12/01/2011 LOS SISTEMAS TRITERMICOS MAQUINAS ADSORCION PRINCIPIOS BASICOS I MEZCLAS PRINCIPIOS BASICOS II

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1 Pag. 2 PRINCIPIOS BASICOS I LOS SISTEMAS TRITERMICOS MAQUINAS ADSORCION La base del método es similar al de las máquinas de absorción, radicando la diferencia en que ahora los vapores generados en evaporador son captados por adsorción por un sólido, en lugar de una mezcla liquida. La adsorción es un fenómeno superficial que tiene lugar entre un solido, el absorbente, que presenta una gran superficie por unidad de masa y un vapor con afinidad química con el sólido. Materiales porosos como el carbono activo, los silicagels y las zeolítas pueden ser utilizadas como sólidos absobentes. Así, se utizan pares tales como carbono activo - metanol, silicagel agua, o zeolita agua. Pag. 3 Pag. 4 PRINCIPIOS BASICOS II La adsorción es exotérmica, es decir se acompaña siempre de calor, cuyacantidaddependedelamagnituddelasfuerzasdevander Waals presentes, de los cambios de fase y de los enlaces químicos. A bajastemperaturas,lasfuerzasmoleculareshacenquelosgasesse adhieran a la superficie para después adentrase en la estructura cristalina del sólido, este fenómeno de adsorción crea un gradiente de presión y calor. El proceso puede invertirse adicionando calor que provoca la desorción del vapor a alta presión y temperatura, el cual circula hacia el condensador, expansor y evaporador, en donde produce el efecto útil de enfriamiento. Las máquinas de adsorción son intermitentes, un sólido se está cargando con vapor refrigerante a baja presión y temperatura, pero cuando finaliza esta fase, este material debe regenerarse (desorción) a alta presión y temperatura, por lo tanto para conseguir un enfriamiento continuo deben disponerse un par de conjuntos materiales, con fases desfasadas en el tiempo, de modo que mientras uno esta produciendo el efecto útil, el otro esta en proceso de regeneración. MEZCLAS En el momento presente existen vías de investigación referentes a posibles pares de materialesautilizarenmáquinasdeadsorción, sin embargo las tecnologías existentes se encuentran limitadas a los siguiente pares: Sílica gel/agua Zeolita/Agua Carbón activo/amoníaco Carbon activo/metanol Hidruros metálicos/hidrógeno 1

2 Pag. 5 Pag. 6 MEZCLAS MÁQUINAS CON ADSORCIÓN DE VAPOR Silicagel Zeolita Carbono activo Estasmáquinasprecisanunaseriedefactoresesenciales, tales como: El adsorbente debe ser capaz de adsorber los vapores fácilmente, sin cambios estructurales ni variaciones significativas de volumen. El adsorbente debe sercapaz de desorber el vapor almacenado con los cambios de temperatura, pudiéndose repetir este proceso repetidamente. En caso de trabajar con agua como refrigerante, casos de aguasilicagel y agua-zeolita: El proceso de evaporación puede desarrollarse a baja temperatura manteniendo una presión por debajo de la atmosférica, es necesario conseguir vacíos el orden de 13 a 26 mbar. El proceso de evaporación mejora si el agua es enviada en forma de ducha. Pag. 7 Pag. 8 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La máquina frigorífica de adsorción se compone fundamentalmente de un adsorbedor que se conecta, para trasiego de fase vapor, alternativamente a un condensador y a un evaporador. Y energéticamente a una fuente de calor a alta temperatura, a otra de disipación a temperatura intermedia y por último a la fuente de baja temperatura donde produce el efecto útil como máquina de producción de frío. TRANSFORMACIONES Compresión a volumen constante (A-B), durante la cual, el adsorbedor se aisla del resto de la instalación, y se pone en comunicación con la fuente a mayor nivel térmico TG. La desorción del gas que se produce en el volumen libre del adsorbedor se traduce en un aumento de presión. Esta fase de presurización finaliza cuando la presión llega a ser al menos igual a la del condensador (punto B). Desorción a presión constante (B-C), con el adsorbedor conectado al condensador d a Tm. Et Esta fase, generalmente es llamada regeneración, pues deja al adsorbedor listo para una nueva fase de producción de frío. Finaliza cuando la temperatura del adsorbedor alcanza la TG (punto C). Despresurización a volumen constante (C-D). Al contrario de la primera fase, el adsorbedor se enfría con el foco de disipación a Tm. Debido a que se encuentra aislado del resto de la instalación, la adsorción que tiene lugar en el volumen libre se acompaña con una caída de presión. Esta etapa finaliza cuando llega a ser inferior a la de evaporador (punto D). Adsorción a presión constante (D-A). Etapa de producción de frío a T0. Evaporación del fluido. 2

3 Pag. 9 Pag. 10 TRANSFORMACIONES TRANSFORMACIONES. COMPRESION Compresión a volumen constante (A-B), durante la cual, el adsorbedor se aisla del resto de la instalación, y se pone en comunicación con la fuente a mayor nivel térmico Th. La desorción del gas que se produce en el volumen libre del adsorbedor se traduce en un aumento de presión. Esta fase de presurización finaliza cuando la presión llega a ser al menos igual a la del condensador (point B). Pag. 11 Pag. 12 TRANSFORMACIONES. DESORCION Desorción a presión constante (B-C), con el adsorbedor conectado al condensador a Tm. Esta fase, generalmente llamada regeneración, pues deja al adsorbedor listo para una nueva fase de producción de frío. Finaliza cuando la temperatura del adsorbedor alcanza la Th (point C). TRANSFORMACIONES. EXPANSION Despresurización a volumen constant (C-D). Al contrario de la primera fase, el adsorbedor se enfría con el foco de disipación a T m. Debido a que se encuentra aislado del resto de la instalación, la adsorción que tiene lugar en el volumen libre se acompaña con una caída de presión. Esta etapa finaliza cuando llega a ser inferior aladeevaporador(pointd). 3

4 Pag. 13 Pag. 14 TRANSFORMACIONES. ADSORCION Adsorción a presión constante (trajet D-A). Etape de producción de frío a T b. Evaporation del fluido. TRANSFORMACIONES DIAGRAMA DE CLAYRON Ó DÜHRING Las fases a volumen constante (A-B y C-D) son con composición constante y siguen una isotítrica (X=Cte en la que X es la cantidad de fluido adsorbido). La potencia (Q G ) a suministrar al sistema es la necesaria en el adsorbedor para pasar del punto A al C. La producción frigorifica (Q 0 )esdebidaalavaporizacióndelfluido (D-A). Además de las potencias enumeradas, existe la disipación a nivel intermedio debido a la condensación (Q K ) que proviene de adsorbedor en la fase de regeneración por un lado, y al paso del adsorbedor del punto C al A (Q A ) de otro. Pag. 15 Pag. 16 PAR ADSORTIVO AGUA SILICAGEL El silica gel (SiO2.xH2O) tiene como base la sílice pura en la cual se conservan trazas de agua (del orden del 5%), si es sobrecalentado y pierde ese agua su capacidad de adsorción se resiente, por lo que es válido para trabajar en aplicaciones por debajo de los 200ºC. Se encuentra disponible con diferentes tamaños de sus poros, cuanto menor es ese tamaño mayor es la superficie por unidad de masa. El silica gel posee una gran capacidad de adsorcióndelvapordeagua,sobretodoaaltaspresiones de vapor por lo que es utilizado en procesos de deshumectación. El calor generado en la adsorción del vapor de agua se debe principalmente al calor de condensación del agua. PAR ADSORTIVO AGUA SILICAGEL En el arranque toda la máquina se pone en vacío con una bomba. El ciclo en funcionamiento dura de 5 a 7 minutos y sigue los pasos: Paso1.- El agua presente en evaporador se evapora enfriando fi la carga. Paso2.- El agua evaporada se absorbe, por le silicagel, en el adorbedor. Paso3.- Se separa el agua por adición de potencia térmica en generador. Paso 4.- La corriente de vapor de agua obtenida se envía al condensador para que sea licuada, y el ciclo se cierra enviandola de nuevo al evaporador. 4

5 Pag. 17 Pag. 18 PAR ADSORTIVO AGUA SILICAGEL PAR ADSORTIVO AGUA SILICAGEL Agua disipación Silicagel Adsorbedor Válvulas Condensador Evaporador Intercambiadores Generador Agua caliente Agua fría El diagrama de Dühring se obtiene en base a una ecuación modificada de Dubinin Astakhov, según la cual: n p sat x = x0 exp D T ln p En la que x , D y n 1.08 son constantes para el par adsortivo, y p sat la presión de saturación, mientras que p es la presión del adsorbente. Pag. 19 Pag. 20 PAR ADSORTIVO AGUA SILICAGEL CONTINUIDAD DEL CICLO El ciclo descrito es discontínuo (tratamiento alternativo); para conseguir un funcionamiento pr cticamente contínuo se trabaja en dos ciclos en oposición. Con esto, además, se consigue un mejora energética éi dadod que se recupera una parte de la potencia de regeneración suministrada al mayor nivel térmico. Cuando se trabaja con dos ciclos en oposición se habla de ciclo de doble efecto con recuperación. 5

6 Pag. 21 Pag. 22 PLANTA DE ADSORCION PRESTACIONES DE CATALOGO Pag. 23 Pag. 24 PAR ADSORTIVO AGUA ZEOLITA Grupo de minerales de una clase de aluminosilicatos cristalinos con canales y cavidades bien definidas, que pueden retener moléculas huéspedes móviles y reemplazables. La fórmula general de la composición de las zeolita es Mx/n[AlO2)x(SiO2)y].mH2O, donded los cationes M (Na+, K+, etc.) de valencia n neutralizan las cargas negativas del esqueleto estructural del aluminosilicato. Existen más de 40 zeolitas naturales y alrededor de 150 artificiales. Las zeolitas pueden utilizarse como agentes deshidratantes, como intercambiadores de iones, como adsorbentes; siendo su densidad de alrededor de 800 kg/m 3. PAR ADSORTIVO AGUA ZEOLITA Los procesos de adsorción y desorción, que constituyen el ciclo de funcionamiento en este caso, no difieren de los establecidos para las máquinas de adsorción, quedando reflejados esquemáticamente sobre la figura 6

7 Pag. 25 Pag. 26 COMPARACION ABSORCION-ADSORCION En la figura se observa que con bajos valores de temperatura en el foco caliente el COP de la máquina de adsorción es superior al de la de absorción, lo que puede hacer mas conveniente a las máquinas de adsorción de cara al aprovechamiento de efluentes térmicos de baja calidad, incluso la pone en mejor situación para la utilización de energía solar. En el capítulo de ventajas de las máquinas de adsorción también puede comentarse el hecho de no necesitar inhibidores de la corrosión, ni tener problemas de cristalización. Por lo que respecta a desventajas, frente a la absorción, pueden destacarse su mayor coste, el hecho de funcionar de forma discontinua, su bajo desarrollo actual (sólo hay tres fabricantes en el mercado) y su mayor tamaño para igual potencia frigorífica. Por supuesto su menor COP con temperaturas habituales en el foco caliente. Pag. 27 Pag. 28 7

8 Pag. 29 Pag. 30 ADSORCION. SENSORES MAQUINA I Pag. 31 Pag. 32 ADSORCION. SENSORES ADSORCION. 1ª Fase I I 8

9 Pag. 33 Pag. 34 ADSORCION. 2ª Fase ADSORCION. 3ª Fase I I Pag. 35 Pag. 36 ADSORCION. 4ª Fase Máquina de Adsorción I Aprovechamiento Calor Residual 9

10 Pag. 37 Pag. 38 Máquina de adsorción de 5.5. kw Instalación hidráulica Pag. 39 Pag. 40 Esquema de la máquina ADSORCION. Sensores máquina Agua disipación Condensador Intercambiadores I Generador Silicagel Agua caliente Adsorbedor Válvulas Agua fría Evaporador 10

11 Pag. 41 Pag. 42 ADSORCION. Sensores totales ADSORCION. 1ª Fase I I Pag. 43 Pag. 44 ADSORCION. 2ª Fase ADSORCION. 3ª Fase I I 11

12 Pag. 45 Pag. 46 ADSORCION. 4ª Fase Límites de aplicación I Circuito LT C Circuito MT C Circuito HT C La temperatura del circuito MT > LT Pag. 47 Datos fabricante 12