CAPÍTULO 3: SISTEMA DE ADSORCIÓN

Transcripción

1 CAPÍTULO 3: SISTEMA DE ADSORCIÓN En este capítulo se va a desarrollar los principios del proceso de adsorción, los tipos de adsorbentes utilizados y las características de la máquina de adsorción con la descripción de su funcionamiento. Se muestran los productos de los principales fabricantes, indicando rangos de temperaturas de trabajo, potencias y rendimientos, las instalaciones más significativas y finalmente se resumen con las ventajas e inconvenientes que presenta esta tecnología. 1. Introducción El interés en sistemas de adsorción comenzó a incrementarse en los años 70 debido a la crisis de la subida del precio del petróleo y también en los 90 por los problemas medioambientales derivados del uso de refrigerantes nocivos para la capa de ozono (CFC y HCFC) y que aumentaban el efecto invernadero [16]. Además, con el incremento del consumo de energía en el mundo, es urgente encontrar modos de producir energía de la forma más eficiente posible. Por ello, máquinas que pueden recuperar el calor residual a baja temperatura y/o funcionar con energía solar, como las máquinas de adsorción, pueden ser una alternativa muy interesante para reducir el consumo energético. El ciclo convencional de adsorción ha sido presentado extensamente en la literatura (como se verá en este capítulo). Como introducción destacar que [17]: La refrigeración por adsorción es un proceso cuasi continuo que requiere al menos 2 compartimentos o cámaras con material de sorción y que operan en paralelo. Los sistemas disponibles en el mercado usan generalmente agua como refrigerante y gel de sílice como adsorbente. La máquina consiste básicamente en 2 compartimentos adsorbentes, el evaporador y el condensador. Mientras el adsorbente en el primer compartimento se regenera usando agua caliente de la fuente de calor externa (como por ejemplo agua caliente procedente del captador solar), el adsorbente en el segundo compartimento (llamado adsorbedor) adsorbe el vapor de agua que llega del evaporador; este compartimento tiene que ser enfriado para poder conseguir una adsorción continua. En comparación con sistemas de compresión mecánica de vapor, los sistemas de adsorción suponen un ahorro de energía si la fuente de calor procede de un recurso renovable, como la energía solar, o de energía térmica sobrante de un proceso industrial. Tienen además un control más sencillo, no producen vibraciones y poseen unos costes de operación más bajos. 53

2 2. Descripción de la máquina de adsorción En este apartado se habla ampliamente de la enfriadora de adsorción a través de un primer punto donde se comenta con brevedad como se produce la adsorción y los tipos que hay, los tipos de adsorbentes más usados en este proceso y, por último, la explicación del funcionamiento y de las partes de que consta una máquina de adsorción Principios de la adsorción La adsorción es un proceso reversible mediante el cual un gas es fijado en un sólido, habitualmente un material poroso. El sólido que adsorbe es el adsorbente y el material gaseoso adsorbido en la superficie es el adsorbato. También es un proceso exotérmico, el calor es debido a la condensación del adsorbato más la energía generada en la unión adsorbente-adsorbato. A su vez, la desorción es el proceso inverso de la adsorción y constituye un proceso endotérmico. La selectividad común de un adsorbente entre el soluto y el fluido portador o entre varios solutos, hace posible la separación de ciertos componentes presentes en el fluido. El proceso de adsorción global consta de una serie de etapas. Cuando el fluido pasa alrededor de la partícula en un lecho fijo, el soluto primero se difunde desde el volumen del fluido hacia toda la superficie exterior de la partícula. Luego, el soluto se difunde desde el interior del poro hasta la superficie del mismo. Por último, el soluto se adsorbe sobre la superficie. La acumulación por unidad de área es pequeña; por consiguiente se prefieren los sólidos altamente porosos con áreas internas muy grandes por unidad de volumen. Generalmente las superficies son irregulares y las energías de enlace son debidas básicamente a las fuerzas de van der Waals. El nivel de actividad de la adsorción se basa en la concentración de la sustancia en el agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar (sustancia que es soluble en agua) no puede ser adsorbida por el adsorbente, por el contrario, una sustancia no polar es posible ser adsorbida por el adsorbente. A partir de consideraciones empíricas, Freundlich llegó a la ecuación: donde: x: masa del adsorbato (kg) (12) 54

3 m: masa del adsorbente, (kg) p: presión de equilibrio del adsorbato (bar) K y 1/n son constantes para un adsorbato y adsorbente dados, y para una temperatura particular Existen otras ecuaciones como las de Langmuir, pero debido a la mayor aplicabilidad se da mayor relevancia a la función de Freundlich Tipos de adsorción Hay dos tipos de procesos de adsorción: adsorción química y adsorción física [13] como se explica a continuación. a) Adsorción Física También llamado fisisorción se produce si el adsorbato y la superficie del adsorbente interactúan sólo por medio de fuerzas de Van der Waals. Las moléculas adsorbidas están ligadas débilmente a la superficie y los calores de adsorción son bajos, apenas unos cuantos kj, comparables al calor de vaporización del adsorbato. El aumento de la temperatura disminuye considerablemente la adsorción. Adsorbentes como la zeolita, el gel de sílice, el carbón activo y la alúmina tienen una estructura altamente porosa con una relación superficie/volumen del orden de cien por lo que pueden adsorber sustancias refrigerantes. Cuando se satura se puede regenerar simplemente con calentamiento para que esa cámara se libere. La capa adsorbida en la adsorción física puede variar en espesor, desde una molécula a muchas moléculas, debido a que las fuerzas de Van der Waals se pueden extender desde una capa de moléculas a otras. El proceso es intermitente debido a que el adsorbente se regenera cuando se satura. Por ello, una máquina de adsorción consta de al menos 2 cámaras o lechos de adsorción porque así se consigue que las cámaras inviertan el ciclo de tal modo que donde se produce la adsorción se producirá la desorción y viceversa para conseguir que no pare la producción de frío y la operación sea continua. 55

4 Figura 31. Arcillas con propiedades de adsorción de sustancias b) Adsorción Química Denominada también quimisorción, se produce cuando las moléculas adsorbidas reaccionan químicamente con la superficie, en este caso se forman y se rompen enlaces. La adsorción química no va más allá de una monocapa en la superficie. Se caracteriza por la unión química fuerte entre el adsorbato y el adsorbente. Por lo tanto, es más difícil de revertir y requiere más energía para eliminar las moléculas adsorbidas que en la adsorción física. El producto más usado en este tipo de adsorción ha sido el cloruro de calcio (CaCl 2 ). También han sido utilizados silicatos (Tokarev et al., 2002; Restuccia et al., 2004). El primero desarrolló un material compuesto de CaCl 2 y silicato MCM-41 con un COP de 0.7 funcionando con 40 ºC de Tª del condensador y 110 ºC de generación. Restuccia con un compuesto similar, consiguió un COP de 0.6 a 35 ºC el condensador y 95 ºC de generación. La refrigeración con el adsorbente metal hidruro usa el hidrógeno como refrigerante, con lo que se podría integrar con los sistemas que usen este combustible. La temperatura del agua caliente de un sistema de una etapa se inicia desde los 80 ºC, dependiendo del hidruro que se usa y la temperatura de calor de rechazo. Se obtiene un COP en torno a 0.5 (Gopal y Murthy, 1995; Hoyland, 2002). 56

5 2.3. Tipos de adsorbentes Los adsorbentes son materiales naturales o sintéticos de estructura amorfa y microcristalina. Los utilizados en gran escala son el carbón activo, la alúmina activa, la zeolita, el gel de sílice, la tierra de Fuller, otras arcillas, etc... Se han desarrollado muchos adsorbentes para una amplia gama de separaciones. Por norma, los adsorbentes tienen forma esférica, pequeños gránulos cuyos tamaños comprenden de 0.1 mm a 12 mm. Una partícula de adsorbente tiene una estructura muy porosa, con numerosos poros muy finos, cuyo volumen alcanza hasta el 50 % del volumen total de la partícula. La adsorción suele ocurrir como una monocapa sobre la superficie de los poros, pero a veces se forman varias capas. La adsorción física, o de van der Waals, por lo general sucede entre las moléculas adsorbidas y la superficie interna sólida del poro, y es fácilmente reversible. Existen varios adsorbentes comerciales y algunos de los principales se describen a continuación. Todos se caracterizan por grandes áreas superficiales de los poros, que van desde 100 hasta más de 2000 m 2 /g. 1. Carbón activo. Éste es un material microcristalino que proviene de la descomposición térmica de madera, cortezas vegetales, carbón, etc., y tiene áreas superficiales de 300 a 1200 m 2 /g con un promedio de diámetro de poro de 10 a 60 A. Las sustancias orgánicas generalmente adsorben carbón activo. 2. Gel de sílice. Este adsorbente se fabrica tratando con ácido una solución de silicato de sodio y luego secándola. Tiene un área superficial de 600 a 800 m 2 /g y un promedio de diámetro de poro de 20 a 50 A. Se utiliza principalmente para deshidratar gases líquidos y para fraccionar hidrocarburos. 3. Alúmina activada. Para preparar este material se activa el óxido de aluminio hidratado calentándolo para extraer el agua. Se usa ante todo para secar gases y líquidos. Las áreas superficiales fluctúan entre 200 y 500 m 2 /g con un promedio de diámetro de poro de 20 a 140 A. 4. Zeolitas tipo tamiz molecular. 57

6 Estas zeolitas son aluminosilicatos cristalinos porosos que forman una red cristalina abierta que tiene poros de uniformidad precisa. Por tanto, el tamaño uniforme del poro es diferente al de otros tipos de adsorbentes que tienen una gama de tamaños de poro. Las diversas zeolitas tienen tamaños de poro que van de cerca de 3 a 10 A. Las zeolitas se usan para secado, separación de hidrocarburos y de mezclas y muchas otras aplicaciones. 5. Polímeros o resinas sintéticas. Se fabrican polimerizando dos tipos principales de monómeros. Los que se generan a partir de compuestos aromáticos como el estireno y el divinilbenceno se usan para adsorber compuestos orgánicos no polares de soluciones acuosas. Los que provienen de esteres acrílicos se utilizan para solutos más polares en soluciones acuosas. El adsorbente que más se suele usar en las máquinas de adsorción es el gel de sílice como la sustancia más común y también carbón activo, alúmina y zeolitas pero en menor medida La máquina de adsorción La máquina de adsorción es una enfriadora cuyo ciclo de producción de frío es análogo al de compresión tradicional en donde se sustituye la compresión mecánica por una compresión térmica a través de las cámaras donde se lleva a cabo el proceso de adsorción y desorción alternativamente. En general la máquina de adsorción tomará energía térmica de una fuente de energía convencional, un efluente térmico o una fuente de energía renovable como la solar. Si es un recurso renovable, que no se controla, o existe un aporte de energía térmica auxiliar o la máquina no funciona. Dicha máquina trabaja con diversos pares de trabajo que tienen como adsorbente a las sustancias descritas en el apartado anterior y como adsorbato (refrigerante) principalmente al agua, aunque también pueden ser otras sustancias como el metanol, etanol y amonio. De todas estas parejas adsorbente/adsorbato, la más usada sin lugar a dudas es la compuesta por gel de sílice como adsorbente y agua como refrigerante. Una enfriadora de adsorción, es una máquina dividida en cuatro compartimentos (ver figura 32): Un evaporador en la parte inferior de la máquina. Dos cámaras de adsorción en la parte central (donde tienen lugar los procesos de adsorción/desorción). Un condensador en la parte superior de la máquina. 58

7 Las dos cámaras de adsorción están conectadas al condensador y al evaporador mediante válvulas. Contienen intercambiadores de calor donde circula agua caliente o fría para eliminar o aportar el calor necesario. Mientras que las cámaras de adsorción que contienen al adsorbente cuentan con una válvula entre ellas para permitir la igualación de la presión de vapor. Entre cada cámara de adsorción, el evaporador y el condensador hay también válvulas que permiten la transferencia de vapor cuando hay una diferencia de presiones suficiente. Figura 32. Esquema de una enfriadora de adsorción de simple efecto a) Funcionamiento Los fluidos de trabajo son el agua como refrigerante y el gel de sílice o zeolita como adsorbente. La máquina funciona de forma totalmente automática con un ciclo de operación de unos minutos que es el tiempo en el que se llevan a cabo las cuatro etapas representadas en la figura 33. El funcionamiento de una máquina de adsorción es el siguiente: En el evaporador, el agua del circuito de frío de la instalación, aporta el calor del proceso que se quiere refrigerar, evaporando el fluido refrigerante (agua en este caso) que se encuentra a baja presión (Etapa 1 de la figura 33). En esta etapa, la válvula que conecta el evaporador con la cámara de adsorción (cámara 1) está abierta y la válvula que conecta esta cámara con el condensador está cerrada. De esta forma, el agua evaporada entra en la cámara, que se encuentra a una presión ligeramente inferior a la presión del evaporador. El fluido refrigerante es adsorbido por el adsorbente, que se va saturando durante el proceso de adsorción. Como este proceso es exotérmico, por 59

8 el intercambiador de la cámara circula agua procedente del circuito de torre para disipar el calor generado. Condensador ETAPA 2 Evaporador Condensador ETAPA 1 Evaporador Figura 33. Etapas de una enfriadora de adsorción de simple efecto Mientras, en la otra cámara (cámara 2) tiene lugar el proceso de desorción para regenerar el adsorbente que se encuentra saturado de vapor de agua del ciclo anterior. Como este proceso es endotérmico, se hace circular agua caliente a través del intercambiador de calor. La válvula que conecta el condensador con la cámara de desorción (cámara 2) está abierta y la válvula que conecta esta cámara con el evaporador está cerrada. La presión en el interior de esta cámara es ligeramente 60

9 superior a la presión del condensador, por lo que el vapor de agua (fluido refrigerante) que se libera del adsorbente como consecuencia del proceso de desorción, pasa al condensador del equipo. En el condensador, el fluido refrigerante condensa, cediendo calor al agua del circuito de torre. El vapor de agua condensado pasa al evaporador a través de la válvula de expansión, cerrándose el ciclo. Cuando el adsorbente de la cámara 1 está saturado de agua y el adsorbente en la cámara 2 está seco, la máquina automáticamente invierte las funciones de las dos cámaras. El primer paso es cerrar las válvulas que conectan ambas cámaras con el evaporador y condensador, y abrir las válvulas entre las dos cámaras permitiendo que las presiones se igualen. A continuación, el agua caliente de la cámara de desorción (cámara 2) se hace circular a través de la cámara 1 para transferirle el calor residual de la cámara 2 y comenzar el proceso de calentamiento de ésta. El proceso de inversión de las cámaras se completa y comienza el proceso de desorción en la cámara 1 y el proceso de adsorción en la cámara 2 (Etapa 2 de la figura 33), repitiéndose el proceso descrito. El proceso es capaz de funcionar con una amplia gama de temperaturas del agua. Se regula fácilmente y se equilibra el rendimiento utilizando múltiples programas de control. Para obtener el mejor rendimiento, el agua caliente debe estar a unos 90 ºC, el agua de refrigeración entre ºC y el agua fría en la salida entre 11 5 ºC. Las únicas partes móviles en el interior del refrigerador son simples amortiguadores barométricos que se abren automáticamente cuando la presión en el interior de las cámaras cambia. No hay componentes en el interior del refrigerador que necesiten ser reparados habitualmente. Las válvulas de control del agua tienen una vida útil de un millón de ciclos y están diseñados para durar toda la vida de la enfriadora. En definitiva, este equipo funciona de manera similar a una máquina de absorción, pero en comparación con este sistema tiene una serie de ventajas e inconvenientes que serán tratados en el apartado 5.2. Durante el calentamiento de un lado, el receptor está parcialmente enfriado por el el flujo de agua fría del condensador, para extraer el calor generado a través de la adsorción. Después de la expiración del tiempo de ciclo, cambia por medio de válvulas de accionamiento neumático. Las cámaras están conectadas con diferentes soportes automatizados. El sistema operativo de los soportes se determina por las diferencias de presión en las cámaras durante el ciclo de operación. 61

10 El refrigerante llega a la parte superior de la cámara de evaporación por gravedad o con la ayuda de una pequeña bomba. a) Tipos de máquinas de adsorción La máquina descrita en el esquema anterior se denomina de simple efecto. Esta constitución puede variar colocando 3 o más cámaras adsorbentes para aumentar el rendimiento como en la figura 34. Cuenta con 3 cámaras además de 2 evaporadores con distintos niveles de presión que permiten ahorrar energía y, por tanto, mejorar el rendimiento. El agua fría entra en el evaporador a la presión más alta al principio, y se enfría a una temperatura determinada. Luego pasa por el evaporador de baja presión y se enfría hasta la temperatura requerida, por ejemplo, 7 ºC. El proceso de enfriamiento en dos etapas permite que el agua fría pase a tener una diferencia de temperatura más grande, de unos 9 ºC, en comparación con la de los sistemas convencionales de refrigeración por adsorción que son de unos 5 ºC. La gran diferencia de temperatura tiene un efecto de reducción de la potencia de la bomba, porque la tasa de flujo de masa del agua fría para abastecer una determinada cantidad de energía de enfriamiento se puede reducir con la mejora de rendimiento que ello conlleva. Figura 34. Esquema de una maquina de adsorción con 3 cámaras adsorbentes y 2 evaporadores 62

11 Puede haber variantes en el modelo que aumenten aún más el rendimiento o la potencia como son las de doble efecto que cuenta con 4 cámaras adsorbentes (como aparece en la figura 35) o las de triple efecto que tienen 6 cámaras. El concepto de doble y triple efecto es que tiene como objetivo extraer la mayor entalpía del calor residual de baja calidad posible antes de que sea desechado y no aprovechado. Por tanto, tienen mayor rendimiento (COP) que las de simple efecto porque aprovechan el refrigerante a alta temperatura como fuente de calor secundaria gratuita. También es capaz de reducir al mínimo la fluctuación de la temperatura del agua fría para aplicaciones donde se requiera un control estricto de la temperatura. Figura 35. Esquema de una maquina de adsorción de doble efecto (con 4 lechos o camas) Si bien de doble efecto se han comenzado a probar, las de triple efecto todavía se encuentran en una fase muy poco desarrollada. 63

12 Las enfriadoras de doble efecto cuentan con 4 cámaras en total y pueden alcanzar un COP de 1.2, mientras que las enfriadoras de simple efecto tienen un COP de 0.4 para aplicaciones residenciales, pudiendo llegar a 0.7 en algunas aplicaciones comerciales con dispositivo de recuperación de calor. Por otro lado, los fabricantes están desarrollando enfriadoras de triple efecto aunque todavía no han llegado al mercado. Se componen de 6 cámaras (3 pares) y se prevé que se pueda alcanzar con esta mejora un COP de 1.5. Según el artículo [18], para el mismo calor residual e igual temperatura de entrada, una enfriadora de doble efecto genera una capacidad de refrigeración un 70 % superior a una máquina con configuración típica de simple efecto. A su vez, una refrigeradora de triple efecto genera un 40 % más de capacidad de refrigeración que la de doble efecto. 3. Instalación de refrigeración solar con máquina de adsorción En este apartado se representan un esquema de una instalación donde va incorporada una máquina de adsorción. En la figura 36 observamos un esquema típico de una instalación con un sistema de adsorción compuesto por los sistemas descritos a continuación: Figura 36. Esquema de la instalación de climatización por adsorción 64

13 Sistema de captación Formado por uno o varios captadores solares térmicos que transforman la radiación solar en energía térmica que calienta, a su vez, el fluido de trabajo. Por lo tanto, son los encargados de proveer de agua caliente a la máquina de adsorción para que se pueda llevar a cabo el ciclo de desorción. Los captadores solares son el componente principal de cualquier sistema de aprovechamiento de la energía solar. Dependiendo del tipo de instalación y la configuración de los diferentes sistemas de conexión varía el tipo de captador solar a emplear. Han sido explicados con anterioridad. Los captadores de tubo de vacío y los de placa plana de alta calidad son los más utilizados en este tipo de máquinas. Mientras que los captadores de concentración parabólicos normalmente no son muy usados. Sistema de acumulación Se trata del almacenamiento de la energía térmica obtenida a través de los captadores solares, en el cual se acumula el agua caliente o fría en tanques distintos hasta su uso posterior, para aplicaciones de apoyo a climatización y producción de ACS instantáneo. Estos acumuladores deben tener una relación ancho/alto lo más baja posible para favorecer la estratificación de la energía dentro del acumulador y así obtener un mayor rendimiento del sistema solar. En el esquema de la figura 36, aparece el almacenamiento de frío en la parte inferior en color azul ( cold storage ) mientras que hay 3 depósitos de acumulación que se encuentran en la parte central con los números 1, 2 y 3. Máquina de adsorción Se describen las conexiones que presenta una máquina de adsorción en una instalación solar como la de la figura 36. El sistema de captación es el encargado de suministrar de agua caliente a la cámara que lleve a cabo la desorción al ser un proceso endotérmico que necesita energía. Los sistemas de acumulación se encargan de suministrar agua fría o agua caliente para poder climatizar en períodos con poca aportación solar. La torre de refrigeración se encarga de circular agua de refrigeración sobre la cámara en la que se lleva a cabo la adsorción. 65

14 Torre de refrigeración Las torres de refrigeración tienen como misión disipar a la atmósfera el calor ganado al aire en las unidades de refrigeración. En este caso se utiliza para disipar el calor de condensación ya que la máquina de adsorción condensa por agua. Este agua es recogida en un depósito desde donde es enviada de nuevo a los circuitos de refrigeración. En la figura 37 se muestra un esquema del modelo de torre de refrigeración en la que el agua es rociada sobre los serpentines que contienen el líquido refrigerante y que en este punto está en fase gaseosa. El agua absorbe de este fluido el calor necesario para evaporarse. Al final del proceso el refrigerante es devuelto a la unidad de refrigeración y el agua se recoge en un depósito desde donde será reciclada. Figura 37. Torre de refrigeración En la figura 38, una máquina de adsorción puede ser colocada en paralelo con otra para aumentar su potencia con la suma de las 2 y poder climatizar recintos mayores. 66

15 Esta aplicación es especialmente interesante para los fabricantes alemanes ya que su oferta se limita a equipos de pequeñas potencias. Incluye conexión con captadores solares, torre de enfriamiento y almacenamiento de energía térmica. Figura 38. Diagrama de flujo de un sistema de enfriamiento solar por adsorción. b) Rendimiento El COP (rendimiento) en refrigeración es sinónimo de eficiencia energética y se define como la relación entre la cantidad de refrigeración obtenida y la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración. En este cómputo no se incluyen los consumos auxiliares de energía eléctrica necesarios para el funcionamiento de bombas y ventiladores. El SCP (specific cooling power, la capacidad de enfriamiento) de la cámara de adsorción y el COP serán: (13) (14) Y el calor efectivo del numerador será el provocado por la diferencia de temperaturas del agua de enfriamiento mientras que Q h será la cantidad de energía necesitada para conseguir la refrigeración proveniente de la diferencia de temperaturas del agua caliente como se muestran en las siguientes expresiones: 67

16 (15) (16) Siendo: Q ref : potencia de enfriamiento (W) Q h : potencia de calentamiento (W) G h : caudal de agua caliente (kg s-1) G chilled : caudal de agua de enfriamiento (kg s -1 ) C p,w : el calor específico del agua (J kg -1 K -1 ) m s : la masa del adsorbente usado (kg) i: número de intervalo de adquisición de datos n: frecuencia de adquisición de datos (s) T chilled,in : temperatura entrada enfriamiento (ºC) T chilled,out : ídem de salida (ºC) T h,in-out : temperatura agua caliente a la entrada y a la salida (ºC) 68

17 4. Fabricantes Hay principalmente 2 fabricantes japoneses de enfriadoras de adsorción como son Mycom Mayekawa y Nishiyodo y 3 fabricantes alemanes: GBU, Invensor y Sor Tech AG [19]. Los fabricantes japoneses diseñan enfriadoras para grandes potencias ( kw) mientras que las empresas alemanas fabrican pequeños equipos (7 50 kw). Con el nombre de MYCOM, Mayekawa Mfg. Co. Ltd. produce una enfriadora de adsorción de gel de sílice/agua (modelos ADREF) con rangos entre los 35 hasta 350 kw para la industria de producción de aire acondicionado. Estas unidades pueden funcionar con calor a una temperatura de entre ºC. El COP se ha calculado para una temperatura de 9 ºC de salida, 75 ºC de agua caliente a la entrada y 30 ºC de temperatura ambiente y está en torno a 0.6. La potencia eléctrica de consumo de estas unidades es normalmente un 6 % de la capacidad de enfriamiento y el porcentaje peso/enfriamiento a la salida es de 0.2 toneladas/kw. Hoy en día esta empresa parece que ya no se dedica al negocio de las enfriadoras de adsorción porque no se encuentran referencias recientes y su página web no oferta estos equipos. NISHIYODO KUCHOUKI CO. LTD, produce también enfriadoras de adsorción de gel de sílice/agua. Estas máquinas se comercializan en EEUU por la empresa HIJC USA Inc. y en España por ICOGEN-SA. Dichas enfriadoras (modelo ADCM) tienen capacidades entre kw capaces de enfriar a baja temperatura (50 90 ºC) y alcanzar COP superiores a GBU ha desarrollado un sistema de enfriadoras de adsorción bajo el nombre de NAK, modelo con un diseño modular y con capacidades entre kw. Esta enfriadora usa gel de sílice/agua como par de adsorción. Sor Tech AG desarrolla máquinas de adsorción a pequeña escala con los modelos ACS 08 y ACS 15, de 8 y 15 kw respectivamente. A continuación, se desarrollan los diferentes fabricantes con mayor profundidad. 69

18 A) ICOGEN NISHIYODO [9] UBICACIÓN NÚMERO DE MODELOS Japón con distribuidor en España (ICOGEN S.A.). Son ADCM-60, ADCM-90, ADCM-145, ADCM-180 RANGOS DE POTENCIAS (kw) COP NOMINAL 0.7 los 4 modelos. TEMPERATURAS DE TRABAJO: AGUA CALIENTE ºC AGUA TORRE REFRIGERACIÓN ºC AGUA FRÍA 7 12 ºC PESO, DIMENSIONES ADSORBENTE/REFRIGERANTE SISTEMA DE CONDENSACIÓN kg Gel de sílice/agua Agua ENERGÍA CONSUMIDA (KW) REFERENCIA DE INSTALACIONES Ver artículo [20] Universidad Pontificia Comillas sobre motor de microcogeneración funcionando todo el año incluyendo una máquina de adsorción para la refrigeración en verano en un edificio en Madrid. NIVEL DE DOCUMENTACIÓN APORTADA DATOS A CARGA PARCIAL PRECIO Completo. No disponible. No disponible. Figura 39. Enfriadora de adsorción NISHIYODO 70

19 B) SOR TECH AG [21] UBICACIÓN Alemania comercializada en España por Solvis. NÚMERO DE MODELOS ACS-08 ACS-15 RANGOS DE POTENCIAS (kw) 8 15 COP NOMINAL TEMPERATURAS DE TRABAJO: AGUA CALIENTE ºC AGUA TORRE REFRIGERACIÓN ºC AGUA FRÍA 6 20 ºC PESO, DIMENSIONES 295 y 590 kg 790 x 1060 x 940 y 790 x 1340 x 1390 mm ADSORBENTE/REFRIGERANTE SISTEMA DE CONDENSACIÓN Gel de sílice/agua Agua ENERGÍA CONSUMIDA (kw) y REFERENCIA DE INSTALACIONES Las que aparecen en el apartado de otras instalaciones de esta empresa y los apartados E), F), G), H) del apartado siguiente de instalaciones. NIVEL DE DOCUMENTACIÓN APORTADA Completo DATOS A CARGA PARCIAL Se ajusta automáticamente a la demanda de enfriamiento. PRECIO Desde el modelo pequeño. 71

20 Figura 40. Máquina de adsorción Sor Tech AG: a) modelo ACS 08 b) modelo ACS 15 Figura 41. Características máquina de adsorción ACS 08 y ACS 15 en modo verano e invierno 72

21 C) GBU GERMANY [22] UBICACIÓN NÚMERO DE MODELOS Alemania. Tiene hasta 4 variantes del modelo NAK. RANGOS DE POTENCIAS (kw) Desde kw. COP NOMINAL TEMPERATURAS DE TRABAJO: AGUA CALIENTE ºC AGUA TORRE REFRIGERACIÓN ºC AGUA FRÍA 3 14 ºC PESO, DIMENSIONES Desde los 4000 a los kg 3700 x 1600 x 2400 mm ADSORBENTE/REFRIGERANTE Gel de sílice/agua SISTEMA DE CONDENSACIÓN Agua ENERGÍA CONSUMIDA (kw) y REFERENCIA DE INSTALACIONES Apartado A) de instalaciones, hospital alemán. NIVEL DE DOCUMENTACIÓN APORTADA Completo. DATOS A CARGA PARCIAL PRECIO Puede funcionar a carga parcial. No disponible. Figura 42. Máquina de adsorción de la serie NAK. 73

22 D) INVENSOR [23] UBICACIÓN Alemania. NÚMERO DE MODELOS LTC 09 LTC 10 HTC 11 RANGOS DE POTENCIAS (kw) COP NOMINAL TEMPERATURAS DE TRABAJO: AGUA CALIENTE ºC AGUA TORRE REFRIGERACIÓN ºC AGUA FRÍA ºC PESO, DIMENSIONES Los 3 modelos pesan 370 kg y miden 1300 x 1650 x 650 mm. ADSORBENTE/REFRIGERANTE SISTEMA DE CONDENSACIÓN POTENCIA ELÉCTRICA CONSUMIDA (kw) REFERENCIA DE INSTALACIONES NIVEL DE DOCUMENTACIÓN APORTADA DATOS A CARGA PARCIAL Zeolita/Agua. Agua los 3 modelos. No disponible. Completo. Funcionan incrementando la eficiencia. PRECIO Desde Figura 43. Esquema de la máquina de adsorción Invensor 74

23 Junto al uso para la producción de frío, la enfriadora por adsorción se puede emplear también como bomba térmica, por ejemplo, como asistencia a la calefacción para un edificio en invierno. La instalación puede conmutarse automáticamente mediante un control prioritario en el funcionamiento para refrigerar o para calentar, de modo que es posible un servicio automatizado en ambos estados. Figura 44. Ciclo de Adsorción Las enfriadoras por adsorción se caracterizan en general por la eficacia incrementada en el funcionamiento a carga parcial. MODELO LTC En función de la aplicación, este aparato alcanza su plena capacidad de potencia ya a temperaturas de aprox. 65 C, a las que otras enfriadoras térmicas normalmente sólo ofrecen un rendimiento limitado o aún no pueden ser utilizadas. La InvenSor LTC 09 es indicada para temperaturas exteriores de hasta aprox. 35 C. Para temperaturas superiores se recomienda la serie InvenSor HTC. Se pueden alcanzar mayores potencias frigoríficas de forma muy sencilla mediante la conexión en paralelo de varios módulos. Mediante la optimización automática del punto de funcionamiento se incrementa aún más la eficacia de la enfriadora al producirse un posible funcionamiento a carga parcial. 75

24 Figura 45. Enfriadora de adsorción InvenSor modelo LTC MODELO HTC La InvenSor HTC es el productor de frío indicado para elevadas temperaturas exteriores de hasta 40 grados. Tiene las mismas dimensiones y peso que el modelo anterior. E) SWAC [24] UBICACIÓN NÚMERO DE MODELOS China. Único. RANGOS DE POTENCIAS (kw) 8.5 COP NOMINAL 0.4 TEMPERATURAS DE TRABAJO: AGUA CALIENTE 85 ºC AGUA TORRE REFRIGERACIÓN 32 ºC AGUA FRÍA 5 ºC PESO, DIMENSIONES ADSORBENTE/REFRIGERANTE SISTEMA DE CONDENSACIÓN 1500 kg Gel de sílice/agua. Agua. POTENCIA ELÉCTRICA CONSUMIDA (kw) No disponible. REFERENCIA DE INSTALACIONES Universidad de Shanghai. 76

25 NIVEL DE DOCUMENTACIÓN APORTADA Incompleto. DATOS A CARGA PARCIAL PRECIO No disponible. No disponible. Empresa china de enfriadoras de adsorción proveniente de la Universidad Shanghai cuyos equipos todavía no son comercializados y que usan el par de trabajo gel de sílice/agua. Figura 46. Enfriadora de adsorción del fabricante chino SWAC F) CONCLUSIONES Extrayendo conclusiones de los diferentes fabricantes se realiza primero una tabla resumen para comprobar los diferentes factores importantes de cada uno de ellos y poder compararlos. 77

26 Potencia (kw) COP Tª agua caliente (ºC) Tª agua enfriamiento (ºC) Tª agua fría (ºC) Peso (kg) Par de trabajo SORTECH ACS De 6 a Gel de sílice / Agua SORTECH ACS De 6 a Gel de sílice / Agua GBU De 3 a Gel de sílice / Agua Invensor LTC De 10 a Zeolita / Agua Invensor HTC De 10 a Zeolita / Agua NISHIYODO ADCM De 6 a Gel de sílice / Agua SWAC Gel de sílice / Agua Tabla 4. Características principales de los distintos fabricantes 78

27 Y lo que se puede observar viendo la tabla de la página anterior es que los fabricantes alemanes ofertan máquinas de adsorción de potencia pequeña (8 15 kw, a excepción de GBU que puede llegar a tener modelos de potencia superior a 400 kw) para usos en viviendas, oficinas o pequeña industria, mientras que el japonés y el norteamericano ofertan máquinas de mucha potencia para grandes industrias en general ( kw). El fabricante chino de momento sólo lleva a cabo prototipos para investigación y mejora. A nivel de parejas de trabajo utilizadas para el proceso de adsorción, hay una clara mayoría de fabricantes que se inclinan por usar el par gel de sílice / agua mientras que sólo uno se decide por el par zeolita / agua. El motivo de usar zeolita es porque en comparación con los adsorbentes de gel de sílice ampliamente difundidos hasta ahora, la técnica de refrigeración usando el adsorbente zeolita de la empresa Invensor permite alcanzar potencias más elevadas con un consumo de energía de accionamiento más reducida. En un punto de funcionamiento una enfriadora de gel de sílice similar necesita un 16 % más de energía para dar la misma potencia de enfriamiento que equipos que usen zeolita. En cuanto a rendimiento, el COP es muy parecido en todos los fabricantes (figura 47). Entre se encuentran casi todos los fabricantes menos el prototipo chino que sólo alcanza el 0.4. Por tanto, no se comprueba que haya una relación entre la potencia de una máquina de adsorción y su rendimiento ya que éste casi no varía. Figura 47. COP de cada fabricante 79

28 En cuanto al peso de cada máquina, el prototipo chino es, en comparación con el resto de los fabricantes en su mismo rango de potencia, superior ya que tiene un peso total de 1500 kg mientras que el resto oscilan entre los kg. Figura 48. Número de fabricantes a nivel mundial En esta figura podemos comprobar cómo hay mayoría de fabricantes alemanes hoy en día, también un importante fabricante japonés que fue de los primeros en apostar por esta tecnología, mientras que otro japonés como Mayekawa actualmente parece ser que no se dedica a esta tecnología. También hay un fabricante norteamericano y un fabricante proveniente de la universidad china que próximamente comercializará sus productos. Y por último, comentando las temperaturas de trabajo, se observa que no hay grandes diferencias entre los distintos fabricantes ya que para el agua caliente la temperatura mínima varía entre los ºC y la máxima entre los ºC. Para el agua fría la temperatura mínima varía entre los 3 10 ºC y la máxima entre los ºC. Y respecto a la temperatura del agua caliente se puede comprobar cómo Invensor puede llegar a trabajar a temperaturas inferiores al resto (hasta los 45 ºC) y cómo en general los fabricantes de cámaras de adsorción trabajan a temperaturas inferiores (50 60 ºC) que los de absorción (que a temperaturas menores a 80 ºC reducen mucho su rendimiento) con el ahorro energético que ello conlleva al tener que calentar el agua a una temperatura menor. 80

29 5. Características de los prototipos A nivel de prototipos se hace una clasificación de las diferentes máquinas de adsorción que han sido estudiadas como prototipos a nivel experimental o bien instaladas en edificios en los últimos años y que han sido presentadas en diversas publicaciones. La clasificación se ha hecho con referencia al autor del estudio, las diferentes temperaturas que se alcanzan en el proceso (del agua caliente, la de enfriamiento y la de refrigeración), la potencia de la máquina y el rendimiento experimental conseguido (COP). Se puede ver esta comparativa en la tabla 5. Conclusiones que se pueden extraer son: - La gran mayoría de parejas de trabajo usadas son gel de sílice/agua mientras que sólo un experimento usa carbón activo/metanol. - Las potencias de las máquinas son pequeñas comparadas con las que se pueden alcanzar con otras tecnologías y se encuentran en torno a los 5 20 kw. - El COP de las máquinas varía entre Casi todas las máquinas son de simple efecto menos una de doble, con lo cual todavía no es una tecnología muy extendida. 81

30 Referencia Pareja trabajo Tª agua caliente (ºC) Tª enfriamiento (ºC) Tª refrigeración (ºC) Potencia (kw) COP SCP (W/kg) Tipología D.C. Wang et al. (2005) Gel de Sílice/Agua Simple efecto A. Akahira et al. (2004) Gel de Sílice/Agua Simple efecto Antonio ferreira et al. (2011) Carbón Activado/Metanol Simple efecto Z.Z. Xia et al. (2008) Gel de Sílice/Agua Simple efecto Z.Z. Xia et al. (2008) Gel de Sílice/Agua Simple efecto Xiaolin Wang et al. (2005) Gel de Sílice/Agua Simple efecto Xiaolin Wang et al. (2005) Gel de Sílice/Agua Doble efecto M.Z. Khan et al. (2005) Gel de Sílice/Agua Simple efecto Zaizhong Xia et al. (2008) Gel de Sílice/Agua Simple efecto Zaizhong Xia et al. (2008) Gel de Sílice/Agua Simple efecto X. Q. Zhai et al. (2007) Gel de Sílice/Agua Simple efecto Tabla 5. Estudio de diversas máquinas de adsorción 82

31 6. Instalaciones con sistemas de adsorción Se hace una revisión de las instalaciones de enfriadoras de adsorción encontradas en el mundo, donde se estudiarán las potencias y rendimientos conseguidos, las temperaturas a las que trabajan, los tipos de captadores a los que van conectados y su superficie, el tipo de edificio en el que se instalan, el volumen de acumulación, el año en que se pusieron en marcha y si cuentan con un sistema auxiliar. A) Hospital Universitario de Friburgo, ALEMANIA [25]. EDIFICIO Laboratorios. MODELO Nishiyodo NAK 20/70. CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN 70 kw. TIPO DE CAPTADOR Tubos de vacío. ÁREA BRUTA DE CAPTADORES 167 m 2. FUNCIONANDO DESDE COP COBERTURA SOLAR SOBRE EL TOTAL 0.60 (nominal). 32 % de la demanda de refrigeración. VOLUMEN ACUMULACIÓN ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO 360 m 2. 6 m 3 (calor) y 2 m 3 (frío). SISTEMA AUXILIAR Vapor de condensación en intercambiador de calor, impulsado por la red de vapor del hospital. 1. DESCRIPCIÓN: El hospital de la Universidad de Friburgo, 'Klinikum Freiburg' se gestiona varias instalaciones de laboratorios. En un laboratorio aparte hay instalado un sistema solar de aire acondicionado. El área total refrigerada del edificio es de aproximadamente 360 m 2. Hay instalados dos sistemas de ventilación de caudal variable (10550 m 2 /h y 6350 m 2 /h nominales) que emplean intercambiadores de flujo cruzado para recuperar el calor en invierno. Durante la época estival, los intercambiadores enfrían el aire de renovación con el agua fría que proporciona una máquina de adsorción. La temperatura de suministro de aire es de 18 ºC. 83

32 El calor que proporciona el sistema de captadores solares térmicos se utiliza en verano para alimentar la máquina de adsorción y en invierno para calentar la renovación de aire. El sistema incorpora un depósito de agua caliente de 6 m 3 y un depósito de agua fría de 2 m 3. Si no hay suficiente radiación solar y la temperatura del depósito de agua caliente es baja, el calor lo proporciona el calor residual del hospital (la red de vapor del hospital). Una torre de refrigeración húmeda cerrada disipa el calor del agua que se utiliza en los ciclos de refrigeración del condensador y durante la fase de adsorción. Tras ajustes en el control de la máquina frigorífica, la evaluación de los datos de seguimiento de 2002 muestra valores diarios de eficiencia COP (frío útil/calor de accionamiento) durante varios días en verano en torno al valor previsto de Se consiguió una eficacia neta anual del captador del 32%. 2. COSTES: El coste total de la inversión del sistema asciende a (sin costes de monitorización). El proyecto contó con la ayuda del Ministerio Federal de Economía y Trabajo y de la empresa Sulzer Infra. La financiación acumulada fue de El coste anual de explotación y mantenimiento asciende aproximadamente a Hay que tener cuidado con el consumo de los equipos auxiliares. 3. DATOS ENERGÉTICOS Y MEDIOAMBIENTALES: Con este concepto de sistema se utiliza de manera constante la red de vapor que existe con lo que se evitan cargas máximas tanto de consumos de vapor como de electricidad durante los periodos de máxima carga de refrigeración que coinciden con las máximas ganancias del sistema de energía solar. Se prevén ahorros de energía primaria y de emisiones de CO 2. En la máquina de adsorción únicamente se emplean materiales respetuosos con el medio ambiente. Figura 49. Instalación en el hospital de Friburgo: a) Enfriadora de adsorción. b) Captadores solares. 84

33 B) Gr. Sarantis S.A., Viotia, GRECIA [7] EDIFICIO MODELO CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN Almacén de productos de cosmética de la empresa Gr. Sarantis S.A. No disponible. 700 kw. TIPO DE CAPTADOR Placa plana. ÁREA BRUTA DE CAPTADORES No disponible. FUNCIONANDO DESDE COP COBERTURA SOLAR SOBRE EL TOTAL 0.60 (nominal). 66 % de la demanda de refrigeración. VOLUMEN ACUMULACIÓN No disponible. ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO 2700 m 2. SISTEMA AUXILIAR 1. DESCRIPCIÓN No disponible. El proyecto se denomina "PHOTONIO" y está relacionado con la instalación de un sistema de aire acondicionado centralizado que utiliza energía solar para calentar y enfriar los nuevos edificios y los almacenes de la empresa de productos cosméticos Sarantis, S.A. El espacio climatizado tiene un área de m 2 ( m 3 ) y lo que se hizo fue instalar un campo de captadores de placa plana selectiva de m 2 fabricado en Grecia por la empresa SOLE S.A. 2. DATOS ECONÓMICOS El coste total de la inversión ascendió a , siendo el 50% financiado por el Programa Nacional para la Energía (del Ministerio griego de Desarrollo). El proyecto recibió el galardón Premio Mundial a la Energía 2001 por ser la tercera mejor inversión mundial de energía sostenible de ese mismo año, así como un reconocimiento del CRES (Centro de Recursos de Energía Renovable) en Grecia por ser la mejor inversión de ahorro energético de ese país en DATOS ENERGÉTICOS Y MEDIOAMBIENTALES Para enfriar el edificio se necesitan al año del orden de kwh. Los captadores solares suministran a dos máquinas de adsorción agua caliente a una temperatura de 85

34 entre 70 y 75 ºC, y trabajando con un rendimiento del 60 %. Ambas máquinas de adsorción utilizan el agua caliente solar como fuente de energía y producen agua fría a una temperatura de 8 10 ºC. Las máquinas de adsorción carecen de piezas móviles y utilizan niveles mínimos de electricidad para hacer funcionar las bombas de vacío (1.5 kw). La potencia útil de cada máquina es de 350 kw (700 kw en total). Para cubrir los máximos de demanda se han instalado tres máquinas frigoríficas convencionales de 350 kw cada una. En invierno, los captadores solares a menudo producen agua caliente a una temperatura aproximada de 55 ºC que circula directamente por los fancoils que hay en el edificio. Unas calderas sustituyen al campo de captadores durante los días nublados. El agua fría (durante el verano) y el agua caliente (en invierno) se dirigen a las unidades de acondicionamiento de aire locales donde enfrían o calientan el aire ambiental si es necesario. RESULTADOS TÉCNICOS: Periodo evaluado: 12 meses. Producción de energía solar: kwh. Refrigeración: kwh. Calefacción: kwh. Carga total de energía convencional: kwh. Cobertura solar: 66 %. Reducción de CO2: kg/año. 86

35 Figura 50. Fotos de distintas partes de la planta: a) Vista aérea de la planta. b) La enfriadora de adsorción. c) Captadores solares de placa plana usados. C) Shanghai Research Institute of Building Science Shanghai, CHINA [24] EDIFICIO Oficinas. MODELO SWAC. CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN 17 kw. TIPO DE CAPTADOR Tubos de vacío, tipo U. ÁREA BRUTA DE CAPTADORES 90 m 2. FUNCIONANDO DESDE COP 0.4 (nominal). COBERTURA SOLAR SOBRE EL TOTAL 72 %. VOLUMEN ACUMULACIÓN No disponible. ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO 275 m 2. SISTEMA AUXILIAR No disponible. Edificio verde con 90 m 2 de captadores solares de tubo de vacío de tipo-u en el suroeste del tejado formando 40º de inclinación sobre la superficie. El edificio tiene en total 460 m 2 de sistema de enfriamiento solar. Dentro del edifico, (que cuenta con energía termosolar, fotovoltaica, ventilación natural, luz natural ) se pusieron 2 enfriadoras de adsorción de capacidad nominal 8.5 kw, una torre de enfriamiento y tanque de almacenamiento de la energía solar no usada de 2.5 m 3. La temperatura media del agua caliente fue de 70.2 ºC, mientras que la media de la capacidad de refrigeración de las 2 enfriadoras es de 15.3 kw. La media del COP fue Cabe destacar que en verano la fracción solar que suministró energía al sistema fue del 72 %. 87

36 D) Energy research Center of the Netherlands (ECN) [26] EDIFICIO MODELO CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN Vivienda inhabitada. Prototipo ECN. 2.5 kw. TIPO DE CAPTADOR Tubos de placa plana. ÁREA BRUTA DE CAPTADORES 15 m 2. FUNCIONANDO DESDE COP COBERTURA SOLAR SOBRE EL TOTAL No disponible. VOLUMEN ACUMULACIÓN No disponible. ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO 120 m 2. SISTEMA AUXILIAR Sistema de micro-trigeneración. Usando el par gel de sílice/agua, el Centro de investigaciones de Energía de Holanda (ECN) lleva a cabo el proyecto de una enfriadora de adsorción simple en una vivienda familiar con una potencia de 2.5 kw. Se puede llegar hasta una temperatura de agua fría de 4 ºC. Las condiciones nominales de operación son: agua caliente a 80 ºC, agua de refrigeración a 30 ºC y la fría a 15 ºC. Figura 51. Influencia del tiempo de ciclo en el rendimiento térmico El tiempo de ciclo es la duración de un ciclo completo de calentamiento y enfriamiento de un reactor. Se observa que un ciclo por debajo de los 6 minutos reduce el COP y la 88

37 potencia, mientras que cuanto más dure el ciclo mayor será el COP y mayor será el descenso de la potencia. Un tiempo óptimo de ciclo estaría entre los 8-10 minutos. Figura 52. Enfriadora de adsorción producida por la ECN La máquina ha sido instalada en una vivienda inhabitada en Petten (Países Bajos) pero con los gastos de energía propios de una vivienda normal para poder probar si es factible eliminar la dependencia energética en la vivienda. Incluye un sistema de micro-trigeneración. Figura 53. Vivienda en Petten (Países Bajos) donde se lleva a cabo la prueba Paralelamente a la prueba se sigue investigando para conseguir una máquina de adsorción que pueda salir al mercado y comercializarse. 89

38 E) Restaurante en Friburgo, ALEMANIA [25] EDIFICIO Restaurante. MODELO SORTECH ACS 05. CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN 5.5 kw. TIPO DE CAPTADOR Placa plana. ÁREA BRUTA DE CAPTADORES 22 m 2. FUNCIONANDO DESDE COP COBERTURA SOLAR SOBRE EL TOTAL 30 %. VOLUMEN ACUMULACIÓN (calor) 2 m 3. ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO 42 m 2. SISTEMA AUXILIAR No disponible. Figura 54. Máquina de adsorción de tipo SORTECH ACS 05 Durante un año de operación (desde agosto 2008 hasta julio 2009), se consiguió una media de COP medido de La cobertura de energía solar térmica sobre el total del calor de entrada para enfriamiento y calefacción fue del 30%. Durante el invierno, la 90

39 máquina funciona en modo bomba de calor y como resultado de este modo de funcionamiento se obtuvo un COP para toda la temporada de calefacción de Figura 55. Captadores solares del tipo placa plana Figura 56. Esquema de funcionamiento del sistema de adsorción 91

40 F) Vivienda sostenible en Aqaba, JORDANIA [27] EDIFICIO Vivienda unifamiliar. MODELO SORTECH ACS 15. CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN 15 kw. TIPO DE CAPTADOR Tubos de vacío. ÁREA BRUTA DE CAPTADORES 50 m 2. FUNCIONANDO DESDE COP VOLUMEN ACUMULACIÓN 0.60 (nominal). No disponible. ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO 480 m 2. COBERTURA SOLAR SOBRE EL TOTAL SISTEMA AUXILIAR 72 % de la demanda de refrigeración. Torre de refrigeración de 42.5 kw. En Aqaba (Jordania) se lleva a cabo la construcción de una vivienda ecológica usando materiales respetuosos con el medio ambiente. Se trata de una vivienda de 480 m 2. Necesita ser refrigerada ya que se superan los 40 ºC en verano, pero los inviernos son suaves y no hace falta calefacción. Se tiene especial cuidado con la orientación para aprovechar la ventilación natural y las sombras. Se usa una enfriadora de adsorción para refrigerar toda la casa con el modelo ACS 15 de 15 kw y con la instalación de captadores de tubo de vacío. Se incluye una torre de refrigeración de 42.5 kw. 92

41 Figura 57. Exteriores de la vivienda de Aqaba (Jordania) Figura 58. Enfriadora de adsorción Sor Tech ACS 15 93

42 G) Edificio residencial en Thening, AUSTRIA [25] EDIFICIO Vivienda unifamiliar. MODELO SORTECH ACS 05. CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN 5.5 kw. TIPO DE CAPTADOR Placa plana. ÁREA BRUTA DE CAPTADORES 40 m 2. FUNCIONANDO DESDE COP COBERTURA SOLAR SOBRE EL TOTAL 0.60 (nominal). 100% de la demanda de refrigeración. VOLUMEN ACUMULACIÓN (calor) ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO 177 m 2. 6 m 3 en 3 tanques. SISTEMA AUXILIAR Calentamiento por biomasa quemando pellets en una caldera de 10 kw. Figura 59. Vivienda con climatización por adsorción 94

43 H) CNRS PROMES Research Center Office, Perpignan, FRANCIA [25] EDIFICIO Oficinas. MODELO SORTECH ACS 08. CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN TIPO DE CAPTADOR 7.5 kw. Placa plana. ÁREA BRUTA DE CAPTADORES 25 m 2. FUNCIONANDO DESDE COP COBERTURA SOLAR SOBRE EL TOTAL VOLUMEN ACUMULACIÓN 0.60 (nominal). 100% de la demanda de refrigeración. 0.3 m 3 (calor) y 0.3 m 3 (frío). ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO 177 m 2. SISTEMA AUXILIAR NO En este ejemplo es en el único en el que tenemos la descripción de los cotes: COSTE (24000 colectores máquina adsorción almacenamiento control electrónico/monitorización). Figura 60. Colectores de placa plana e interior de las oficinas 95

44 I) Breve descripción de otras instalaciones Ante la insuficiencia de datos de los ejemplos siguientes, se adjuntan fotos y una pequeña información sobre estas instalaciones. SORTECH [21] Hay una instalación en vivienda privada, en concreto en Alzenau (Alemania) con la enfriadora de adsorción ACS 08. Cuenta con 24 m² de captadores de placa plana, un sistema de enfriamiento previo para aumentar el rendimiento, el RCS 08, y es un sistema de aire acondicionado central. Figura 61. Enfriadora de adsorción ACS 08 en Alzenau (Alemania) En un edificio de oficinas en Gaweinstal y en Viena (Austria), se usa una enfriadora de adsorción de tipo ACS 08 con 32 m 2 de captadores de placa plana y caldera de gas que acondicionan un área de 200 m 2 con fan coils. Figura 62. Enfriadora de adsorción ACS 08 en Viena (Austria) Y en Pisa (Italia) se colocaron enfriadoras de adsorción en un hotel del modelo grande de SORTECH (ACS 15) y con una superficie de captadores de placa plana de 60 m 2, utilizando fan coils y refrigeración del suelo. 96

45 Figura 63. Enfriadora de adsorción ACS 15 en un hotel de Pisa (Italia) ECOMAXCHILLERS [28] A continuación se presentan diversas instalaciones de grandes potencias de esta empresa americana aunque se disponen de muy pocos datos, sólo la ubicación y la potencia de la máquina de adsorción. Cámaras de este tipo se han colocado en 2010 en una embajada americana y en un centro tecnológico en Ciudad de México: Figura 64. Trigeneración en embajada americana con potencia de 525 kw. 97

46 Figura 65. Centro Tecnológico en Ciudad de México con 105 kw. También se instaló una enfriadora de adsorción en una firma de arquitectura en Georgia (USA, septiembre de 2010). Figura 66. Firma de Arquitectura en Georgia (USA) con 140 kw. Trigeneración con 2 microturbinas 98

47 J) Conclusiones En el artículo [15] relativo a la situación de los sistemas de refrigeración solar en el mundo, se hace mención a ratios de m 2 de superficie de captadores por kw de potencia instalado en relación con la tecnología y los tipos de captadores solares que se usen como se puede observar en la figura 67. El % indica el porcentaje de la combinación de captadores solares/tecnología sobre el total de los sistemas de refrigeración solar que se encuentran instalados en Europa. Figura 67. Ratios usados para cada combinación de captadores/tecnología por kw producido También se lleva a cabo una tabla del ratio de los m 2 de captadores solares que hacen falta por kw potencia producida para las instalaciones con refrigeración por adsorción estudiadas en el apartado anterior y se obtiene la tabla 6 donde se resume la localidad, el uso que tiene el edificio, la potencia de la máquina de adsorción, la superficie, el tipo de captadores y el ratio descrito anteriormente. El clima influirá porque en países con mayor irradiación solar por su posición geográfica necesitarán menor superficie de captadores solares para obtener la misma potencia ya que su producción será mayor. 99

48 Localidad Uso Edificio Potencia (kw) Sup. Captadores (m 2 ) Tipo Captador m 2 /kw Cobertura solar Friburgo (Alemania) Hospital Tubos de vacío % Viotia (Grecia) Almacén Placa plana % Shanghai (China) Oficinas Tubos de vacío Petten (Países Bajos) Vivienda Placa plana Aqaba (Jordania) Vivienda Tubos de vacío % Alzenau (Alemania) Vivienda 8 24 Placa plana Viena (Austria) Oficinas 8 32 Placa plana Perpignan (Francia) Oficinas 8 25 Placa plana % Pisa (Italia) Hotel Placa plana Thening (Austria) Vivienda Placa plana % Friburgo (Alemania) Restaurante Placa plana % Tabla 6. Resumen de las instalaciones con sistemas de adsorción Se obtiene unos valores muy parecidos a los que se muestran en el artículo anterior relacionado con la revisión de instalaciones de refrigeración solar en el mundo, lo que nos lleva a concluir que efectivamente un ratio entre 3 5 m 2 de captador por cada kw de potencia que requiramos es un parámetro razonable para llevar a cabo el cálculo de instalaciones de refrigeración solar y dimensionar la superficie de captadores que harían falta para alimentar a una máquina de adsorción. Evidentemente cuanto mayor demanda con el sol se quiera cubrir mayor será la superficie necesaria de captadores. Aunque se observa como en Jordania por su clima el rango de superficie por energía producida es menor aunque tiene un porcentaje de demanda solar sobre el total muy alto y esto ocurre por la gran radiación solar que tiene. En la gráfica siguiente se hace un resumen de la ubicación geográfica de las instalaciones estudiadas anteriormente y se constata el hecho de que es Europa donde se concentran un mayor número de instalaciones que usan la tecnología de la adsorción, mientras que países emergentes como China o Jordania van apostando por este tipo de tecnología más limpia y con un gran futuro por delante en detrimento de energía más contaminante. Por otro lado, cabe hacer mención a que Estados Unidos también tiene varios ejemplos de instalaciones con cámaras de adsorción pero a nivel de grandes industrias. 100

49 Figura 68. Distribución geográfica de las instalaciones estudiadas en este apartado En cuanto a los usos que tienen estas instalaciones hay una mayoría que se dedica o a viviendas o a oficinas, mientras que usos más minoritarios son en un hotel, en un restaurante, en un almacén de cosméticos y en un hospital. Figura 69. Usos que tienen las instalaciones con máquinas de adsorción 101

50 Potencia (kw) C.O.P. Hospital (Alemania) Almacén cosméticos (Grecia) Oficinas (China) Vivienda (Holanda) Restaurante (Alemania) Vivienda (Jordania) Vivienda (Austria) Oficinas (Francia) Hotel (Italia) Tabla 7. Rangos de potencia y rendimiento de instalaciones En esta tabla, se hace un resumen con las potencias instaladas de las máquinas de adsorción de las distintas instalaciones y el rendimiento (COP) que han conseguido alcanzar. En rojo estarían los rendimientos que se han podido medir mientras que el resto son datos de rendimientos nominales. Conclusiones que se pueden extraer de los datos anteriores es que no hay una relación directamente proporcional que justifique que a mayor potencia el rendimiento mejorará. En principio en las instalaciones con mayor potencia el rendimiento es de los mejores pero, por ejemplo, el rendimiento que tiene una instalación de 700 kw es muy parecido al que tienen instalaciones con 70 y con 15 kw de potencia. Parece un factor más determinante (como se verá en el apartado siguiente) el tipo de fabricante que sea contratado para cada instalación. Según la marca comercial que se elija, se tendrá un mayor o menor nivel de desarrollo de esta tecnología que ocasionará que alcance un determinado rendimiento. Otra opción si se trabaja con fabricantes de pequeñas potencias (como suele ocurrir en Europa), es instalar un mayor número de equipos cuanto mayor sea el área climatizada. Pero también se llevan a cabo otras soluciones como instalar varios tipos de fuentes de energía renovables o que sólo un porcentaje de la climatización provenga de fuentes renovables para necesitar menos equipos y/o potencia. 102

51 7. Análisis comparativo 7.1. Costes económicos Se tiene un cuadro con los costes de cada sistema en la figura 70 [13]: Con la ayuda de este estudio, se llega a la conclusión de que la opción más económica de todas es el sistema de absorción de una etapa con un coste total del sistema de unos 1000 /kw enfriamiento. Las siguientes opciones más económicas son el sistema de adsorción de una etapa y el de absorción de doble etapa con unos costes en torno a los 1200 /kw enfriamiento. Mientras que la opción de sistemas desecantes es más cara debido a que se maneja grandes cantidades de aire y agua. La mayoría de enfriadoras de adsorción trabajan con el sistema gel de sílice/agua [13]. Consisten en dos cámaras separadas que contienen el material de adsorción y que son operadas cíclicamente en procesos de adsorción/desorción. El gel de sílice/agua se puede utilizar como el par adsorbente/refrigerante para una enfriadora de adsorción de dos etapas, que puede utilizar el calor solar de baja temperatura inexplotado y ofrece una posibilidad atractiva para mejorar la conservación de la energía y la eficiencia. Su cuota de mercado es significativamente inferior a la de máquinas de absorción. Este tipo de refrigerador se produce en Japón y Alemania, sin embargo, durante los últimos años algunas máquinas han sido instaladas en Europa y EE.UU. Una refrigeradora de adsorción puede tener aplicación en los siguientes mercados: refrigeración de oficinas, industria alimentaria, industria química, fábricas de cerveza, agricultura y calefacción. La combinación de una enfriadora de adsorción con captadores solares ofrece una técnica simple y una solución de ahorro de energía, especialmente en las regiones del sur de Europa como Grecia, España e Italia. Por otro lado, según datos de la empresa Sor Tech AG, el valor promedio necesario de superficie de captador de los sistemas de refrigeración instalados en Europa es de alrededor de 3 m²/kw. Un valor de 3.5 a 4.5 puede considerarse como un valor de referencia para la adsorción térmica a pequeña escala. Los costes totales específicos de los sistemas de refrigeración (sin costes de instalación y distribución del frío) están en Europa entre 5000 y 8000 /kw (datos de 2008). Estos precios están bajando y se espera que se sitúen en el futuro a 3000 /kw convirtiéndose con el tiempo en una posibilidad atractiva dentro de la refrigeración. 103

52 Figura 70. Rendimientos y coste de varios sistemas de refrigeración solar 104

53 7.2. Ventajas e inconvenientes En resumen, como se ha visto a lo largo del proyecto, esta tecnología presenta las siguientes ventajas frente a la refrigeración por compresión mecánica: Todas las enfriadoras térmicas tienen muy pocas piezas móviles y no requieren el mantenimiento y la atención que sí necesitan los sistemas de refrigeración mecánica al no tener compresor. Las enfriadoras térmicas eliminan también los refrigerantes CFC y HFC por completo que son tan dañinos para el medio ambiente. Y cuando se asocia con una fuente de calor residual, se ahorra grandes costes eléctricos respecto a una enfriadora mecánica. El consumo eléctrico de una enfriadora de adsorción usando calor residual es de kw/ton mientras que para la mecánica es de 0.65 kw/ton con lo que supone un ahorro económico y de emisiones de un 99%. Es idónea para emplazamientos alejados de la red eléctrica. Y también presenta ventajas respecto a la refrigeración por absorción: Para temperaturas bajas del generador presenta un rendimiento mayor, con lo cual puede ser muy interesante su aplicación según la temperatura necesaria en el proceso. Es importante analizar el gráfico inferior, donde se representa en abscisas la temperatura del agua caliente, que en condiciones nominales es de 90 ºC, y en ordenadas la variación de la capacidad de refrigeración. La curva superior se refiere a la máquina de adsorción, mientras que la inferior es la correspondiente a una máquina de absorción. La reducción de la capacidad en la máquina de absorción al reducir la temperatura del agua caliente de aportación a 80 ºC, casi la deja fuera de servicio ya que la temperatura mínima de operación en ese tipo de máquinas es del orden de 75 ºC mientras que la de adsorción no desciende tanto. 105

54 Figura 71. Comparación rendimientos según varía la temperatura del agua caliente Aunque son más usados comercialmente las máquinas de absorción frente a las de adsorción, las primeras tienen el problema de elevados costes de mantenimiento por posibles problemas de corrosión. Además estas máquinas suelen requerir trabajar con agua destilada mientras que las de adsorción usan agua de grifo reduciendo costes. Al no utilizar productos químicos como el bromuro de litio y el amoniaco, se eliminó el potencial de fugas de materiales peligrosos, agresivos a la corrosión, y los requisitos de análisis químico para su control. No tienen problemas de cristalización como si ocurre con la absorción. La particularidad fundamental de esta máquina es su adaptabilidad a las variaciones, tanto de caudal como de temperatura de la fuente de calor, normalmente procedente de procesos residuales o bien de cogeneración, lo que implica que la capacidad de la máquina cuando varía el caudal de agua caliente un 50 % sólo queda afectada en el 5 %, (como se muestra en la figura 71) y que la variación de la temperatura del agua enfriada, con variaciones de caudal del 20 %, sólo quedan afectadas en 1 ºC, aproximadamente. Una refrigeradora de adsorción reduce significativamente los costes de mantenimiento y conservación mediante la sustitución de la sal corrosiva de la absorción (LiBr) por gel de sílice o zeolita que no son corrosivos. Aumenta la fiabilidad de esta máquina respecto a la otra. 106

55 No requiere cambiar el adsorbente (se regenera) mientras que el absorbente hay que cambiarlo cada 4 o 5 años. Por último, las enfriadoras de adsorción son capaces de ponerse en marcha casi de inmediato y el equipo se apaga sin una preparación especial, mientras que las de absorción pueden tardar hasta 30 minutos en empezar y no deben ser apagadas a menudo. A nivel de inconvenientes que presenta esta tecnología, los principales son: Tiene un COP inferior a una máquina de absorción y muy inferior a la compresión mecánica (es difícil logra una alta eficiencia en la recuperación del calor) como se comprueba en la figura 72. Requiere mayor espacio y peso que otras tecnologías para una misma potencia. El uso de máquinas de adsorción es relativamente nuevo con los costes iniciales que conlleva al haber también pocos fabricantes de esta tecnología. Es importante garantizar una estanqueidad alta (el vacío en caso de que el agua sea el refrigerante). Las variaciones cíclicas de temperatura en los ciclos hidráulicos (especialmente en el calentamiento). Hay sólo unos pocos cientos de instalaciones de enfriadoras de adsorción en todo el mundo, frente a varios miles de máquinas de absorción. Hay muy pocos fabricantes de enfriadoras de adsorción en el mundo, con los problemas que conlleva si hacen falta repuestos o reparaciones. Aquí se observa la zona de temperaturas donde la tecnología la adsorción presenta un mejor rendimiento que la absorción y es cuando se trabaja a temperaturas bajas. 107

56 Figura 72. Comparación entre la refrigeración por adsorción vs absorción. A continuación se muestra una tabla donde se compara las tecnologías de absorción y adsorción en cuanto a potencias, tamaño, peso, rendimiento y temperaturas de funcionamiento, comprobando que el rendimiento es superior en general en las máquinas de absorción con respecto a las de adsorción [26]: Tabla 8. Comparación de sistemas de absorción y adsorción para máquinas de pequeñas potencias inferiores a 20 kw. 108