Propuesta de sensado óptico de concentraciones de bromuro de litio - acuoso

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1 62 Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica Zacatecas, Zac, Marzo 17 18, 2005 Propuesta de sensado óptico de concentraciones de bromuro de litio - acuoso R. J. Romero, J. Siqueiros, Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Laboratorio de Ingeniería Térmica Aplicada, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Morelos, CP TEL: +(777) , ext. 6203, correo-e: M. A. Basurto Pensado, Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Laboratorio de sensores de fibra óptica, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Morelos, CP TEL: +(777) , ext. 6208, correo-e: M. Fernández Resenos Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Licenciatura en Electrónica (estudiante), Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Puebla, CP TEL: +(222) , ext. 3502, correo-e: Resumen - En este trabajo se presentan los primeros resultados en la caracterización de bromuro de Litio acuoso (esta solución acuosa es una sustancia con gran capacidad química oxidante y reductora), en donde el dispositivo propuesto se basa en métodos ópticos para la determinación de la concentración de esta sustancia corrosiva con la cual trabajan los sistemas de aire acondicionado solar. Uno de los problemas principales en estos sistemas esta en su alto grado de corrosividad, con lo cual se limita la medición de algunos parámetros dentro de las tuberías, por medio de termopares y cualquier otro sistema de medición con parte metálica, para la determinación de la concentración real en los sistemas es la higrospicidad que causa el ambiente, con lo cual, la determinación de la concentración fuera del sistema tiene una incertidumbre adicional por la humedad relativa del ambiente. Como conclusión se muestra la correlación de la concentración de bromuro de litio acuoso en función de la transmitancia a temperatura y longitud de onda constantes. Abstract In this work the first results in the characterization of aqueous lithium bromide (this aqueous solution is a substances with great oxidizer and reducing chemical capability) are presented. The proposed device is based on optical methods for the concentration determination of this corrosive substance which is the working fluid for air conditioning systems. Main problem in these systems is the high degree of corrosion, this problem avoids the measurement of some parameters inside the tubes. Measurements by termopar and any other with metallic system can t be done. Another inconvenience for the determination of the real concentration in the systems is the higrospicity. This problem is shown in the atmosphere, which outside concentration measurement exhibit an uncertainty for the relative humidity of the ambient. The conclusion is the correlation of the lithium bromide concentration of as a function of transmittance at constant temperature and constant wavelength. Palabras clave Concentración, Soluciones acuosas de LiBr, Transmitancia.

2 63 E U I. INTRODUCCIÓN L bromuro de litio acuoso es un fluido que se utiliza como refrigerante + fluido de trabajo en los sistemas de aire acondicionado solar a bajas temperaturas [1], estos sistemas se encuentran actualmente en investigación y algunos prototipos han sido evaluados. Uno de los principales problemas de estos sistemas es la corrosión que las propias mezclas formadas por refrigerantes + fluido de trabajo (frecuentemente llamados pares termodinámicos); en las superficies metálicas con las cuales entran en contacto. Otra gran desventaja del par citado es su capacidad higroscópica, por la cual la presencia de esta solución puede cambiar su concentración al estar en contacto con el ambiente con humedad relativa mayor a 0. La higroscopicidad de estas soluciones, promueve que un volumen de agua disponible (humedad relativa) del entorno se agregue a la solución, por lo cual la concentración inicial definida como la cantidad de bromuro de litio con respecto a la cantidad total de la solución acuosa, que es la cantidad de bromuro de litio más la cantidad de agua en que está disuelta. Esta definición es sensible a la cantidad de agua total de la muestra, por lo cual, la adición de una cantidad extra debida al entorno puede generar variaciones en la determinación de la concentración real de la solución. II. PROBLEMA DE SENSADO El objetivo de este trabajo es determinar si es factible la operación de un sistema basado en mediciones ópticas para determinar la concentración del bromuro de litio acuoso dentro de un sistema de aire acondicionado que utilice este par termodinámico. En los sistemas de aire acondicionado solar, los métodos para determinar la concentración del par termodinámico, son principalmente tres: por titulación química, por conductividad eléctrica y por refractometría. III. PROPUESTA DE SENSADO La titulación química se basa en agregar a un volumen conocido (V 1 ), extraído del sistema, un indicador del potencial de hidrógeno (ph) y por medio de una solución con normalidad química (N 1 ) conocida se agrega un segundo volumen (V 2 ) hasta cambiar de acidez a basicidad (químicamente llamado vire) con lo que se puede determinar la normalidad química presente en el volumen inicial, y por lo tanto, la cantidad de iones de litio en ella. La conductividad eléctrica es una medida implementada en análisis químico instrumental para la determinación de iones presentes en una solución cualquiera, basándose en la propiedad que tienen las soluciones salinas para la conducción de la corriente eléctrica a un voltaje constante, por lo cual se pueden correlacionar la cantidad de iones con la conductividad presente [2]. La refractometría es otra técnica en análisis químico instrumental basada en la refracción que presenta una señal con una longitud de onda constante al pasar por un medio y cambiar la velocidad e intensidad de la señal original. El índice de refracción se asocia a esta transmitancia, que se puede considerar como la relación existente entre las velocidades de transmisión de la señal, a longitud constante entre dos medios presentes. Generalmente, se considera al vacío como referencia del paso de la señal. En el caso particular de la determinación de la concentración de las soluciones acuosas de bromuro de litio, se considera una longitud de onda entre 400 y 900 nm, con lo cual se tiene una relación de velocidades mayores a 1 y menores a 3.

3 64 Sin embargo, estas técnicas de análisis químicos se basan en la extracción de un volumen conocido del sistema y su posterior análisis, con lo cual existen dos inconvenientes: uno basado en la corrosividad de la solución [3] que impide el contacto de los electrodos con la citada solución, y el segundo inconveniente, es la higroscopicidad, que influye en la incertidumbre de la determinación del valor real de la concentración. Considerando que la determinación de la concentración del bromuro de litio acuoso tiene menor incertidumbre por medio de la refractometría, debido a que el medio que está en contacto con este se comporta como un material transparente a una longitud de onda conocida, por lo que puede ser no metálico. Este material puede estar colocado dentro del sistema de aire acondicionado, como se muestra en la figura 1, evitando que el volumen en el que se va a determinar la concentración sea afectado por adición de agua externa. En esta propuesta se ha considerado un medio de sensado óptico transversal con respecto al sentido del flujo de la solución de bromuro de litio acuoso, por la cual atravieza una señal a una longitud de onda (λ) definida y con una intensidad conocida (Q λ ). LiBr + H 2 O Q λ τ Q λ Figura 1. Diagrama esquemático de la colocación transversal para sensado óptico en tuberías. IV. CONSIDERACIONES PARA EL DESARROLLO DEL SENSADO Para poder determinar la concentración del bromuro de litio acuoso, dentro de un sistema de refrigeración solar, se ha considerado según el ciclo por absorción [1] que es posible determinar la concentración en dos zonas de presión, a diferentes temperaturas, que están comprendidas entre 25 C y 70 C, por lo cual, el sensado óptico se caracteriza entre estas temperaturas. Actualmente, se realiza la determinación de concentraciones a la temperatura constante de 40 C, que es el valor en el que se presentan menores variaciones del valor real sin embargo, el índice de refracción se puede evaluar a diferentes temperaturas, por lo cual se ha considerado que por la naturaleza del sistema de aire acondicionado, es deseable tener la capacidad de determinación de la concentración a diferentes temperaturas. Considerando que la concentración es constante e independiente de la temperatura, se ha propuesto determinar para diferentes longitudes de onda, el comportamiento de la intensidad de señal emitida, que es análoga al índice de refracción, asociado con el valor de la transmitancia. Por lo que se realizó un análisis espectral en el intervalo de longitudes de onda [4] entre 1 µm y 4 µm y temperaturas entre 25 C y 80 C para soluciones estáticas entre 49 % y 60 % de concentración de bromuro de litio acuoso, de acuerdo a las condiciones de operación que reportan los autores que han trabajado con estos sistemas de aire acondicionado solar [1]. El arreglo consiste en 2 lentes colimadoras con una separación de 2 milímetros para este caso. En esta separación se coloca una muestra del LiBr + H 2 O en una celda de cuarzo, la cual tiene un ancho de 1 mm. Por un lado se ilumina con una fuente que incluye todas las longitudes de onda y se analiza el espectro resultante con un analizador de espectros [4].

4 65 El análisis de la transmitancia de la señal se realiza en el rango de 1 µm hasta los 4 µm, en un rango de temperatura entre los 25 ºC a 80ºC, para las concentraciones de bromuro de litio acuoso de 49, 54, 56 y 58 %. En este análisis de la transmitancia se analizará la variación del índice de la refracción del bromuro de litio en función de la temperatura (esto se realizará para cada concentración). Una fibra óptica tiene regiones de baja absorción en 0.83 µm, 1.33 µm y 1.55 µm (qué se denomina ventanas ópticas de comunicación), en donde se presenta la menor atenuación posible para la señal y por lo tanto la mejor transmisión. V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El comportamiento general de la señal se demuestra en la figura 2. En esta figura se puede observar, como se comporta la transmitancia en todo el rango, definida como la intensidad de señal, después de pasar por la solución acuosa de bromuro de litio estático, con respecto a la intensidad original. Por lo que se define una intensidad adimensional o unidades adimensionales (u.a.) para este valor de transmitancia (τ) (ver figura 1). De esta manera: τ = (τ Q λ ) / (Q λ ) (1) Quedando adimensionalizada e independiente del valor de la longitud de onda en que se realiza la medición. Normalized intensity (u.a.) General Spectrum 49% a 25 C 54% a 25 C 56% a 25 C 58% a 25 C 60% a 25 C 49% a 45 C 54% a 45 C 56% a 45 C 58% a 45 C 60% a 45 C 49% a 60 C 54% a 60 C 56% a 60 C 58% a 60 C 60% a 60 C 49% a 70 C 54% a 70 C 56% a 70 C 58% a 70 C 60% a 70 C 49% a 80 C 54% a 80 C 56% a 80 C 58% a 80 C 60% a 80 C Wavelength, µm Figura 2. Espectro general de la intensidad normalizada para diferentes condiciones. En la gráfica anterior se puede observar como la señal presenta una transmitancia máxima en 1.0 µm, 1.27 µm, 1.67 µm y 2.2 µm con un mínimo en 1.2 µm, 1.42 µm y de 1.7 µm a 2.1 µm. Se ha optado por elegir 2 de estas ventanas para su análisis, ya que comercialmente existen diodos láser a 1.33 µm y 1.55 µm.

5 66 La figura 3, muestra el comportamiento de la transmitancia para valores entre 1 µm y 1.6 µm, a la temperatura de 34 C, que corresponde a la temperatura de operación del sistema de aire acondicionado en el absorbedor [1], en esta figura se muestran particularmente los comportamientos para las longitudes de onda de 1.33 µm (recuadro inferior izquierdo) y de 1.55 µm (recuadro superior derecho) u.a. Intensity 0.50 Normalized intensity (u.a.) Intensity u.a Wavelength Wavelength, µm Wavelength Figura 3. Espectro de la señal a temperatura ambiente. Analizando el comportamiento de la variación de la señal en función de las diversas temperaturas en que se ha caracterizado, se puede observar un comportamiento casi lineal, el cual se muestra en la figura Intensity vs Concentration Temp_34 C Temp_34 C 57 Concentration (%) Signal to 1550 nm Signal to 1330 nm Intensity (u.a)

6 67 Figura 4. Relación de intensidad en función de la concentración para las señales a 1330nm y 1550nm. Correlacionado los datos de la figura 4, se ha construido una función cuadrática para determinar la concentración en función de la intensidad (I) de la señal (transmitancia). Para λ = 1.33 µm y 34 ºC Para λ = 1.55 µm y 34 ºC % de LiBr = I I 2 ( 2 ) Ambos con un factor de correlación R 2 mayor a % de LiBr = I I 2 ( 3 ) V. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS En este trabajo se ha demostrado que es posible determinar la concentración en soluciones de bromuro de litio acuoso dentro de los sistemas de refrigeración solar por medio de la correlación de la transmitancia (parámetro óptico) a una temperatura (34 C) y longitud de onda constante. Para trabajo futuro, se considerará analizar el comportamiento de la señal en el rango de 0.4 µm a 1 µm, ya que en el espectro general se observa una transmitancia con un comportamiento que puede permitir la determinación de la concentración en función del valor de la temperatura y la transmitancia. REFERENCIAS [1] R.J. Romero, W. Rivera, J. Gracia, R. Best, Theoretical comparison of performance of an absorption heat pump system for cooling and heating operating with an aqueous ternary hydroxide and water/lithium bromide, Applied Thermal Engineering, V 21, Pp , 2001 [2] R J Romero & R Best, Método indirecto para el cálculo de la concentración de amoniaco en soluciones acuosas en sistemas de refrigeración solar, Memorias de la XXIII Semana Nacional de Energía Solar, Octubre 4 8, Morelia, México, pp , 1999 [3] C. Cuevas Arteaga and J. Uruchurtu-Chavarin, Corrosion performance of stainless steel SS-304 exposed to 50% (Wt.) LiBr aqueous solution applying electrochemical techniques and conventional weight loss method, Proceeding of the XIII International Materials Research Congress; Cancun, Mexico, August 22 26, S21 pp. 5, 2004 [4] M. A. Basurto-Pensado, R. J. Romero, Cuevas Arteaga C., J.L. Zaragoza-Ortega, A. H. Jiménez-Heredia, J. J. Sánchez-Mondragón, Device for the measurement of temperature in situ for solar refrigeration systems for optics method, Proceeding of the XIII International Materials Research Congress; Cancun, Mexico, August 22 26, S4 pp. 14, 2004

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