T10.- Otros Ciclos de Producción de Frío

Transcripción

1 10.- ecnología Otros Ciclos nergética de Producción (G.I..I.) de Frío Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Al alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, ) y elaborar sus propios apuntes Departamento: Area: Ingeniería léctrica y nergética áquinas y otores érmicos CARLOS J RNDO renedoc@unican.es Despachos: SN 236 / SII S lfn: SN / SII Refrigeración por orción (I) l ciclo necesita calor a (generador), para obtener efecto refrigerante a (evaporador); como residuo se ha de extraer calor a media (absorbedor y condensador) Su coste de operación es bajo si el calor es residual. Apenas tienen partes móviles, no genera vibraciones ni ruidos, y tiene mantenimiento reducido. Se usa una mezcla de dos componentes: refrigerante y absorbente. Las mezclas más utilizadas son: NH 3 -H 2 OyLiBr-H 2 O l NH 3 es el refrigerante y el H 2 O el absorbente l H 2 O es el refrigerante, y el LiBr el absorbente ( evap >0ºC, entre 5 y 10ºC) La tensión de vapor del refrigerante se ve alterada por la presencia del absorbente al la cantidad de absorbente) Con la concentración de la mezcla, se controla la de evaporación 2

2 3.- Refrigeración por orción (II) Una máquina de absorción de efecto simple (I) Refrigeración por orción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) l refrigerante continúa hacia el condensador 3a Se aporta calor con el que se evapora el refrigerante 2 Al absorbente retorna al absorbedor 3b 1 Al generador se le aporta la mezcla líquida de refrig. y absorbente

3 3.- Refrigeración por orción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) l refrigerante se licua en el Condensador 3a l refrigerante continúa hacia el condensador 2 Necesita refrigeración externa auxiliar 3b 1 5 l refrigerante líquido continua hacia la expansión Refrigeración por orción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) l refrig se licua, en el Cond., lo que requiere ceder calor 3a 5 l refrig. líquido entra en el evaporador, a baja presión se evapora produciendo frío 6 l refrig. líquido, pasa a través de una expansión 7 8 l vapor de refrigerante continúa 6 hacia el absorbedor

4 3.- Refrigeración por orción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) 3b l paso de la mezcla desde el absorbedor al generador una bomba, (única parte móvil del sistema) n el orbedor se mezclan: el vapor de refrig. (evap); 8 la mezcla diluida (gen.); 3b La reacción de absorción es exotérmica, y necesita refrigeración, externa auxiliar. De no ser así dificultando la absorción Refrigeración por orción (IV) Una máquina de absorción de efecto simple (III) Para mejorar la eficiencia se instala un intercambiador de calor precalienta la mezcla que va al generador refrigera el absorbente que retorna al absorbedor Se puede instalar una expansión auxiliar en el absorbente que retorna del generador 8

5 3.- Refrigeración por orción (V) l calor que se debe eliminar ( abs + cond ) es grande, ( gen + evap ) n máquinas de absorción: ( abs + cond ) 2,5 Potencia maquina C A G COP G 0.7 G n máquinas de compresión: ( cond ) 1,25 Potencia maquina C W comp COP W comp W comp 1.25 eliminado en absorción 2 eliminado en compresión Refrigeración por orción (VI) Las máquinas suelen tener dos partes: el generador y el condensador el evaporador y el absorbedor Hay fabricantes que colocan toda la máquina en una única carcasa 10

6 3.- Refrigeración por orción (VII) l suministro térmico en los arranques debe ser mayor que en régimen La capacidad se controla con la concentración el absorbedor: strangulando la alimentación de calor en el generador Disminuyendo la refrigeración del condensador Regulando el caudal que le llega al hervidor Bypasando la solución con una válvula de tres vías en el hervidor (las dos conexiones con el absorbedor) Sistema bromuro de litio-agua (BrLi-H 2 O), requiere en el generador ª de 100 C Refrigeración por orción (VIII) Sistema amoniaco-agua (NH 3 -H 2 O), requiere en el generador de C l NH 3 es tóxico y además ataca el cobre Las máquinas y tuberías tienen que ser de acero e inoxidable Necesita un rectificador entre el generador y el condensador ya que con el amoniaco se evapora agua 12

7 3.- Refrigeración por orción (IX) n el rendimiento del ciclo hay que considerar el aporte de calor en el generador, la energía mecánica (bombas y ventiladores) se desprecia l COP típico de las máquinas comerciales de LiBr-H 2 O, es de 0,7 l COP de las de NH 3 -H 2 O es de 0,5 (trabajan a menores evap ) l rendimiento total es el de la producción del frío por el de la de calor Frío condensador evaporador evaporador generador generador condensación con en K al en el generador al en el condensador/absorbedor Refrigeración por orción (X) Las máquinas son voluminosas y caras, especialmente si funcionan con bajas en el generador Sólo son rentables cuando el calor muy barato, y las horas de funcionamiento anual a plena carga son elevadas n los sistemas solares la disponibilidad de calor con la necesidad de refrigeración La intermitencia del Sol hace necesario un sistema de almacenamiento térmico No son rentables 1

8 3.- Refrigeración por orción (X) Las máquinas son voluminosas y caras, especialmente si funcionan con bajas en el generador orre Sólo deson rentables cuando el calor muy barato, y las horas de funcionamiento anual a plena carga son elevadas otor Refrigeración otor otor Generador Generador léctrico G.. G. Aux. Cond./. vaporador Agua nfriada Bomba 15 Bomba 3.- Refrigeración por orción (X) Las máquinas son voluminosas y caras, especialmente si funcionan con bajas en el generador Colectores solares Sólo son rentables cuando el calor muy barato, y las horas de funcionamiento anual a plena carga son elevadas Bomba Generador n los sistemas solares la disponibilidad de calor con la necesidad de refrigeración G. Aux. orre de Ref. La intermitencia del Sol hace necesario un sistema de almacenamiento térmico Cond./. vaporador Agua nfriada Bomba Bomba No son rentables 16

9 3.- Refrigeración por orción (IX) l diagrama que representa la mezcla de trabajo es el Dühirng (P-) Se debe evitar la cristalización de la sal, que depende de la presión, y es peligroso en el arranque de la máquina, cuando la es baja Refrigeración por orción (X) 18

10 10.- Otros Ciclos de Producción de ª Frío 3.- Refrigeración por orción (X) Otros Ciclos de Producción de ª Frío 3.- Refrigeración por orción (IX) 20

11 10.- Otros Ciclos de Producción de ª Frío 2.- Refrigeración por absorción (VIII) Otros Ciclos de Producción de ª Frío 2.- Refrigeración por absorción (VIII) 22

12 2.- Refrigeración por orción (XI) NH 3 -H 2 O Refrigeración por orción (XII) Otros ciclos de absorción (I) Buscan aumentar la capacidad frigorífica, el rendimiento, o poder realizar el suministro térmico a temperaturas reducidas Ciclos multiefect (el calor se aprovecha varias veces) Ciclos multistage (un elemento más de una vez) 2

13 3.- Refrigeración por orción (XIII) Otros ciclos de absorción (II) Double ffect Cycle: ste ciclo aprovecha el calor desprendido en la refrigeración de un condensador de alta en un generador de baja (máquina grande y cara) iene COP del orden de 1,2 Necesita un 0% menos de calor que el de simple efecto La refrigeración auxiliar libera al exterior 25% menos de calor G D.. G S.. COP COP D.. S.. 1,2 0,7 0,83 60% 1,3 C C A D.. A S.. G G D.. S.. COP COP D.. S.. 1,2 0,7 75% Refrigeración por orción (XIII) Otros ciclos de absorción (II) Double ffect Cycle Presión Condensador H.P. Generador H.P. Calor a alta. Calor a med.. Condensador.P. Generador.P. vaporador orbedor 26 emperatura

14 3.- Refrigeración por orción (XIII) Otros ciclos de absorción (II) Double ffect Cycle Presión Condensador H.P. Generador H.P. Calor a alta. Calor a med.. Condensador.P. Generador.P. vaporador orbedor 27 emperatura 3.- Refrigeración por orción (XIV) Otros ciclos de absorción (III) Half ffect Cycle: ste ciclo aprovecha el calor a dos focos térmicos distintos (alta y media temperatura) iene COP del orden de 0,5 Necesita un 0% mas de calor que el de simple efecto La refrigeración auxiliar libera al exterior 25% más de calor G H.. G S.. COP COP H.. S.. 0,5 0,7 2 1,3 10% C C A D.. A S.. G G H.. S.. COP COP H.. S.. 0,5 0,7 125% 28

15 3.- Refrigeración por orción (XIV) Otros ciclos de absorción (III) Half ffect Cycle: Presión Condensador H.P. Generador H.P. Calor orbedor.p. Generador.P. Calor orbedor L.P. vaporador 29 emperatura 3.- Refrigeración por orción (XV) Otros ciclos de absorción (IV) Single-effect/double-lift: Busca conseguir gran enfriamiento en el agua de alimentación al generador (del orden de 30ºC frente a los 10 de un ciclo convencional) Puede funcionar como uno de Double ffect, o como Half ffect l COP varía en función de como trabaja 30

16 3.- Refrigeración por orción (XV) Otros ciclos de absorción (IV) Single-effect/double-lift: Busca conseguir gran enfriamiento en el agua de alimentación al generador (del orden de 30ºC frente a los 10 de un ciclo convencional) Condensador Puede funcionar como uno de Double ffect, o como G.H.P.H.. G.H.P... Half ffect l COP varía en función de como trabaja Presión orbedor.p. G..P... vaporador orbedor L.P. 31 emperatura 3.- Refrigeración por orción (XV) Otros ciclos de absorción (IV) Single-effect/double-lift: Busca conseguir gran enfriamiento en el agua de alimentación al generador (del orden de 30ºC frente a los 10 de un ciclo convencional) Condensador Puede funcionar como uno de Double ffect, o como G.H.P.H.. G.H.P... Half ffect l COP varía en función de como trabaja Presión G..P... orbedor.p. vaporador orbedor L.P. 32 emperatura

17 3.- Refrigeración por orción (XIV) Cond. Gen. vap.. 33 C.O.P. Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. 3

18 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador Ref de la solución del 75%. Se desea conocerocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. p cond = p gen p 2 = p 3 p = p 5 p evap = p abs cond = abs 2 1 La bomba no calienta la mezcla Fig Refrigerante - absorbente Condiciones 1: (refrigerante-absorbente) en estado de saturación abs = cond = 30ºC p evap 2: a la salida de la bomba (h cte = h 1 = h 2 ) y entrada al intercamb. p cond 3: Salida de mezcla al intercambiador p cond : ntrada de absorbente al intercambiador gen = 70ºC p cond 5: Salida del absorbente del intercambiador p cond 6: orbente retornando al absorbedor tras expansión auxiliar p evap 7: Vapor de agua gen 70ºC p cond 8: Agua líquida a saturación cond = 30ºC p cond 9: Agua saturada a las salida de la expansión (h cte = h 8 = h 9 ) eva = 10ºC p evap 10: Vapor de agua saturado seco eva = 10ºC p evap ez 35 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Intercambiador Calor orbente Calor c p orbente orbente c p Inter c p orbente orbente p c p ax c p ax min c cp orbente cp orbente Inter 5 2 min c p c min p Inter 70 0,75(70 30) Int 1 0º C ax Para el refrigerante (agua) le corresponde una presión de saturación en función de la : 70ºC p gen =0,03120 Pa = 31,2 kpa abla 30ºC p cond =0,0025 Pa =,25 kpa 10ºC p eva =0,00123 Pa = 1,23 kpa Figura Pto 1: abs = con =30ºCyp eva =1,23kPaX LiBr =8% Pto : gen =70ºCyp con =,25kPa XLiBr = 58% 36

19 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. abla 70ºC p gen =0,03120 Pa = 31,2 kpa 30ºC p cond =0,0025 Pa =,25 kpa 10ºC p eva =0,00123 Pa = 1,23 kpa 37 Pto 1: abs = con =30ºCyp eva =1,23kPaX LiBr =8% Pto : gen =70ºCyp con =,25kPa XLiBr = 58% 38

20 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Ref ez Pto, ºC P, kpa % h, kj/kg 1 1, , h 6 h 2 h 1 6 1,23 h , % h (H 2 O) h 8 1, Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Pto 1 Ptos y 5 Pto 1 59 Pto Pto 166 0

21 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Pto, ºC P, kpa % h, kj/kg , h 2 h 1 ez 3 70, Ref h ,23 h , % h (H 2 O) h 8 1,

22 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Pto 10 Pto 8 Pto Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Pto, ºC P, kpa % h, kj/kg , h 2 h 1 ez 3 70, Ref h ,23 h , % (H 2 O) 1, h 9 h 8

23 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Se debe realizar un balance energético en el intercambiador para calcular h 3 nergíantra nergía Sale Ref ez h 2 h h h 3 h h h h h h h h 5 Gen : : %Ab %Ab %Ab %Ab 6 3 %Ab 3 abs % Ab Se debe hacer un balance de masa de absorbente en el generador o en el absorbedor: asa %Ab 1 ntra ntra %Ab %Ab 58 asa ntra Sale Sale % Ab Sale Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Se debe realizar un balance energético en el intercambiador para calcular h 3 h 3 h 2 h h 5 Ref ez Se debe hacer un balance de masa de absorbente en el generador o en el absorbedor: 8 58 h 3 h2 h h5 h h 3 107,8 kj / kg 6

24 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. ez Suponiendo que circula 1 kg de refrigerante Ref (en el evap y cond) Y sabiendo % (8%) y el % (58%) se pueden conocer la yla Ref Re f Re f 1 0,8 1 0,8 1 0,52 1,923 kg 0,8 1,923 kg 0,923 kg 7 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. Comprobar que: Gen vap Cond Gen Re f (h7 h3 ) (h h3 ) Ref ez 1(2.626,1 107,8) 0,923 ( ,8 ) 2.518,3 53, vap Re f 10 9 (h h ) 1(2.519,21125,73) 2.393,8 kj Cond Re f 7 8 (h h ) 1(2.626,1 125,73) 2.500,37 kj , , ,5.965,5 5.00,9 (0,8%) Re f (h h ) (h h ) 1(2.519,21 59) 0,923 (107 59) 2.60,2,3 2.50,5 8

25 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con gen. 70ºC, evap. 10ºC, cond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo abs. = cond. COP vap Gen 2.393, ,93 No se han considerado los saltos térmicos existentes en los intercambiadores del generador, absorbedor, evaporador y condensador, lo que reduciría el COP hasta valores cercanos al 0,7 9.- Otros Ciclos (I) Ciclo Compresión - orción: iene versatilidad de funcionamiento nlazados en paralelo o en cascada 50

26 Con válvulas de 3 vías.- Otros Ciclos (I) Condensador A.. V. xp. 2 Ciclo Compresión - orción: iene versatilidad de funcionamiento nlazados en paralelo o en cascada vaporador A.. Generador A.. Intercambiador. orbedor A.. Agua calentada Agua a calentar Condensador B.. V. xp. 1 vaporador B.. 51 Sólo Compresión en B.ª.- Otros Ciclos (I) Condensador A.. V. xp. 2 Ciclo Compresión - orción: iene versatilidad de funcionamiento nlazados en paralelo o en cascada vaporador A.. Generador A.. Intercambiador. orbedor A.. Agua calentada Agua a calentar Condensador B.. V. xp. 1 vaporador B.. 52

27 .- Otros Ciclos (I) Sólo orción en B.ª Condensador A.. V. xp. 2 Ciclo Compresión - orción: iene versatilidad de funcionamiento nlazados en paralelo o en cascada vaporador A.. C AP Agua calentada Agua a calentar Condensador B.. Generador B.. Intercambiador. V. xp. 1 vaporador B.. orbedor B Otros Ciclos (I) orción y Compresión en Paralelo Condensador A.. V. xp. 2 Ciclo Compresión - orción: iene versatilidad de funcionamiento nlazados en paralelo o en cascada vaporador A.. C AP Agua calentada Agua a calentar Condensador B.. Generador B.. Intercambiador. V. xp. 1 vaporador B.. orbedor B.. 5

28 orción en B.ª en cascada con Compresión en A.ª.- Otros Ciclos (I) Condensador A.. V. xp. 2 Ciclo Compresión - orción: iene versatilidad de funcionamiento nlazados en paralelo o en cascada vaporador A.. C AP Agua calentada Agua a calentar Condensador B.. Generador B.. Intercambiador. V. xp. 1 vaporador B.. orbedor B.. 55 Compresión en B.ª en cascada con orción en A.ª.- Otros Ciclos (I) Condensador A.. V. xp. 2 Ciclo Compresión - orción: iene versatilidad de funcionamiento nlazados en paralelo o en cascada vaporador A.. Generador A.. Intercambiador. orbedor A.. Agua calentada Agua a calentar Condensador B.. V. xp. 1 vaporador B.. 56

29 .- Otros Ciclos (II) agneto-érmico (I): (A m 2 /kg) 5 Ferromagnetismo Aplicación de un campo magnético, H 3 2 Paramagnetismo Paramagnetismo Desorden en la orientación Alta entropía > Curie Ferromagnetismo Ordenamiento 1 de espines Baja entropía < Curie 0 Curie (K) 57.- Otros Ciclos (II) agneto-érmico (II): l material toma calor del espacio a refrigerar Se retira y magnetiza el material l material se calienta l material entra en el espacio a refrigerar Se pone en contacto con el medio exterior Se retira el campo magnético l material se sigue enfriando con el medio exterior l material libera calor en el exterior 58

30 .- Otros Ciclos (II) agneto-érmico (III): S H = 0 A D A Ciclo magnético de Carnot Dos procesos adiabáticos (A-B y C-D) y los otros dos procesos isotermos (B-C y D-A) B B C H >> 0 S D D H = 0 A A C C Ciclo magnético de Brayton Dos procesos adiabáticos (A-B y C-D) y los otros dos con intensidad magnética cte (B-C y D-A) 59 B B H >> 0.- Otros Ciclos (II) agneto-érmico (III): S S H = 0 H >> 0 A B aterial n S H = 0 H = 0 aterial 2 H >> 0 A aterial H 1>> 0 B D C D C A l Ciclo AR B l lecho magnético Ciclo puede magnético contener de Carnot uno o más materiales, D C ordenados Dos procesos de menor adiabáticos a mayor (A-B temperatura y C-D) y los de Curie A B otros dos procesos isotermos (B-C y D-A) Ciclo magnético de Brayton Dos procesos adiabáticos (A-B y C-D) y los otros dos con intensidad magnética cte (B-C y D-A) 60

31 61.- Otros Ciclos (II) S H = 0 A B H >> 0 agneto-érmico (III): S D C H = 0 A D B C H >> 0 D A C Ciclo magnético de Brayton Dos procesos adiabáticos (A-B y C-D) y los otros dos con intensidad magnética cte (B-C y D-A) B A B Ciclo magnético de Carnot Dos procesos adiabáticos (A-B y C-D) y los otros dos procesos isotermos (B-C y D-A) S S 62

32 .- Otros Ciclos (III) Ciclo ermo-acústico (I): Sonido emperatura del extremo cerrado > emperatura del extremo abierto 63.- Otros Ciclos (III) Ciclo ermo-acústico (II): Foco Caliente FC 2 Calor Gas 3 Pila FF FC 1 Pérdidas de calor por conducción Foco Frío FF S 6

33 .- Otros Ciclos (III) Ciclo ermo-acústico (III): Gas Intercambiador de calor (el calor entra) Calor Pila FC Pila Altavoz Intercambiador de calor (el calor sale) Gas Calor Pila FF 65 Bibliografía del ema. orrella La Producción de Frío jercicios de Producción de Frío ASHRA HANDBOOKS (CD`s) Fundamentals; Cap 1 Refrigeration; Cap 1 Climatización con Gas Natural Sistemas de orción y Compresión Gas Natural 66