Sistemas alternativos a los ciclos con CFCs

Transcripción

1 Sistemas alternativos a los ciclos con CFCs Ramón Gómez Rodríguez. Profesor de la E.S. de la Marina Civil. Departamento de Ciencias de Materiales, Náuticas Máquinas y Motores térmicos de la Universidad de La Coruña. 1.- Introducción Desde los comienzos de la tecnología de la refrigeración a mediados del siglo XIX diversos principio fueron utilizados un las máquinas frigoríficas, así como numerosos frigorígenos y sus mezclas. Sin embargo desde comienzos de este siglo uno de estos sistemas, el ciclo de compresión de vapor o ciclo inverso de Ranking es el más empleado en un amplio margen de temperaturas y potencias frigoríficas, las razones son claras, la eficacia energética es mucho mayor y el mantenimiento es sencillo. A partir de 1930 con la aparición de los CFCs conocidos como fluidos de seguridad la utilización de pequeños equipos aumenta considerablemente. El sistema de compresión es con mucho el más utilizado en refrigeradores domésticos, congeladores, muebles frigoríficos de venta en supermercados y tamvbién en los grandes almacenes frigoríficos, industria alimentici, industria química, etc. Hoy nos encontramos con problemas medioambientales, como la destrucción de la capa de ozono y el efcto invernadero de lo que son responsables en buena medida los CFCs, por lo que deber de ser sustituidos por otros menos agresivos para elmedio ambiente. Se debe trabajar en dos caminos distintos, por un lado en el desarrollo de nuevos fluidos, seguros y no contaminantes y por otro, en el desarrollo de ciclos que puedan utilizar fluidos distintos de los CFCs. Un punto muy importante a tener en cuenta es la eficacia energética puesto que no sería razonable desarrollar una máquina que no ataque a la capa de ozono pero que aumente el efecto invernadero. 2.- Distintos sistemas que pueden ser utilizados 2.1 Enfriamiento termoeléctrico Este sistema fue descubierto por Peltier en 1834 haciendo circular una corriente eléctrica por un circuito ce dos materiales específicos diferentes, una soldadura se calienta y la otra se enfría, así el sistema puede utilizarse como máquina frigorífica o como bomba de calor. La energía utilizada es la eléctrica y el ciclo en sí no produce ningún efecto negativo sobre el medio ambiente. Sin embargo la eficacia nergética es muy baja y la contribución al efecto invernadero es grande debido al consumo de energía procedente de combustibles fósiles. Los materiales para us construcción son caros. Solo son utilizables en ciertas aplicaciones especiales y pequeña potencia. 2.2 Máquinas de expansión Los ciclos utilizados en esta clase de máquinas frigoríficas funcionan enteramente en fase gaseosa del refrigerante, siendo el más conocido el ciclo inverso de Brayton cuyo esquema representamos en la figura 1, aasí como la evolución en el diagrama T-S en la fig. 2. El ciclo funciona como sigue, el agente frigorígeno se expande isentrópicamente desde la presión p1 hasta la presión p2 produciendo trabajo que puede ser aprovechado exteriormente (etapa 1-2) una vez detenida la expansión en el estado 2, se produce el paso del gas a través del correspondiente intercambiador dee calor situado en el recinto que se ha de enfriar y en el que, a presión constante, tiene lugar el

2 calentameitno del gas (etapa 2-3), merced a la cantidad de calor tomada de dicho recinto. Una vez finalizada l aetapa de absorción de calor el gasse comprime con la consiguiente elevación de presión y temperatura (etapa 3-4); el ciclo finaliza haciendo pasar el gas a través de un enfriador (etapa 4-1) en el que, a presión constante p1 el gas vuelve a su estado inicial. Muchos fluidos pueden ser utilizados en esta ciclo, nitrógeno, helio, etc., sin embargo el más seguro y más barato es el aire en los sistemas abiertos uno de los intercambiadores puede ser suprimido. Este sistema es simple y fue usado desde los comienzos de la historia de la refrigeración. En el rango de temperatura de +20 a -80 ºC el coeficiente de efecto frigorífico es muy inferior al de los ciclos de compresión de vapor, aunque más elevado que el de los ciclos termoeléctricos, el consumo de energía resulta demasiado elevado para un uso generalizado. El impacto sobre el efecto invernadero resulta elevado. Nuevos desarrollos y mejoras en los compresores, intercambiadores y expansores permitirán aumentar la eficacia energética y será entonces cuando este sistema permitiá reeemplazr una parte de las instalaciones de compresión. 2.3 Máquinas frigoríficas de compresión de vapor. El principio de funcionamiento se explica mediante el esquema de la fig. 3. El líquido refrigerante se evapora a baja presión y consecuentemente a baja temperatura en el evaporador 1 el calor de evaporación se extrae del objeto a enfriar. Los vapores son aspirados por el compresor 2 y comprimidos a una presión ma s elevadda a fin de condensarlos a una temperatura p roxima a la del abiente. El calor de condensación se cede al abiente gracias al condensador 3 el frigorígeno líquido se envía al evaporador 1 a través de una válvula de laminación 4 y se cierra el ciclo. Desde los comienzos han sido utilizados numerosos fluidos tales como el cloruro de etilo, anhídrido sulfuroso, amoniaco, etc. Cada uno de ellos presentaba sus propios inconvenientes, unos eran tóxicos, otros corrosivos, explosivos, inflamables o inutilizables a causa de las presiones altas para las codiciones requeridas. Desde la aparición de los derivados halogenados de los hidrocarburos, debido a sus buenas condiciones de seguridad, toxicidad, producción frigorífica específica, etc., has ido abandonándose todos los demás si exceptuamos el amoníaco. En el año 1974 Rolad y Molina presentan un trabajo de investigación donde emuestran que los CFCs atacan a la capa de ozono de la atmósfera destruyéndola, a partir de esa fecha se ha comprobado cmo el problema se ha ido agrabndo, lo que hace que sea necesario el abnadono de estos fluidos. Ante este problema medioambiental tenemos que plantearnos la forma de llevar a cabo el ciclo de compresión, con fluidos alternativos sean derivados halogenados o no. Los derivados halogenados los clasificamos de la siguiente manera: - CFCs Cloro Fluorocarbonos. Totalmente halogenados, sin hidrógeno. - HCFCs Hidrógeno Cloro Fluorocarbonos. - FC Fluorocarbonos. Con sólo átomos de carbono y flúor. - HFC Hidro Fluorocarbonos. Parcialmente halogenados con hidrógeno y sin cloro. Los compuestos con cloro causan la destucción de la capa de ozono, el flúor da moléculas muy estables que aumentan el efecto invernadero. El hidrógeno da estructuras menos estables de las moléclas y fluidos más inflamables. La toxicidad solamente se muestra en los compuestos con cloro.

3 Los CFCs deben ser abandonados inmediatamente, tal como ya ha sido acordado en el Protocolo de Montreal (1987), conferencia de Helsinki (1989), Londres (1990) y Copenhague (1992). Los HCFCs podemos utilizarlos como fluidos de transición ya que son menos estables que los anteriores y ppor lo tanto menos dañinos. Los FC y los HFCs no contienen cloro y por lo tanto no procuden destrucción de la capa de ozono. ODP (Ozone Depletion Potencial) cero y GWP (Global Warnig Potencial) bajos. El R134a (HCFC) reemplaza al R12 (CFC) en las plantas frigoríficas y de aire acondicionado. Como sustitutos del R22 (HCFC) y R502 (mezcla azeotrópica de HCFC 22 y CFC 115) las industrias agrupadas en un programa denominado AFEAS (Alternative Fluorocarbons Enviromental Aceptability Study) proponen mezclas de R32, R125, R134a y R143. Como productos halogenados de sustitución podemos citar los siguientes: Como fluidos de transición podemos citar: Además de los derivados halogenados, podemos asegurar, que las necesidades de refrigerantes para uso normal de refrigeración y bombas de calor con ciclos de compresión, pueden ser servidas por los fluidos naturales amoniaco, anhídrido carbónico y propano. 2.4 Instalaciones de Absorción fueron ideadas por el francés Reginad Carre y utilizadas por primera vez en la Guerra de Secesión Americana. Están basadas en el fenómeno de absorción. Hay sustancias que en estado líquido o sólido, gozan de la propiedad de absorber cantidades importantes de vapor de otras sustancias, absorción que va acompañada de un desprendimiento de calor. Inversamente si se comunica una cierta cantidad de calor a la solución formada, se desprende una cierta cantidad de vapor. Este fenómeno endotérmico, de naturaleza similar al de absorción se conoce con el nombre de deserción. El generador impulsa los vapores formados al calentar una solución hasta el condensador. El absorbedor aspira los vapores formados en el evaporador. El ciclo se completa con un intercambiador de calor y una bobmba, que impulsa la solución enriquecida en el compuesto más volátil. A la salida del hervidor, la solución empobrecida en el compuesto más volátil, se lleva a través del intercambiador al absorvedor, como indica el esquema. A Absorbedor, H Hervidor, C Condensador, VL Válvula de laminación, E Evaporador, B Bomba, I Intercambiador, V Válvula de regulación. Balance de energía en el conjunto de la instalación: Qa + Qc = Qe + Qh + W El ciclo seguido por la solución, viene representado en el diagrama de Oldham según la fig. 5. La transformación (1-2) tiene lugar en el hervidor a p=cte. (2-3) representa la circulación del hervidor al absorbedor disminuyendo su presión desde p a p0 a título Xp constante. (3-4) Tiene lugar en el absorbedor, la solución se enriquece a presión constante. (4-1) Desde el absorbedor al hervidor, aumentando la presión por medio de la bomba desde p0 a p a título Xr constante. Los refrigerantes Absorbentes para uso en las Máquinas de Absorción necesitan un elevado número de requisitos, que podemos resumir del siguiente modo. Refrigerante.- Alta volatibilidad, alto calor latente, baja viscosidad, estabilidad química y térmica, no ser tóxicos no ser inflamables y seguros para el medio ambiente.

4 Absorbente.- Estabilidad química y térmica, alta solubilidad con el refrigerane y punto de ebullición más alto que el del refrigerante. Solución.- Bajo calor específico, baja viscosidad y alta conductividad térmica. Solamente tienen aplicación comercial los pares H2O BrLi, NH3 H2O. El primero en el campo del aire acondicionado y el segundo en la refrigeración industrial. No obstante, presentan algunos problemas que podemos resumir del siguiente modo: H2O BrLi - La temperatura de vaporización es más alta de 0 ºC. - Inestabilidad dela solución a temperaturas más alta de 120 a 130 ºC. - Corrosiva. - La cristalización de la sal puede ocurrir en algunas condiciones de funcionamiento. NH3 H2O - Alta presión. - Toxicidad. - Inflamabilidad. - Necesidad de un rectificador. Además de las mezclas anteriores se han llevado a cabo estudios con: a) Agua y sales disueltas b) Agua, refrigerantes orgánicos y sales c) Alcoholes y sales d) Refrigerantes halogenados con disolventes orgánicos e) Absorbentes sólidos (Zeolitas) y agua Resumiendo, podemos decir que las instalaciones frigoríficas de abosorción presentan un bajo coeficiente de Efecto frigorífico, que alcanza valores comprendidos entre 0.5 y 0.8. Esto hace que este tipo de instalaciones no sean comptitivas desde el punto de vista energético, salvo con energías alternativas como la solar. Otro inconveniente, es el gran volumen requerido por el absorbedor y hervidor mucho mayor que el ocupado por el grupo compresor en las instalaciones de compresión. 2.5 Ciclo híbridos Resultan de la combinación de un ciclo de absorción y uno de compresión de vapor. En la figura 6 se representa un ejemplo de ciclo híbrido o combinado propuesto por Malewski. La principal ventaja que tiene es que puede utilizar fluidos distintos a los CFC y obtener una buena eficacia energética, con lo que, el ODP (Ozone Depletion Potencial) es cero y TEWI (Total Equivalent Warning Impact) también es bajo. El funcionamiento es como sigue: El calor a baja temperatura se transfiere del objeto a refrigerar a un desorbedor 1. En este aparato una solución de absorbente y frigorígeno se calienta, el vapor del frigorígeno y algo de la solución pobre restantes se separan en un separador de líquido, el vapor a continuación pasa al compressor y se comprime a alta presión y alimenta al reabsorbedor donde la solución pobre absorbe vapores del frigorígeno. El calor de absorción se envía al medio exterior. La solución enriquecida que viene del absorbedor pasa al desorbedor a través de una válvula de laminación. Comparando este ciclo cmbinado con el de compresión de vapor, vemos que el evaporador es reemplazado por un desorbedor y el condensador por un reabsorbedor. La ventaja es que la diferencia de presiones entre el desorbedor y reabsorbedor es mucho más pequeña que entre el evaporador y el condensador a las mismas temperaturas, con lo que hay un ahorro sustancial de potencia consumida por el compresor. El mayor

5 problema que se presenta, es que el cmpresor clásico debe ser lubrificado y resulta muy difícil que el aceite no se mezcle con el frigorígeno. Cuando una pequeña cantidad de aceite entra en el circuito frigorífico, los procesos de absorción y deserción se alteran. La solución parsa por usar compresores sin aceite, pero la construcción de compresores alternativos o de tornillo sin lubricación es muy difícil. Solamente pdríamos utilizar compresores centrífugos, que pueden funcionar sin aceite, pero estos solo son eficaces en grandes instalaciones. Otra alternativa es hacer pasar la solución por el compresor y utilizarla como lubricante. Pero, por ejemplo, una solución de agua y amoníaco no es un buen lubricante debido a su poca viscosidad. Hay pocos tipos de compresores en el mercado que puedan funcionar con este ciclo. Uno aparecido recientemente, denominado compresor sónico que funciona sin lubricación, con un rendimiento energético mayor que los habituales y que podría ser utilizado en instalaciones de compresión y combinadas puede verse en la figura Conclusiones a.- El frío termoeléctrico no puede considerarse como una solución al problema de los CFC puesto que tiene una eficacia muy baja. b.- La utilización de máquinas frigoríficas de expansión no es aún posible con temperaturas superiores a -100 ºC, a causa de la baja eficacia energética. Si investigaciones futuras mejoran los intercambiadores de calor y aumentan los rendimientos para temperaturas de -40 ºC, una partel mercado de los sistemas de refrigeración por compresión podrá ser sustituida por este sistema. El aire y el nitrógeno son fluidos seguros y de fácil disponibilidad. c.- Los ciclos de compresión de vapor funcionando con amoniaco son viables para aplicaciones industriales y ciertas aplicaciones comerciales. La utilización del amoniaco puede ser acrecentada ya que, disponemos de la tecnología y los reglamentos necesrios para mejorara la seguridad de las instalaciones. Para ciertas instalaciones específicas, la toxicidad puede ser un inconveniente. Para equipos de pequeñas potencias podemos utilizar hidrocarburos (propano y butano fundamentalmente) ya que, aunque son inflamables, las cantidades utilizadas (de 20 a 25 g en refrigeradores domésticos) y el empleo de compresores herméticos hacen que su inflamabilidad no resulte un peligro. Nuevos fluidos halogenados sin cloro están disponibles en el mercado, no obstante, se necesitan algunos años de experiencia para conocer bien su comportamiento frente al medioambiente. d.- Las máquinas frigoríficas de absorción sin CFC ni HCFC pueden hacerse con una parte importante del mercado si se consigue mejorar la eficacia energética. Son particularmente interesantes en aquellos casos en que dispongamos de calor perdido o bien utilicemos la energía solar. La disponibilidad de calor a bajo coste limita la aplicación de los ciclos de absorción. e.- La combinación de los ciclos de absorción compresión de vapor hace pensar en unas perspectivas prometedoras para la sustitución de los CFC y la eficacia energética. Bibliografía A. L. Stolk. Refrigeration and CFCS International colloquium of bussels. F. Esteimle. Tendencies in CFC development. Sept IIR R. L. Powell. Extending the range. Sept IIR G. Moncada Lo Giudice, F. Contana. Latest developments or reserches on fluids forma absortion machines. IIR

6 Xiao Feng, Yong-Zhang Yu, Li-Li Zhou. A study on the alternative refrigerants forma HCFC22. IIR