LAS MÁQUINAS DE ABSORCIÓN

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1 INTRODUCCIÓN LAS MÁQUINAS DE ABSORCIÓN INTRODUCCION MODOS DE FUNCIONAMIENTO Las máquinas frigoríficas de absorción se integran dentro del mismo grupo de producción de frío que las convencionales de compresión, ya que el efecto de "generación de frío", o absorción de calor a baja temperatura, se consigue por evaporación de un líquido a baja presión. La diferencia entre estos dos métodos estriba básicamente en el procedimiento seguido para la recuperación de los vapores formados durante el paso de líquido a vapor. E. TORRELLA 2 ABSORCIÓN-COMPRESIÓN Configuraciones básicas ABSORCIÓN-COMPRESIÓN Diferencias En las máquinas de absorción, las funciones propias del compresor se encomiendan a dispositivos independientes: La aspiración de vapores de refrigerante, procedentes de evaporador, se produce como consecuencia de la afinidad que por estos presenta una solución líquida almacenada en un recipiente (absorbedor) conectado al evaporador. Como luego se verá, esta absorción tiene un carácter exotérmico en las mezclas utilizadas en la práctica, lo que va a requerir una cesión de calor a un agente exterior. El aumento de presión, hasta el nivel de condensación, tiene lugar en una bomba que trasiega la solución líquida resultante en absorbedor (rica en refrigerante). Dado que la compresión se realiza sobre un fluido líquido, la potencia necesaria de accionamiento es muy inferior a la que se precisa en el compresor de una máquina ditérmica de compresión. E. TORRELLA 3 E. TORRELLA 4

2 ABSORCIÓN-COMPRESIÓN Diferencias Resulta evidente que con los procesos descritos se obtiene una mezcla líquida (rica en sustancia refrigerante - pobre en sustancia absorbente) que no puede ser enviada hacia el condensador, sino que previamente debe llevarse a efecto la separación del refrigerante para que pueda procederse a su reutilización. Esta separación tiene lugar en el denominado generador y se produce por adición de una potencia por vía calorífica, cuyas consecuencias son; por un lado la producción de una corriente de vapores de refrigerante puro (o con una débil presencia de absorbente), y en segundo lugar se origina una solución líquida pobre en refrigerante (concentrada en absorbente) que es enviada al absorbedor, previa laminación, para reanudar la absorción de vapores de refrigerante formados en evaporador. Debemos hacer notar que la necesidad de introducir una potencia calorífica, a nivel del generador de una instalación de absorción, es lo que le confiere sentido al concepto de sistema tritérmico, ya que la máquina interacciona básicamente con tres fuentes térmicas externas; por un lado la fuente fría de utilización en caso de máquina frigorífica, en segundo lugar el agente de condensación (que vamos a considerar se utiliza también para extraer calor del absorbedor), y por último la fuente de mayor nivel térmico utilizada en el generador. LOS SISTEMAS TRITERMICOS BASE TERMODINÁMICAS E. TORRELLA 5 E. TORRELLA 6 Interacciones con el exterior Fuente alta T. (T G ) Fuente int. T. (T m ) =Q K +Q A Base termodinámica Primer Principio. Conservación de la energía. Q + Q +Q 0 o G M se ha despreciado la potencia de la bomba de circulación de la solución rica en refrigerante, al ser esta mucho menor a las de tipo calorífico puestas en juego. Segundo Principio ( s máqina cíclica =0): Qo QG S u = - - T o T G Q - T M K 0 Fuente baja T. (T 0 ) E. TORRELLA 7 E. TORRELLA 8 2

3 Comportamiento ideal Subdivisión en máquinas ditérmicas Suponiendo procesos reversibles, la combinación de ambos principios conduce a la expresión de la efectividad (COP) de la máquina como "productor de frío", es decir: T T T G T G MF Qo T G - = = T Q T G G T o T K - T La efectividad se ha expresado como producto de dos factores, el primero de los cuales es el valor del rendimiento de una máquina generadora de Carnot que evoluciona entre las temperaturas "T G " y "T K ", por tanto inferior a la unidad. El segundo es el rendimiento propio de una máquina frigorífica ditérmica entre "T K "y"t 0 ". K o Q K Q A T M T 0 SISTEMA TRITÉRMICO T M T 0 M P Q Q P M2 S S SUSBDIVISIÓN EN DITÉRMICOS E. TORRELLA 9 E. TORRELLA 0 Subdivisión en máquinas ditérmicas EFICIENCIA Comparación con compresión Q K Q K P < 0 P > 0 P De todo el análisis llevado a cabo se podría derivar como conclusión que la eficiencia de una máquina frigorífica de compresión siempre es superior a la de absorción que trabaje entre las mismas temperaturas de condensación y evaporación. Sin embargo, la validez de este razonamiento es discutible debido a dos razones fundamentales: En primer lugar, no se ha considerado en ningún momento de la discusión el camino seguido en la obtención de la energía de accionamiento del compresor de la máquina ditérmica. En este sentido debemos recordar que si la energía proviene de una central convencional habría que considerar las pérdidas que en ella se producen, y que los rendimientos en estas plantas se mueven en el orden del 40% sobre el potencial del combustible utilizado en el proceso de transformación de la energía calorífica a eléctrica, amén de otras pérdidas en transporte etc.. En segundo lugar, cabe considerar la posibilidad de utilización de una fuente gratuita de calor a temperatura suficiente para alimentación de generador, con lo que la eficiencia económica de la máquina aumenta de forma considerable. E. TORRELLA E. TORRELLA 2 3

4 Modos de funcionamiento Modos de funcionamiento Zonas.- Funcionamiento imposible (ya que se incumple el 2º Principio). Zona 2.- Dos posibilidades: Máquina frigorífica. Bombadecalor. Zonas 3 y 4.- La máquina trabaja del modo de degradación de energía. Zona 5.- Funcionamiento como sistema de revalorización de la energía desde un nivel bajo a otro mayor. Transformador de calor. E. TORRELLA 3 E. TORRELLA 4 LAS MÁQUINAS DE ABSORCIÓN Campos de aplicación FLUIDO REFRIGERANTE Requerimientos MAQ. FRIGORIFICA ABSORCIÓN BOMBA CALOR TRANSF. CALOR Presión de vapor baja, para altos niveles térmicos, para reducir espesor equipos. Temperatura de congelación muy inferior a la mínima de la máquina. Conductividad térmica elevada. Térmicamente estables. CALOR DESHECHO ENERGÍA SOLAR COGENERACIÓN GRANDES AREAS REVALORIZACIÓN E. TORRELLA 5 E. TORRELLA 6 4

5 FLUIDO ABSORBENTE Requerimientos Presión de vapor baja a alta temperatura, para lograr una buena separación. Estable y no corrosivo. Viscosidad mínima. Bajo punto de congelación. Permanencia en fase líquida. MEZCLAS REFRIGERANTES Requerimientos Alta desviación negativa respecto a la ley de Raoult. Gran afinidad por los vapores del fluido usado como refrigerante. No inflamable, tóxico o corrosivo. E. TORRELLA 7 E. TORRELLA 8 MEZCLAS REFRIGERANTES Uso práctico COMPORTAMIENTO MEZCLA REFRIGERANTE - ABSORBENTE Resulta obvio señalar que ninguna de las mezclas, que se utilizan en las instalaciones industriales, cumple con la totalidad de los requisitos enumerados, a pesar de la gran cantidad de pruebas que se han llevado a cabo con distintos componentes. No vamos a referenciar aquí todas las sustancias que potencialmente tienen aptitudes suficientes para asegurar unas prestaciones mínimas, sino los dos pares de mayor incidencia industrial, que corresponden a: La mezcla amoníaco (refrigerante) - agua (absorbente), solución utilizada especialmente en el dominio de las temperaturas negativas. La mezcla agua (refrigerante) - bromuro de litio (absorbente), solución cuyo uso se ve limitado al dominio de las temperaturas positivas, ya sea como máquina frigorífica en acondicionamiento de aire, ya en unidades de bomba o transformador de calor. Es sobre este par que van a centrarse los desarrollos posteriores. E. TORRELLA 9 E. TORRELLA 20 5

6 COMPORTAMIENTO MEZCLA REFRIGERANTE - ABSORBENTE ABSORBEDOR LA MEZCLA BROMURO DE LITIO - AGUA GENERADOR E. TORRELLA 2 E. TORRELLA 22 LA MEZCLA BrLi-H2O Ventajas La utilización de agua como refrigerante es favorable debido a su elevado calor latente de vaporización, superior al de cualquier otro fluido frigorígeno. Su carácter de no tóxico, ni inflamable. No se hace necesaria una rectificación de los vapores a la salida del generador, ya que durante la separación se genera una corriente prácticamente pura de vapor de agua. Fuerte desviación negativa de la solución respecto al comportamiento según la ley de Raoult. LA MEZCLA BrLi-H2O Inconvenientes El inicialmente mencionado de restringir el dominio de aplicación al campo de las temperaturas positivas, lo que no representa problema alguno en caso de funcionamiento como bomba o transformador de calor. Altos volúmenes específicos del vapor de agua a bajas temperaturas, lo que no constituye un gran inconveniente en sistemas tritérmicos, sí en los ditérmicos de compresión. Con agua como refrigerante, excepto en alta temperatura, se corresponden presiones inferiores a la atmosférica, lo que conduce a una necesidad imperiosa de estanqueidad en los elementos de la instalación para asegurar un correcto funcionamiento. Existe el peligro de cristalización de la solución para ciertas condiciones de concentración y temperatura, con los consiguientes problemas que de ello se derivan. E. TORRELLA 23 E. TORRELLA 24 6

7 AGUA. PUNTO DE EBULLICION 22 F [00 C] temperature 4.7 psia [0.0MPa] pressure temperature 5 F [46. C] 45 F [7.2 C] 0.5 psia [.034 kpa] pressure.5 psia [0.34 kpa] DIAGRAMAS BÁSICOS ABSORCIÓN E. TORRELLA 25 E. TORRELLA 26 Diagrama de Duhring u Old-Ham LA MEZCLA NH3-H2O Diagrama de Duhring u Old-Ham Un diagrama de Duhring muestra la relación entre la presión de vapor y la solución de la mezcla refrigerante respecto a la presión, temperatura y concentración en el equilibrio. E. TORRELLA 27 E. TORRELLA 28 7

8 LA MEZCLA BrLi-H2O Diagrama de Duhring u Old-Ham LA MEZCLA NH3-H2O Diagrama h-x P [mbar] T [ºC] E. TORRELLA 29 E. TORRELLA 30 LA MEZCLA BrLi-H2O Diagrama h-x Entalpía [kj/kg] Fracción másica BrLi E. TORRELLA 3 8