MÁQUINA DE ABSORCIÓN Esquema básico LAS MÁQUINAS DE ABSORCIÓN FUNCIONAMIENTO COMO MAQUINA FRIGORIFICA. MÁQUINA DE ABSORCIÓN Transformaciones básicas

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1 Pag 2 MÁQUINA DE ABSORCIÓN Esquema básico 4 3 Q K LAS MÁQUINAS DE ABSORCIÓN FUNCIONAMIENTO COMO MAQUINA FRIGORIFICA Q o 8 7' 2 QG 1 6' 1 QA 5 P B 6 7 Pag 3 MÁQUINA DE ABSORCIÓN Transformaciones básicas Pag 4 MÁQUINA DE ABSORCIÓN Transformaciones básicas La solución "rica" en refrigerante enetra en generador (to."6"), en el que se calienta or adición de una otencia térmica, rovocando con ello la searación de vaores de refrigerante, rácticamente uros en su salida (to."2"), los cuales son condensados en un intercambiador or cesión de calor a un agente externo, con lo que se obtiene un caudal líquido de refrigerante a alta resión (to."3"). El aso a través de un exansor roduce la laminación hasta la baja resión (y or tanto baja temeratura) y una vaorización arcialdeeste,conloquealasalidadelórganodeestrangulación (to."4") coexisten las fases líquida y vaor. Es la fracción líquida la que se encuentra en condiciones de absorber calor (roducción de frío) en el evaorador de la instalación, mediante su ebullición, con lo que a la salida de este intercambiador (to."1") el estado es de vaor saturado o recalentado. Si ahora analizamos el circuito or el que circula la mezcla refrigerante-absorbente, vemos que los vaores roducidos en evaorador (to."1") son asirados hacia absorbedor, debido a la afinidad que or estos muestra una solución "obre" en refrigerante, roduciendo una mezcla rica en este comonente (to."5") a baja resión, or lo que ara recuerar el refrigerante, esta solución debe ser comrimida hasta el nivel de alta resión, roceso que tiene lugar en la bomba de la solución (to"6") ). En estas condiciones se introduce en generador, en el que or adición de calor tiene lugar la searación; or un lado vaores de refrigerante (to."2"), y or otro la solución líquida restante obre en refrigerante (to."7") que se lleva nuevamente al absorbedor ara arovechar su avidez or los vaores de refrigerante uro, ahora bien, dado que esta solución obre se encuentra a alta resión, debe exandirse (to."8"), reviamente a su entrada en absorbedor, ara alcanzar la baja resión reinante en este equio. 1

2 Pag 5 MÁQUINA DE ABSORCIÓN Transformaciones básicas Pag 6 MÁQUINA DE ABSORCIÓN Transformaciones básicas En el esquema se observa la cesión de calor al exterior de una otencia térmica en el absorbedor, lo que se debe al roceso exotérmico que tiene lugar en la mezcla de vaores de refrigerante y solución obre rocedente de generador, tanto mayor cuanto mayor sea la desviación negativa que resente la solución resecto al comortamiento ideal establecido or la ley de Raoult. La eliminación de este calor se encomienda al agente externo encargado de la condensación de los vaores de refrigerante uro, ya sea reviamente a su aso or este o de forma simultánea (disosición en aralelo), or lo tanto es razonable considerar que las temeraturas en absorbedor y condensador son similares, y en conclusión la máquina cede las otencias térmicas "QA" y "QK" a un medio a temeratura TA»TK. Una de las rinciales mejoras que ueden realizarse sobre el esquema rouesto, y que or su efecto benéfico ha asado a constituir un elemento universalmente adotado en estas máquinas, es la disosición de un intercambiador de calor entre las soluciones rica y obre, cuyo objetivo es el recalentamiento de la solución rica antes de su entrada al generador mediante el enfriamiento de la soluciónobrerocedentedegenerador,deestaforma desciende la otencia necesaria a suministrar en generador, así como la que es necesario eliminar en absorbedor. ABSORBEDOR CONDENSADOR Vaor refrigerante Absorbedor b Bomba Recircul. dilute solution Agua Disiación Al (de torre) generador Vaor refrigerante Agua de condensación Condensador Refrigerante liquido 2

3 EXPANSOR EVAPORADOR Evaorador Liquido refrigerante Refrigerante vaor Evaorador Agua fría Absorbedor Refrigerante liquido Exansor Bomba recirc. evaorador INTERCAMBIADOR SOLUCIONES CONJUNTO DE LA MÁQUINA EVAPORADOR Agua (Frigorígeno) Carcasa de baja resión Solución rica Solución rica BrLi en BrLi Solución obre P 6,5 mmhg (Vacío) Vaor H 2O ABSORBEDOR Interc. soluciones Solución rica Bomba Vaor H 2O GENERADOR Solución obre BrLi Solución rica BOMBA CONDENSADOR Vaor H 2O 3

4 MAQUINA DE ABSORCION UNICARCASA MAQUINA DE ABSORCION DOBLE CARCASA Aorte otencia térmica Generador Condensador Salida agua disiación Condensador Generador iones Intercambiador de soluc Bomba Evaorador Entrada/salida agua fría Absorbedor Entrada agua disiación Evaorador Absorbedor VISTA MAQUINA DOS CARCASAS BOMBA DE LA SOLUCION CARCASA DE ALTA PRESION CARCASA DE BAJA PRESION BOMBA DE SOLUCIÓN RICA INTERCAMBIADOR DE SOLUCIONES 4

5 CONEXIONES EXTERNAS I CONEXIONES EXTERNAS II CIRCUITO HIDRAULICO EVAPORADOR CIRCUITO HIDRAULICO DE CONDENSADOR CIRCUITO HIDRAULICO ABSORBEDOR CIRCUITO DE APORTE A GENERADOR Pag 19 CICLOS ABSORCIÓN Evolución del fluido refrigerante Pag 20 MEZCLAS FRIGORÍGENAS Definición de un estado Las canalizaciones que unen generador y absorbedor son recorridas or soluciones acuosas de bromuro de litio en fase líquida, la definición general de un estado en la mezcla recisa de tres variables según la ley de Gibbs;yaquelosgradosdelibertadson: K 3 2 T G φ = c - c = número de comonentes (2) f = número de fases (1) f h φ = 3 es decir, son necesarias tres variables ara definir el estado de la solución, las cuales se reducen a dos en caso de saturación. Con la condición de estado saturado uede encontrarse el título de la solución a artir de la areja de valores (,T). 5

6 Pag 21 DIAGRAMA DE OLD-HAM Evolución de la mezcla refrigerante Pag 22 Balances de materia K Xo Xr X Referido a la unidad de caudal circulante or el evaorador de la instalación, en régimen ermanente, ueden establecerse los siguientes balances de materia: Conservación de la masa total. 1+ m = mr m = caudal másico de la solución obre. m r = caudal másico de la solución rica. o T o T = T A K T Glim T G T Conservación de la masa de refrigerante 1. xo + m. x = mr. xr x = titulo en refrigerante de la solución obre. x r = titulo en refrigerante de la solución rica. x o = titulo en refrigerante de los vaores rocedentes de evaorador 1. Pag 23 Cálculo de caudales Pag 24 Balances de energía. De ambos balances ueden deducirselos caudales de las soluciones rica y obre: 1 - xrx m = x r - x m r = 1 - x x r - x Por unidad de caudal circulante or evaorador, la alicación del rimer rinciio alicado al sistema abierto, que constituye cada uno de los equios, suministra las siguientes exresiones: CONDENSADOR EVAPORADOR Q K = h 2 - h3 Q 0 = h 1 - h4 6

7 Pag 25 Balances de energía. Pag 26 Balances de energía. ABSORBEDOR GENERADOR Q A = h1 + m h8 - m r h5 = h 1 + ó bien, dado que 1 + m = mr 1 - xr xr - x 1 - x h8 - - h5 x r x Q A = h1 + m h8 - (1 + m ) h5 = ( h1 - h5 ) + m ( h8 - h5 ) conestaúltimaestructuraseonendemanifiestocualessonlos factores que determinan la necesidad de eliminar calor en absorbedor, or un lado el término (h1 - h5) reresenta aroximadamente la condensación de los vaores de refrigerante, mientras que el segundo término toma en consideración fundamentalmente el calor sensible a eliminar en la solución obre, en ambos razonamientos se ha desreciado la contribución del calor de dilución óbien x Q xr G = h2 + m h7 - m r h6 = h2 + h h6 x r x x r x Q G = h2 + m h7 - (1 + m ) h6 = ( h2 - h6 ) + m ( h7 - h6 ) como en absorbedor, sin tomar en consideración el calor de dilución, odemos decir que el rimer término reresenta el calor a suministrar en generador ara roducir la evaoración del refrigerante, mientras que el segundo es rácticamente el calor sensible de suministro a la solución obre, este último tanto menor cuanto mas erfecto sea el comortamiento del intercambiador entre soluciones (T6' T7). Pag 27 Balances de energía. Pag 28 Eficiencia energética COP BOMBA DE LA SOLUCIÓN RICA m r ( K - o ) v5 P B = m r ( h6 - h5 ) = R B Con resecto a la otencia necesaria en la bomba de la solución, en cuya exresión "v 5 " es el volumen esecífico de la solución rica en su asiración y "R B " su rendimiento, es fácilmente demostrable que su cuantía es ridícula frente al resto de los aortes energéticos, or lo que uede ser desreciada en el cálculo de la eficiencia. En base a las anteriores exresiones, y dado que la eficacia queda definida como la relación entre la otencia útil y la necesaria ara su obtención, se tendrá: Q Q COP = o o = h1 - h4 Q G + P B Q G h2 - h6 + m ( h 7 - h6 ) De la exresión obtenida, odemos concluir que el COP del sistema será tanto mayor cuanto mas erfecto sea el funcionamiento del intercambiador entre soluciones, ya que si este fuese ideal, se roduciría igualdad entre las entalías de los estados "7" y "6'", y en consecuencia: COP = h1 - h4 h2 - h6 7

8 Pag 29 Incidencia del intercambiador Pag 30 MÁQUINA FRIGORÍFICA Temeratura en Generador En el intercambiador de recueración es necesario hacer notar el desequilibrio existente entre los caudales másicos uestos en circulación,menorenelcasodelasoluciónobrequeenlarica. Como no existe gran diferencia entre los calores esecíficos de ambas soluciones, se tendrá, considerando érdidas desreciables al entorno: m r T 7 - T 7 1 < T 6 - T 6 < T 7 - T 7 m T - T 6 6 El comortamiento de un intercambiador real se uede definir a través del salto de temeraturas, ó a través del conceto de eficiencia de intercambio, este último caso es el que vamos a utilizar, quedando exresada como: q m c (T 7 - T7 E = = qm x (mc) min (T7 ) = - T 6 ) - h7 h7 h7 - h6 0,9 COP 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, TEMPERATURA DE GENERADOR [ C] Tcon = 40 C Tabs = 40 C Teva = 10 C Efic 0.75 Efic 0.00 Pag 31 MÁQUINA FRIGORÍFICA Temeratura en Condensador Pag 32 MÁQUINA FRIGORÍFICA Temeratura en Absorbedor 0,95 COP 0,9 COP 0,9 0,8 0, ,7 0,6 0,8 Efic = 0.75 Efic = , TEMPERATURA DE CONDENSADOR [ C] Tgen = 70 C Tabs = 20 C Teva = 10 C 0,5 Efic = 0.75 Efic = , TEMPERATURA DE ABSORBEDOR [ ] Tgen = 70 C Tcon = 30 C Teva = 10 C 8

9 Pag 33 MÁQUINA FRIGORÍFICA Temeratura en Evaorador Pag 34 MÁQUINA FRIGORÍFICA Eficiencia del Intercambiador 0,9 COP 0,9 COP 0,8 0,7 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0, TEMPERATURA DE EVAPORADOR [ C] Tgen = 70 C Tcon = 40 C Tabs = 30 C Efic = 0.75 Efic = ,7 0,6 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Eficiencia [TANTO POR UNO] Tgen = 70 C Tcon = 40 C Tabs = 30 C Teva = 10 C Pag 35 IMPERFECCIONES EN EL FUNCIONAMIENTO REAL Pag 36 IMPERFECCIONES Cristalización Las rinciales causas que roducen desviaciones entre los resultados reales y los obtenidos a artir de los cálculos teóricos, tanto ara máquina frigorífica como ara bomba de calor, son: Cristalización. Pérdidas de carga. Efecto de la resión hidrostática. Alejamiento de las condiciones de equilibrio. Bajo este término denominamos el roceso de abandono, or artedelasal,delasoluciónacuosa,quesiseroducedeforma continua origina la obturación de las canalizaciones y la consiguiente uesta fuera de serviciodelamáquina. Este fenómeno se roduce en las soluciones acuosas como es el caso del bromuro de litio en agua, de tal manera que ara cada concentración existe una temeratura or debajo de la cual se detecta la reciitación de la sal. Una correlación, basada en datos exerimentales, entre temeratura de cristalización y concentración en bromuro de litio es la siguiente: T [K]= , ,035 x ,97 x ,263 x siendo ahora "x" el titulo en bromuro de litio de la solución exresado en tanto or uno. 9

10 Pag 37 IMPERFECCIONES Causas de la cristalización Pag 38 IMPERFECCIONES Pérdidas de carga En máquinas de absorción, trabajando con el ar bromuro de litio- agua, la cristalización tiene lugar rincialmente en la solución obre a la salida del intercambiador, generada bien or un enfriamiento acusado, bien or una alta concentración en absorbente (BrLi), siendo reciso en todo caso un calentamiento ara conseguir el aso hacia solución líquida. Las causas rinciales que roducen cristalización en la solución obre son: Bajas temeraturas del medio externo que enfría el absorbedor, en cuyo caso la solución rica en refrigerante abandona este equio con baja temeraturayescaazdeenfriarfuertementealasoluciónobre,asuaso or el intercambiador, udiendo desencadenar con ello la cristalización. Altas temeraturas o fuertes suministros caloríficos en generador, en ambos casos se roduce una solución muy concentrada en bromuro que a su aso or el intercambiador corre eligro de cristalizar. Este roceso uede deberse a la entrada de aire, recordemos que se trabaja en vacío, or lo que las resiones aumentan ante la resencia de este incondensable, dando como resultado un descenso de la otencia frigorífica y un incremento de la otencia suministrada or generador ara aumentar aquélla. Las canalizaciones que interconectan or un lado evaorador y absorbedor, y or otro generador con condensador, introducen érdidas de carga, cuyo resultado es la desigualdad de resiones entreestasarejasdeequios,detalmaneraque: 0 (eva.) > A (absorb.) G (gener.) > K (condens.) Si la resión de absorbedor es inferior a la de evaorador, el titulo en refrigerante de la solución rica en equilibrio con la temeratura en absorbedor desciende, haciéndolo también la caacidad de absorción de vaores ara un mismo caudal másico. Por su arte, la mayor resión en generador, resecto a la de condensador, trae como consecuencia, ara una temeratura fija en generador, un mayor título en refrigerante ara la solución obre y con esto una menor osibilidad de absorción de vaores cuando ésta alcance el absorbedor. Pag 39 IMPERFECCIONES Efecto de las érdidas de carga Pag 40 OTRAS IMPERFECCIONES G K 0 A Xo Xr Xr' X' X PRESIÓN HIDROSTÁTICA. En el generador, durante el roceso de searación de refrigerante, se decanta la solución obre en la arte inferior del equio, y como consecuencia de la altura de líquido, la resión de salida de la solución líquida es mayor que la considerada teóricamente, siendo su efecto similar al de una mayor concentración en refrigerante y or tanto una menor caacidad de absorción de vaores de refrigerante. En la máquina realmente no ocurre este incremento de concentración sino que se mantiene la misma concentración ero alejada de las condiciones de saturación; or lo que a efectos de cálculo la variación en la concentración roduce el mismo efecto. ALEJAMIENTO DE LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO. La erfecta transferencia de calor y masa que debería roducirse en el absorbedor ara conseguir unas condiciones de equilibrio en las soluciones finales, no uede alcanzarse en los equios reales que trabajan en la máquina, or lo que los títulos de las soluciones no alcanzan los valores teóricos deducidos de un diagrama de Old-Ham. Este efecto de saturación incomleta a la salida del absorbedor uede ser contabilizado como un incremento de la concentración en bromuro de litio. T 0 T G T T A = T K 10

11 MAQUINAS DE AMONIACO-AGUA Rectificador MAQUINAS DE AMONIACO-AGUA T x 3v >> x 1 3v 2l 1 2 3l 2v 3 3v Calentamiento 1 2 Enfriamiento 2v 3 2l 3l Searación II 100% de A 0% de B Concentración x 100% de B 0% de A Searación I MAQUINAS DE AMONIACO-AGUA Pag 44 MAQUINAS DE ABSORCION 11