden alcanzarse máximos de 0,8. Los sistemas de absorción (ver figura 3) además de permitir utilización de energías térmicas que serian evacuadas a la atmósfera de no utilizarse estos sistemas para su recuperación y aprovechamiento, evitan el consumo de energías más caras, fósiles o eléctricas, dando lugar a un doble ahorro; uno por la recuperación de energías desechables y otro por la reducción de consumos primarios en la producción de energía eléctrica, para producción de frío. Descripción del ciclo de absorción Los ciclos termodinámicos de enfriamiento, tanto el de compresión como el de absorción, permiten sacar calor del espacio que quiere enfriarse y llevarlo a otro lugar donde se disipa. Para hacerlo, ambos sistemas aprovechan la necesidad de un fluido, utilizado como refrigerante, de obtener calor del entorno para pasar del estado líquido al de vapor al ser introducido en un espacio a más baja presión. Mientras que en el ciclo de compresión la diferencia de presiones se obtiene con un compresor mecánico, en el de absorción se consigue aportando calor a una mezcla del refrigerante y otra sustancia que se caracteriza por tener una gran afinidad con aquel y absorberlo fácilmente. En el generador donde se aporta el calor, el refrigerante se separa del absorbente por ebullición y, por la presión generada, recorre el circuito de alta presión donde se condensa (como en el ciclo de compresión) hasta evaporarse de nuevo en la zona de baja presión, donde se asocia con el absorbente para volver juntos y en estado líquido al generador J.M.Arroyo Rosa Página 11 REFRIGERACION POR ABSORCION . J.M.Arroyo Rosa Página 12 REFRIGERACION POR ABSORCION El ciclo de absorción no es un descubrimiento reciente, ya que el primer antecedente es el experimento realizado por el escocés William Cullen en el año 1755, cuando consiguió obtener una pequeña cantidad de hielo en una campana mantenida a una presión reducida. Pero, de hecho, fue el francés Ferdinand Carré quien en 1890 construyó la primera máquina de absorción para la fabricación de hielo. En la evolución del ciclo de absorción se han experimentado diversas parejas de refrigerante/absorbente, pero comercialmente hay únicamente dos: la formada por el agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente, y la que utiliza el amoníaco como refrigerante y agua como absorbente. Cada una de estas dos técnicas tiene sus peculiaridades. Mientras la utilización del agua como refrigerante limita la temperatura de evaporación por encima de 0°C, permite, en cambio, una mayor eficiencia energética que la que se consigue con el ciclo de amoníaco que, por su parte, presenta la ventaja de poder bajar las temperaturas muy por debajo de 0°C y condensar a temperaturas más altas. Plantas de absorción con energía solar J.M.Arroyo Rosa Página 13 REFRIGERACION POR ABSORCION Fuente de energía y eficiencia en los equipos de absorción Para hacer funcionar los equipos de refrigeración por ciclo de absorción, se utiliza calor que puede proceder de muy diversas fuentes. Hay unidades conocidas como a llama directa, que consumen combustibles gaseosos o líquidos, mientras que otras utilizan el calor aportado por agua caliente, sobrecalentada o vapor. Este agua caliente o vapor puede ser residual de procesos industriales, de equipos de cogeneración (motores térmicos o turbinas), de pilas de combustible, de calderas de biomasa o, incluso, calentadas con energía gratuita y renovable como la solar. En todo caso, el hecho de utilizar energía primaria en lugar de la electricidad que ya ha sufrido unas pérdidas de producción y transporte hace que la eficiencia energética o COP no pueda compararse directamente. En los procesos a más alta temperatura que utilizan el ciclo de doble efecto con la mezcla de agua y bromuro de litio, se consiguen eficiencias de hasta 1,2 con respecto a la energía consumida, mientras que con baja temperatura y en el ciclo de amoníaco/agua es del orden del 0,7. Ahorros y ventajas ambientales La utilización de equipos de refrigeración por ciclo de absorción permite ahorrar, en primer lugar, la energía primaria que habría hecho falta para producir la electricidad necesaria para hacer funcionar los equipos convencionales que sustituyen. Cuando el calor utilizado por la máquina de absorción es de origen gratuito o residual, el ahorro es absoluto, mientras que en los casos de aplicación de llama directa este dependerá de la energía primaria y las características de producción de la electricidad sustituida. Este aspecto es particularmente importante, tanto económica como estratégicamente, en países como el nuestro en que en la producción eléctrica dependemos mayoritariamente de la importación de combustibles de origen fósil Además, esto también permite la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera y, por lo tanto, permite acercarnos al cumplimiento de los acuerdos de Kyoto. En cuanto a los fluidos utilizados en los ciclos de absorción, son totalmente inocuos para el medio ambiente, lo que afianza el carácter ecológico de los equipos de absorción. J.M.Arroyo Rosa Página 14 REFRIGERACION POR ABSORCION Refrigeración por absorción utilizando energía solar térmica Principales aplicaciones Los equipos de refrigeración por ciclo de absorción pueden ser usados de manera tan amplia como cualquier otra planta refrigeradora de agua convencional, y las aplicaciones para aire acondicionado son las más usuales. Actualmente, se está intensificando el uso en instalaciones del sector terciario que disponen de campos de captadores solares térmicos para producción de agua caliente sanitaria y calefacción, y estas instalaciones, en verano, cuando es mayor la disponibilidad de radiación solar, en lugar de disipar los sobrantes, los aprovechan para obtener refrigeración gratuita. La otra utilización clásica de estos equipos es en procesos industriales, sobre todo en los que también se utiliza una fuente de calor residual como energía para hacer funcionar el equipo J.M.Arroyo Rosa Página 15 REFRIGERACION POR ABSORCION . Equipo de refrigeración por absorción con ciclo amoniaco/agua En cuanto a las plantas basadas en el ciclo amoníaco/agua como refrigerante/absorbente, pueden utilizarse, además, en aplicaciones a baja temperatura, como en la cadena de preparación y conservación de alimentos, procesos vinícolas, tratamiento de lácteos, preparaciones farmacéuticas, etc. De hecho, el campo de aplicación es muy amplio, ya que se trata de una técnica muy desarrollada, totalmente fiable y con reducidos costes de mantenimiento, que está disponible en unidades de más de 4.000 kW de refrigeración con utilización para agua caliente, y de más de 6.000 kW a llama directa. La mayoría de los equipos disponibles en el mercado mundial se ajustan también a las directivas europeas, de conformidad con la marca CE. Sin embargo, se recomienda verificar esto antes de seleccionar la marca y asegurarse de que dispone también de servicio de asistencia técnica en el mismo país. temariosformativosprofesionales.wordpress.com J.M.Arroyo Rosa Página 16
