Modelo de sistema de refrigeración solar intermitente...
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIERÍA DE GAS Modelo de sistema de refrigeración solar intermitente por adsorción Model intermittent solar refrigeration system by adsorption Autor: Ing. Manuel S. Fereira V. Tutor: Dr. Jorge Barrientos. Maracaibo, Junio de 2010
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO
PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIERÍA DE GAS
Modelo de sistema de refrigeración solar intermitente por adsorción Model intermittent solar refrigeration system by adsorption
Autor: Ing. Manuel S. Fereira V. Tutor: Dr. Jorge Barrientos.
Maracaibo, Junio de 2010
Fereira Villegas, Manuel Segundo. Modelo de sistema de refrigeración solar intermitente por adsorción. (2010). Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. División de Postgrado. Facultad de Ingeniería. Maracaibo, Venezuela, 109 p. Tutor: Prof. Jorge Barrientos.
RESUMEN El frío solar se basa aparentemente en una idea contradictoria, la cual es aprovechar el calor del sol para conseguir frío. Consiste básicamente en transformar la energía solar para climatizar los espacios interiores de una estancia. Este sistema garantiza un ahorro de hasta un 70% ya que, por un lado, se utiliza una fuente de energía renovable y, por otro, se reduce el consumo de electricidad. Este trabajo estudiará la producción de frio mediante un sistema de refrigeración solar intermitente por adsorción, el cual es cada vez más utilizado en muchos países pero que es prácticamente desconocido en el nuestro. Teniendo en cuenta el gran potencial de energía solar térmica que posee Venezuela durante todo el año, es de gran relevancia este estudio, para en un futuro, comenzar su experimentación y su posible implementación. Se estudiará este novedoso ciclo de refrigeración y se comparará con otros más comunes resaltando sus ventajas y desventajas. Se expondrá el comportamiento del par adsorbente-adsorbato mas utilizado, como lo es la pareja Carbón activado-Metanol según el deseo de refrigerar o climatizar. También se describirá un modelo de equipo climatizador o acondicionador de ambiente fijando los parámetros requeridos y especificando las condiciones ambientales del medio a climatizar, de este modo se realizara el balance de energía a dicho modelo el cual ayudara a comprender la aplicabilidad, potencialidad, ahorro, entre otros de un sistema de refrigeración de estas características.
Palabras Clave: Refrigeración intermitente, Adsorción, Frío solar.
E-mail del autor: [email protected]
Fereira Villegas, Manuel Segundo. Modelo de sistema de refrigeración solar intermitente por adsorción. (2010). Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. División de Postgrado. Facultad de Ingeniería. Maracaibo, Venezuela, 109 p. Tutor: Prof. Jorge Barrientos.
ABSTRACT
The solar cooling is apparently based on a contradictory idea, which is to harness the
sun's heat to get cold. It basically consists of converting solar power to heat the interior
spaces of a room. This system ensures a savings of up to 70% and that on the one
hand, it uses a renewable energy source and, secondly, it reduces the electricity
consumption. This paper will examine the production of cold by a system of intermittent
solar adsorption refrigeration, which is increasingly used in many countries but is
virtually unknown in ours. Given the great potential of solar thermal Venezuela has
throughout the year, is of great relevance this study, for in the future, start your
experiment and its possible implementation. We will study this novel refrigeration cycle
and compared with other more common highlighting their advantages and
disadvantages. Outline the behavior of the adsorbent-adsorbate couple more used, as is
the pair activated carbon-methanol as the desire to refrigerate or conditioned. Also
describe a computer model of climate or environment conditioner setting the required
parameters and specifying the environmental conditions of the medium to be air
conditioned, so be held on the energy balance model which will help to understand the
applicability, potential, savings, including a cooling system of this nature.
Key word: Intermittent cooling, adsorption, sun cool.
Email of the author: [email protected]
DEDICATORIA
A Dios, que con su gracia me ha guiado por el buen camino.
A mis padres, a quienes me han apoyado en todo momento.
A mi esposa por brindarme siempre su amor y apoyo incondicional.
A mis hijas, que son una gran fuerza generadora de vida y de deseos de seguir
adelante.
A mis hermanos y sobrina, a quienes les deseo lo mejor en sus vidas.
Manuel Fereira.
AGRADECIMIENTO
Al Ing. Jorge Barrientos tutor y guía a lo largo de todos mis estudios de postgrado.
A la Ilustre Universidad del Zulia (LUZ), División post grado.
A todos aquellos que de alguna u otra manera me ayudaron a lograr la meta alcanzada.
Manuel Fereira.
INDICE GENERAL
Página
RESUMEN……………………………………………………………………………….… 3
ABSTRACT………………………………………………………………………………... 4
DEDICATORIA………………………………………………………………………….… 5
AGRADECIMIENTOS………………………………………………………………….…. 6
INDICE GENERAL………………………………………………………………………... 7
LISTA DE TABLAS……………………………………………………………………….. 11
LISTA DE FIGURAS……………………………………………………………………… 12
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………….. 14
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema……………………………………………… 17
1.2 Justificación de la investigación………………………………………….. 20
1.3 Objetivo general de la investigación…………………………………….. 21
1.4 Objetivos específicos de la investigación……………………………….. 21
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
2.0 Antecedentes……………………………………………………………….. 22
2.1 Conceptos y fundamentos teóricos………………………………………. 23
2.2 El frío y el enfriamiento……………………………………………………. 23
2.3 La producción de frío………………………………………………………. 24
2.4 Niveles de enfriamiento…………………………………………………… 24
2.5 Métodos de producción de frío…………………………………………… 25
2.5.1 Métodos naturales………………………………………………………..... 25
2.5.1.1 Enfriamiento radiativo……………………………………………………… 25
2.5.1.2 Enfriamiento evaporativo …………………………………………………. 26
2.5.2. Métodos artificiales de producción de frío………………………………. 26
2.5.2.1. Disolución de ciertos solutos en un solvente………………………….... 27
2.5.2.2. Fusión……………………………………………………………………….. 27
2.5.2.3. Vaporización…………………………………………………………………. 28
2.5.2.4. Sublimación…………………………………………………………………. 28
2.5.2.5. Expansión de un gas previamente comprimido…………………………. 28
2.5.2.6. Efecto termoeléctrico (efecto Peltier)……………………………………... 29
2.5.2.7. Desmagnetización adiabática…………………………………………….. 31
2.5.2.8. Efecto termoacústico……………………………………………………….. 31
2.5.3. Métodos de producción de frío basados en la evaporación……………. 33
2.5.3.1 Refrigerantes………………………………………………………………... 34
2.5.3.2 Sistema a eyecto-compresión……………………………………………... 36
2.5.3.3 Sistema a sorción………………………………………………………….... 39
2.6. Sistemas ditermos para la producción de frío………………………….... 39
2.6.1. Máquina frigorífica a compresión…………………………………………. 41
2.7. Refrigeración por absorción……………………………………………….. 43
2.7.1. Parámetro de rendimiento para refrigeradores de absorción………….. 45
2.7.2. Criterio de rendimiento para refrigeradores de absorción……………… 46
2.7.3. Propiedades del absorbente………………………………………………. 50
2.7.4. Ciclo continuo………………………………………………………………. 51
2.7.4.1. Eficiencia de este sistema de refrigeración por absorción…………….. 53
2.7.5 Ciclo intermitente……………………………………………………………. 53
2.7.5.1. Principio de funcionamiento………………………………………………. 54
2.7.5.2 Coeficiente de operación (COP)………………………………………….. 55
2.8. Ciclo de refrigeración por adsorción…………………………………….... 57
2.8.1. El fenómeno de adsorción………………………………………………… 58
2.8.2. Características del par adsorbente-adsorbato…………………………... 61
2.9. Frío solar……………………………………………………………………... 62
2.10. Proceso de adsorción……………………………………………………… 65
2.10.1. Características generales………………………………………………….. 67
2.10.2. Modelos de equilibrio de adsorción………………………………………. 68
2.10.2.1 Modelo Langmuir (1918)…………………………………………………… 69
2.10.2.2 Modelo de Brunauer, Emmett y Teller (BET) (1938)……………………. 70
2.10.2.3 Modelo de Dubinin-Radustkhevich y Dubinin-Astakhov (1935)………. 71
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO
3.1 Tipo de investigación………………………………………………………. 72
3.2 Investigación Documental………………………………………………… 75
CAPÍTULO IV: DESCRIPCIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS
RESULTADOS.
4.1. Descripción de equipos que integran un sistema de refrigeración
solar…………………………………........................................................ 76
4.1.1. Ciclo de refrigeración solar intermitente por adsorción………………... 76
4.1.1.1. 1ª etapa: Calentamiento + presurización (Proceso de regeneración). 77
4.1.1.2. 2ª etapa: Condensación…………………………………………………. 78
4.1.1.3. 3ª etapa: Proceso de enfriamiento + evaporación……………………. 78
4.1.1.4. 4ª etapa: Enfriamiento + despresurización……………………………. 79
4.1.2. Periodos de Adsorción y Desorción. …………………………………... 79
4.1.3. Partes de la máquina…………………………………………………….. 81
4.1.3.1. Sistema captador – generador………………………………………….. 82
4.1.3.2. Condensador………………………………………………………………. 84
4.1.3.3. Evaporador………………………………………………………………... 86
4.2. Ciclo de refrigeración por adsorción con respecto a otros sistemas.. 87
4.3. Parejas adsorbente adsorbato usuales en refrigeración…………….. 88
4.3.1. Criterios de selección del par de trabajo………………………………. 88
4.3.1.1. Características deseables en el adsorbato……………………………. 89
4.3.1.2. Características deseables en el adsorbente………………………….. 90
4.3.2. Adsorbentes más utilizados en refrigeración…………………………... 90
4.3.3. Adsorbatos más utilizados en refrigeración…………………………… 90
4.4. Modelo de refrigerador intermitente por adsorción solar…………….. 92
4.4.1. Potencia, Dimensiones, y parámetros de funcionamiento…………... 92
4.4.2. Balance de energía en el evaporador o cámara fría…………………. 93
4.4.2.1. Temperatura y presión de operación del evaporador………………... 93
4.4.2.2. Entalpia de líquido y vapor saturado para la temperatura de
operación………………………………………………………………….. 93
4.4.2.3. Calculo del calor extraído del Recinto frío…………………………….. 94
4.4.2.4. Calculo del flujo másico de Metanol…………………………………... 94
4.4.3 Pareja adsorbente adsorbato usada en el modelo………………….... 94
4.4.4. Masa de metanol por unidad de masa de carbón activado en el
adsorbedor…………………………………………………………………. 95
4.4.5. Cantidad Metanol requerido en el envase para cada periodo………. 99
4.4.6. Cantidad de carbón activado en el adsorbedor………………………. 99
4.4.7. Calor por requerido en el adsorbedor………………………………….. 100
4.4.7.1. Calor agregado al metanol en el Adsorbedor………………………… 100
4.4.7.2. Calor agregado al Carbón activado en el Adsorbedor……………….. 100
4.4.8. COP del refrigerador……………………………………………………... 100
4.4.9. Calor en el condensador……………………………………………….... 101
4.4.10. Caudal de agua requerida en el condensador ……………………….. 101
4.5. Resumen de cálculos del modelo de refrigerador.…………………… 102
4.5.1. Evaporador………………………………………………………………... 102
4.5.2. Recipiente………………………………………………………………… 102
4.5.3. Condensador……………………………………………………………… 103
4.5.4. Adsorbedor………………………………………………………………... 103
CONCLUSIONES………………………………………………………….……………… 106
RECOMENDACIONES…………………………………………………………..……….. 108
BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………. 109
LISTA DE TABLAS
Página
1. Tabla de Metanol saturado. (Guía de la Corporación de Solventes Comerciales, Metanol CSC p. 18) …………………………………………….....
93
2. Resumen de las principales propiedades físicas del metanol………………… 95
3. Características del carbón activado V100………………………………………. 95
4. Valores característicos del carbón activado……………………………………. 97
5. Valores finales del evaporador en el modelo ………………………………….. 102
6. Valores finales del recipiente en el modelo…………………………………….. 102
7. Valores finales del condensador en el modelo…………………………………. 103
8. Valores finales de condiciones diurnas y nocturnas en el modelo………….. 103
9. Valor final de la masa de carbón activado en el adsorbedor del modelo…… 104
10. Valor final del calor requerido en el adsorbedor del modelo…………………. 104
11. Valor final del Coeficiente de operación del refrigerador en el modelo……… 105
LISTA DE FIGURAS
Pág
1. Esquema de refrigeración de hielo…………………………………………….. 29
2. Juntas termoeléctricas j1 y j2 de dos metales diferentes (termopar)…….... 32
3. Sistema termoeléctrico simple………………………………………………….. 33
4. Esquema de un refrigerador termoacústico…………………………………... 35
5. Ciclo de refrigeración por compresión mecánica de vapores………………. 40
6. Sistema de refrigeración por compresión……………………………………... 41
7. Sistema de refrigeración en cascada …………………………………………. 44
8. Ciclo de absorción en funcionamiento continúo……………………………. 50
9. Ciclo de refrigeración por absorción en funcionamiento intermitente…….. 52
10. Representación de un ciclo de refrigeración por absorción en
funcionamiento intermitente (circuito de la solución)…………………………
53
11 Diagrama esquemático de un ciclo intermitente de refrigeración por
adsorción…………………………………………………………………………...
56
12. Diagrama de Clapeyron y esquema de operación del ciclo básico de
refrigeración por adsorción……………………………………………………….
59
13. Capas de adsorción física o fisisorción……………………………………….. 65
14.
Esquema de diagrama de isósteras para un sistema que verifica la
ecuación D-A. Se incluye en color distinto la curva de saturación del
adsorbato puro…………………………………………………………………….
71
15. Esquema del proceso de regeneración……………………………………….. 77
Pág
16. Esquema del proceso de enfriamiento………………………………………... 79
17. Etapas del ciclo intermitente de refrigeración solar………………………….. 80
18. Adsorbedor plano………………………………………………………………… 82
19. Sección transversal de un generador basado en el captador plano………. 82
20. Sección transversal de un generador de tubos………………………………. 83
21. Condensador enfriado por aire…………………………………………………. 85
22. Condensador refrigerado por agua procedente deposito con agua……….. 85
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INTRODUCCIÓN
La refrigeración es la extracción de calor de una sustancia o espacio produciendo
en ella una temperatura inferior a la de sus alrededores. El proceso de refrigeración es
importante para el hombre desde hace muchos años. El hombre la utiliza para la
conservación de alimentos, medicinas u otros productos, así como para la producción
de hielo, etc. Existen diversos métodos para obtener una refrigeración, pero la mayoría
de las refrigeradoras usan hoy en día un ciclo termodinámico que incluye la compresión
de un vapor refrigerante, para lo cual se utiliza un compresor con motor eléctrico. Esto
limita el uso de esas refrigeradoras en regiones rurales sin red eléctrica, requiriendo una
generación de electricidad local, sea con un grupo electrógeno o sea con paneles
fotovoltaicos, lo que es sumamente costoso.
El uso de procesos de sorción para producir refrigeración ha sido extensivamente
estudiado en las últimas dos décadas y, además, ha sido considerado como una
alternativa a los sistemas de compresión de vapor. Diferentes tipos de refrigeradores y
bombas de calor han sido propuestos y testados, sea en el campo de la absorción
líquida, o de la adsorción sólido-gas. Por otro lado, en el sistema de refrigeración por
absorción o adsorción se requiere solamente una cantidad pequeña de trabajo (o
electricidad) en relación a lo requerido en sistemas de compresión de vapor, pero se
requiere un suministro de calor muchas veces mayor que el trabajo requerido por el
ciclo de compresión de vapor. Si el calor es suficientemente barato, el ciclo de
refrigeración por absorción o adsorción será atractivo económicamente, lo que lleva a
pensar en refrigeradoras que utilicen energías alternativas como la solar, que usan la
radiación solar para producir el calor requerido en un ciclo termodinámico por adsorción.
En esta investigación se plantea un modelo o prototipo de refrigerador intermitente
por adsorción el cual utiliza energía térmica solar. Basados en la condiciones medio
ambientales promedio de nuestro país, haciendo, en el Capítulo I, un desarrollo de la
problemática, la formulación del mismo, El planteamiento del objetivo general y
específicos y la justificación y delimitación de la investigación.
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En el Capítulo II se mencionaran algunos antecedentes que existen del tema
objeto de estudio, así como también se desarrollarán las bases teóricas que servirán
como referencia de este trabajo.
En el Capítulo III se realizará el marco metodológico, teniendo en cuenta el
carácter de documental y descriptiva de esta investigación.
En el Capítulo IV, Como primer paso se precederá a describir el ciclo
termodinámico del refrigerador y a los diferentes Equipos que lo integran, como lo son,
el adsorbedor (considerado el más importante), Evaporador o cámara fría,
condensador, recipiente colector y válvula de expansión. Luego se comparará el ciclo
intermitente por adsorción con los de Absorción y Compresión, haciendo énfasis en las
ventajas y desventajas que este presenta y que hacen viable esta investigación. Luego
se estudiarán los modelos para estimar la relación de adsorbente y adsorbato, los
cuales serán, Carbón activado-Metanol, ya que son los más idóneos para aplicaciones
de refrigeración. Seguido se tomará una de las correlaciones estudiadas basados en
resultados experimentales de otras investigaciones, para calcular la relación de masas
de refrigerante y adsorbente. Por último en este capítulo, se propondrá el modelo de
refrigerador que abarca los cálculos básicos de balance de energía y de materiales.
En el Capítulo V, se harán las conclusiones respectivas de este estudio, con las
correspondientes recomendaciones.
CAPÍTULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema Históricamente, el desarrollo de la sociedad humana se ha basado en el
aprovechamiento de fuentes energéticas primarias del tipo fósil: carbón, petróleo y gas
natural. Producto de su uso indiscriminado se ha generado un deterioro ambiental en
todos los ámbitos que puede llegar a niveles insoportables si no se toman correctivos
oportunos. Evidencias palpables de la degradación del ecosistema mundial son: el
calentamiento global, la disminución de la capa de ozono y la lluvia ácida, por lo que la
necesidad de desarrollar otras fuentes energéticas que reemplacen los combustibles
fósiles es cada vez más apremiante.
En la segunda mitad del siglo XX ve el resurgimiento por una parte y el nacimiento
por otra de un conjunto de fuentes energéticas armónicas ambientalmente, renovables
y/o inagotables, llamadas genéricamente energías alternativas, EA. En la actualidad
existe una búsqueda incesante de formas de aprovechamiento de estas energías que
sean factibles técnicamente y atractivas económicamente, dándose un desarrollo
importante en los EEUU y en varios países de la Unión Europea, tales como España,
Alemania y Rusia, mientras que en América Latina su progreso es incipiente, sólo
destacándose Brasil y México.
En los últimos treinta años en varias regiones del mundo se ha dado un importante
desarrollo de las energías alternativas, EA, como opciones energéticas a los
combustibles fósiles, altamente contaminantes y agotables a mediano plazo. La
factibilidad de una participación importante de las EA en el balance energético de
Venezuela es bastante alta, ya que su potencial llega a ser, en muchos casos, hasta el
doble de otras naciones.
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Dentro del término de energías alternativas están comprendidas todas aquellas
energías de origen no fósil y que no han participado significativamente en el mercado
mundial de la energía, como son, La energía nuclear, geométrica, solar, mareas y
electromagnéticas. Dentro de estas la energía solar es la de mas potencialidad y
desarrollo en nuestro país, en este caso, en virtud de un promedio nacional de energía
incidente de 4,71 Kw/díaxm2 lo cual es casi el doble del promedio de Estados Unidos y
superior al de México, un período de insolación diaria promedio de 5,5 horas y una alta
continuidad de irradiación en el transcurso del año, cifras debidas en gran parte a la
ubicación de Venezuela en la región intertropical.
Las dos EA que han merecido la atención de inversionistas privados son la
energía solar y la energía eólica. En cuanto a la primera se conoce de una docena de
empresas que ofrecen servicios de generación fotovoltaica para iluminación y servicios
de telefonía en hogares y fincas. Sin embargo, la capacidad de generación efectiva de
los sistemas instalados es insignificante y sin ningún peso en el balance energético
nacional. Otra forma en la que se puede utilizar la energía solar es para calentar fluidos
en procesos que así lo requieran, como lo son algunos prototipos de refrigeradores y
acondicionadores de aire los cuales son reciéntenme impulsados a nivel mundial pero
en nuestro país no existe ningún antecedente del mismo.
El frío solar se basa aparentemente en una idea contradictoria, la cual es
aprovechar el calor del sol para conseguir frío. Consiste básicamente en transformar la
energía solar para climatizar los espacios interiores de una estancia. Este sistema
garantiza un ahorro de hasta un 70% ya que, por un lado, se utiliza una fuente de
energía renovable y, por otro, se reduce el consumo de electricidad.
El aprovechamiento de la energía solar para producir frío puede realizarse de dos
maneras distintas. Por un lado, mediante módulos fotovoltaicos que generen la
electricidad necesaria para accionar un equipo eléctrico. Por otro lado, mediante
colectores solares que produzcan directamente energía térmica a baja o media
temperatura. Desde un punto de vista de utilidad energética, las aplicaciones que
utilizan el calor sin intermediación eléctrica son más eficientes, ya que tanto la
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producción de frío como la energía consumida para abastecerlo son de carácter
térmico. La electricidad generada por las placas solares puede emplearse en otros usos
que no pueden ser abastecidos térmicamente, como la iluminación o la fuerza motora.
En la actualidad, hay varias tecnologías que aprovechan la energía calorífica. Las
máquinas de refrigeración por absorción y por adsorción son las más utilizadas y
cuentan con las mayores perspectivas de desarrollo futuro. El sistema de refrigeración
por absorción se basa en la capacidad de absorber calor de ciertos pares de
sustancias, como el agua y el bromuro de litio o el agua y el amoniaco. Su
funcionamiento se basa en las reacciones físico químicas entre un refrigerante y un
absorbente. Son accionadas por una energía térmica, que en el caso de la energía solar
es agua caliente.
Por su parte, la refrigeración por adsorción se basa en el fenómeno por el cual un
cuerpo sólido, bajo la liberación de una determinada cantidad de energía en forma de
calor, adsorbe o atrapa en su superficie una cantidad de materia gaseosa. En los
sólidos porosos o finamente divididos la adsorción es mayor debido al aumento de la
superficie expuesta. En algunos casos, los átomos del material que se adsorbe
comparten electrones con los átomos de la superficie sólida adsorbente, formando una
capa fina de compuesto químico. La adsorción es también una parte importante de la
catálisis y otros procesos químicos.
A diferencia de las anteriores, en las máquinas de adsorción para aire
acondicionado y refrigeración, en vez de un absorbente líquido se utiliza un adsorbente
sólido. Su ciclo de funcionamiento no es continuo y tiene una fase de carga y otra de
descarga. El COP de estas máquinas se encuentra entre 0.55 - 0.65 y la temperatura
de la fuente caliente puede ser inferior a la de las máquinas de absorción, a partir de
55º C, lo que permite el uso de captadores solares planos.
Conseguir temperaturas por debajo de los 2 °C es bastante complicado
técnicamente, sin embargo el potencial de aplicación de esta tecnología solar es muy
alto y merece la pena seguir investigando, ya que su utilización se encuentra en una
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fase temprana, es por ello que se plantea la presente investigación, la cual busca el
estudio y modelización de un sistema de refrigeración intermitente por adsorción.
Actualmente estas tecnologías se encuentran en investigación y desarrollo en
varios países donde ya se pueden apreciar los primeros prototipos y pruebas a
sistemas de gran tamaño como acondicionadores para edificios de dos o más plantas
hasta los más pequeños como un refrigerador para producir cantidades modestas de
hielo. Mientras que en nuestro país la aplicación de este tipo de dispositivos solucionará
problemas como el consumo elevado de electricidad, la dependencia de energía no
renovable y las necesidades de refrigeración a pequeña escala en poblaciones rurales
aisladas.
Por lo anteriormente expuesto se plantea la siguiente interrogante:
¿Cómo se estudiar y modelar un sistema de refrigeración solar intermitente por
adsorción considerando parámetros reales de funcionamiento?
1.2 Justificación de la investigación
Esta investigación será una de las primeras realizadas en nuestro país en el área
de refrigeración solar, por lo que abrirá las puertas a posibles ensayos y construcciones
de los primeros prototipos, para así hacer uso de nuestro gran potencial de energía
térmica solar (4.71 KWh/dia*m2 durante todo el año), el cual es casi el doble que en
países que ya lo usan en nuestro hemisferio como México y Estados Unidos.
La principal ventaja de la refrigeración solar es que, en general, los niveles de
radiación solar son mayores cuando hay una demanda mayor de climatización, cuanto
más soleado el día, más energía es producida para el enfriamiento. Puesto que la
aplicación usa una fuente de energía renovable, ofrece beneficios medioambientales
como una reducción en la utilización de energía convencional y también niveles más
bajos de emisiones perjudiciales.
Adicionalmente, a pesar de que sea adoptado un proceso químico, los
refrigerantes que son utilizados (agua, sales, gel de sílice, bromuro de litio y cloruro de
20
litio) no son perjudiciales y los químicos no entran en contacto con el aire. Además, a
diferencia de los que son usados en muchos sistemas de refrigeración eléctricos, los
materiales usados para la refrigeración solar no tienen un potencial de calentamiento
global relevante. Otro aspecto, que es cada vez más relevante, es la disminución de la
demanda de electricidad de la red en regiones calientes. El uso de energía solar térmica
reduce la necesidad de energía eléctrica, especialmente al mediodía durante el verano,
que es un período de demanda máxima de electricidad.
La ventaja para el usuario es la necesidad reducida de electricidad, con una
reducción respectiva en las facturas de energía. En nuestro país la “carga máxima” de
electricidad que puede ser sustituida parcialmente por sistemas accionados por energía
solar puede llegar a ser muy cara, mientras que la propia energía solar es gratuita.
Puesto que se prevé que los costos de energía aumenten en el futuro, este aspecto del
costo podrá tornarse uno de los factores más significativos en el crecimiento de la
refrigeración solar.
Son posibles diversas soluciones técnicas, teniendo en cuenta factores como el
tipo de edificio, su función y la infraestructura existente. En principio, están disponibles
dos tecnologías de refrigeración que son sistemas de refrigeración cerrados y sistemas
de deshumidificación y/o enfriamiento abiertos. Además de usar la energía solar, ambos
sistemas pueden usar también el calor residual de, por ejemplo, plantas de
cogeneración de energía eléctrica y térmica.
1.3 Objetivo general
Modelar un sistema de refrigeración solar intermitente por adsorción
1.4 Objetivos específicos
Describir los diferentes equipos que integran un sistema de refrigeración
solar intermitente por adsorción.
21
Comparar el ciclo de refrigeración por adsorción con respecto a otros
sistemas de refrigeración.
Estudiar las propiedades de diferentes pares de adsorbentes-adsorbatos, así
como su aplicación para refrigeración y climatización.
Proponer un modelo teórico para adaptar un equipo de climatización y
refrigeración intermitente por adsorción que utilice energía térmica solar.
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2. Antecedentes.
Miguel Ramos y Manfred Horn, 2000. “Comportamiento Experimental de un
Refrigerador por Adsorción” Centro de Energías Renovables, Universidad
Nacional de Ingeniería, Lima Perú. El Centro de Energías Renovables de la
Universidad Nacional de Ingeniería, CER-UNI, inició un proyecto para desarrollar una
refrigeradora para el medio rural, donde no existe disponibilidad de una red eléctrica. El
funcionamiento de la refrigeradora se basa en un ciclo termodinámico de adsorción,
utilizando como refrigerante agua y como adsorbente el mineral zeolita. El prototipo de
esta refrigeradora fue desarrollado por EG-Solar (Altötting, Alemania) y donado a la
UNI. Se presenta aquí los primeros resultados experimentales obtenidos con el
prototipo. Esta evaluación conllevará luego a presentar modificaciones adecuadas para
mejorar su operatividad, además de adaptarla a la realidad peruana.
Inna Samson, Rodolfo Echarri y Claudio El Hasi. 2008. “Prototipo a pequeña
escala de una nevera solar” Instituto Tecnológico Santo Domingo, República
Dominicana y Universidad Nacional de General Sarmiento, República Argentina.
Con el objeto de verificar la posibilidad de funcionamiento de una nevera solar por
adsorción con el par refrigerante metanol – carbón activado, se diseñó y construyó un
prototipo a pequeña escala, simulando la energía recibida del sol por medio de
resistencias eléctricas. En las pruebas efectuadas se obtuvo una temperatura de 4,9 °C
en la cámara fría. Este resultado es muy prometedor considerando que el dispositivo
realizado sólo contiene una masa de carbón de la décima parte necesaria para el
prototipo de dimensiones reales lo que hace muy importantes las pérdidas de calor,
frente a la potencia del sistema.
23
Antonio Pralon Ferreira, 2006. “Refrigerador solar para producción de hielo
usando carbón activado-metanol” Departamento de Engenharia Mecánica.
Universidade Federal da Paraíba. Brasil. Se presenta el estudio de un refrigerador
solar basado en un ciclo de adsorción intermitente, destinado a la fabricación de hielo.
El par adsorbente-adsorbato utilizado es el carbón activado-metanol. Algunas
innovaciones fueron implementadas, con respecto a los prototipos y unidades
comerciales ya hechos y probados, especialmente en Francia. La cobertura del sistema
de captación solar consiste en dos vidrios, conteniendo en el espacio entre ellos
elementos anti-convectivos de policarbonato, denominada cobertura TIM – “Transparent
Insulation Material”. Se adoptaron nuevas configuraciones geométricas para el
adsorbedor y para el evaporador que son multitubulares, en lugar del formato
rectangular/trapezoidal en cajón único, adoptado para estos componentes en las
máquinas de fabricación francesa.
2.1 Conceptos y fundamentos teóricos.
2.2 El frío y el enfriamiento.
Dentro de las múltiples acepciones que tiene el término frío, las que más tienen
que ver con este fenómeno físico son: es un término que se aplica a los cuerpos cuya
temperatura es muy inferior a la ordinaria del ambiente y a la que se refiere a la
sensación que se experimenta por el contacto con cuerpos que están a temperatura
baja. Este término tiene un carácter relativo ya que lo que es o puede ser frío para otros
no lo es. Sin embargo, se puede considerar como un contenido de calor a temperaturas
bajas, llegando a ser nulo en la proximidad del cero en la escala absoluta de
temperatura.
La refrigeración es el nombre genérico con el que se ha asignado la producción de
frío y que consiste en un proceso o acoplamiento de varios de ellos que de manera
controlada, establecen dominios de temperaturas bajas para una gran diversidad de
aplicaciones. La refrigeración en su conjunto impacta de manera importante a diferentes
sectores al social, alimentario, industrial, salud y biológico, en la calidad de vida interior,
en el de entretenimiento y de manera particular al ambiente.
24
El enfriamiento es un proceso de eliminación de calor de un cuerpo o un espacio,
el cual puede ocurrir por medio de un abatimiento de la temperatura sin que el cuerpo
sufra un cambio de estado físico a temperatura constante. De manera natural los
cuerpos pueden enfriarse hasta la temperatura de los ambientes naturales, sin
embargo, se requieren de medios o técnicas especiales para lograr mantener el cuerpo
a una temperatura inferior al ambiente. Con base a lo anterior existen métodos de
enfriamiento basados en procesos tanto naturales como artificiales.
2.3 La producción de frío
La producción de frío es básicamente un fenómeno endotérmico (absorción de
calor), en donde la fuente de calor es el producto o el espacio a enfriar, lo que provoca
el abatimiento de su temperatura. Existe una gran diversidad de métodos de producción
de frío, los cuales en su mayoría están basados en la extracción de calor de un cuerpo
o un espacio por intermedio de la absorción del mismo por un fluido (refrigerante).
Con base a lo anterior existen métodos de enfriamiento basados en procesos tanto
naturales como artificiales
2.4 Niveles de enfriamiento
Existen diferentes niveles de enfriamiento por debajo de los valores de la
temperatura ambiente:
a) El enfriamiento: Propiamente dicho que va de los 24 a los 14 ºC, en donde se
sitúa el bienestar humano y las temperaturas alcanzadas por diferentes procesos
naturales como el enfriamiento evaporativo y el radiactivo, el acondicionamiento del aire
y la conservación de algunos productos perecederos.
b) La refrigeración: En donde comienzan a suceder los cambios de estado,
principalmente del agua y en donde el abatimiento de la temperatura va desde la
temperatura de 14 ºC hasta cerca los 0 ºC.
25
c) La subrefrigeración: La cual opera en un dominio de temperaturas que va desde
0 0C hasta cerca de - 15 0C.
d) La congelación: La cual opera en un dominio de temperaturas entre -15 y -35
0C, siendo una técnica utilizada para la conservación prolongada de los productos
perecederos.
e) La subgelación: En un dominio de temperaturas los - 30 a -200 0C.
f) La criogenia: o generación de muy bajas temperaturas, a valores cercanos al
cero absoluto (-273.16 0C), dominio utilizado para el estudio de propiedades de
superconductividad y superfluidez, criocirugía, conservación de esperma y conservación
en general.
2.5 Métodos de producción de frío.
2.5.1 Métodos naturales.
2.5.1.1 Enfriamiento radiativo
El enfriamiento radiativo esta caracterizado por la pérdida de energía por medio de
la emisión de radiación, cuyos mecanismos están determinados por la propia física de
radiación, en donde la capacidad radiativa está determinada por el poder emisivo de los
cuerpos, el cual depende a su vez de una propiedad característica de los cuerpos que
es la emisividad y de la temperatura a la cuarta potencia, interviniendo la constante de
Stefan-Boltzman. Este poder emisivo que se presenta de manera notoria durante la
noche y es efectuado por muchos cuerpos que pueden alcanzar en algunos casos más
de 20°C por debajo de la temperatura ambiente es debido al intercambio de radiación
infrarroja entre los cuerpos y el ambiente.
El estudio de este fenómeno de enfriamiento ha conducido a diferentes
aplicaciones en diversas regiones del mundo, en aplicaciones tales como: climatización
de habitaciones, recuperación de la humedad residual para fines agrícolas, producción
26
de hielo, entre otras. La emisión infrarroja se acompaña de un enfriamiento de los
cuerpos radiantes cuando el balance energético es favorable a la Tierra, es decir, que
radia más energía de la que recibe por parte de la atmósfera en los períodos nocturnos
y cuando se satisfacen las siguientes condiciones: a) temperatura atmosférica baja, b)
mínimo contenido atmosférico de vapor de agua y bióxido de carbono y c) una altitud
del lugar mayor a los 2000 m.
2.5.1.2 Enfriamiento evaporativo
Este tipo de enfriamiento es muy conocido, y muy frecuente cuando las personas
humedecen su cuerpo y se exponen al aire, en donde sienten una sensación de frío.
Esto es debido a que el aire y el calor del cuerpo evaporan el agua y al perder calor
nuestro cuerpo experimenta un enfriamiento y el consecuente enfriamiento. El proceso
de evaporación de agua se utiliza para producir un enfriamiento, cuando esta se pone
en contacto con el aire. El potencial de enfriamiento es función de la presión de vapor
del agua en el aire y se incrementa cuando la diferencia entre la temperatura de bulbo
seco y la de bulbo húmedo aumenta.
El enfriamiento evaporativo se usa de manera natural cuando se usan sacos de
agua o depósitos sobre los techos de las casas, este efecto actúa de dos maneras, una
protegiendo la superficie contra la radiación ultravioleta y la otra enfriando por medio de
la vaporización del agua. El viento es un factor importante para incrementar la
vaporización del agua, así como la diferencia entre presiones de vapor. Este principio
de enfriamiento ha sido utilizado en las regiones desérticas de varias formas
a) utilizando telas absorbentes de agua, las cuales se colocaban frente a las
ventanas, produciendo la humidificación y el enfriamiento del aire a su paso.
b) utilizando las torres de viento, las cuales aprovechan los vientos dominantes y
las diferencias en temperaturas entre el día y la noche para circular aire frío a través de
una vivienda.
27
c) Integración de fuentes en patios centrales para provocar espacios en donde el
aire pueda circular y ponerse en contacto con el agua para su enfriamiento.
2.5.2 Métodos artificiales de producción de frío
2.5.2.1 Disolución de ciertos solutos en un solvente.
Por lo general consiste en la disolución de ciertas sales en el agua, por ejemplo el
nitrato de amonio que bajo ciertas concentraciones disuelto en agua produce una
salmuera en donde la temperatura puede descender hasta cerca de -15 ºC, como
resultado de la disolución. Por lo general este método no es de empleo común. Desde
el siglo VI, se había descubierto el efecto endotérmico al mezclarse ciertas sales con
algún disolvente o hielo, el cual depende del tipo de unión intermolecular entre el soluto
y de la naturaleza fisicoquímica del solvente. Este efecto se ve caracterizado entre otras
cosas por: la entalpia diferencial que relaciona el efecto térmico de la disolución bajo
una cierta presión y temperatura, por el número de moles de sal que pueden disolverse
a una temperatura y presión determinadas y al intervalo de concentraciones en el cual
puede existir la disolución. También se incluye el número de fases formadas que
intervienen en el intervalo de concentraciones.
2.5.2.2 Fusión
En la antigüedad la producción de frío, se basaba en la utilización del hielo, el cual
se recolectaba de manera natural en invierno y se conserva para su utilización
posterior. El hielo juega un papel preponderante sobre todo en los países en vías de
desarrollo para la conservación de pescados y mariscos, de aves, etc.
28
Figura 1 Esquema de refrigeración de hielo.
Para la conservación de frío se substituye frecuentemente al hielo - cuya
temperatura de fusión no es muy baja (0 ºC) - por una mezcla eutéctica de numerosas
sales y de agua, en una concentración bien definida del soluto en el solvente, en donde
intervienen los calores latentes de fusión la temperatura de una mezcla eutéctica que se
funde o se congela, permanece constante - en donde las temperaturas pueden ser
inferiores a 0 ºC.
2.5.2.3 Vaporización.
En este método se utiliza el calor latente de evaporación, que por lo general es
más grande que el de fusión. Este procedimiento es el más utilizado a nivel industrial,
comercial y doméstico. El fluido que se vaporiza para la producción de frío se le conoce
como frigorígeno o refrigerante. En este caso se puede obtener un sistema de
enfriamiento abierto, en donde el vapor resultante de la vaporización no se recupera,
sobre todo en los casos en donde el refrigerante no es caro y no presenta problemas de
impacto ambiental, como por ejemplo el uso del nitrógeno líquido y refrescar el aire
caliente y seco por medio de la vaporización directa del agua en el aire.
29
En el sistema de enfriamiento cerrado, el vapor del refrigerante, generalmente
costoso y algunas veces tóxico, se recircula con el objeto de volverlo a licuar para
vaporizarlo de nuevo. Este tipo de sistema está formado por un recipiente aislado
térmicamente, el cual limita el espacio frío, y en cuyo interior se coloca un
intercambiador de calor, en donde se introduce el refrigerante líquido el cual se vaporiza
a una temperatura T0 inferior a la temperatura del interior Tr a la cual se quiere
mantener el espacio. A este intercambiador se le conoce como evaporador.
2.5.2.4 Sublimación
La sublimación es el cambio del estado sólido al estado vapor, este calor latente
es más grande que el de vaporización, debido a que contiene además del calor latente
de vaporización el de fusión. Normalmente se utiliza en un sistema abierto bajo presión
atmosférica, siendo el refrigerante más utilizado el anhídrido carbónico (CO2) (hielo
seco), el cual en estado sólido tiene una temperatura de transición de -78.5 ºC
2.5.2.5 Expansión de un gas previamente comprimido
Esta expansión se puede realizar en:
a) En un motor de gas comprimido, en donde se extrae la energía mecánica del
gas que se expande. Esta extracción de energía provoca un enfriamiento intenso del
gas expandido, se usa muy frecuentemente para la producción de frío a muy bajas
temperaturas (criogenia) inferiores a los 120 K, como en el caso de la licuefacción del
aire, del hidrógeno, del helio, etc.
b) En una válvula, en donde el gas que experimenta esta expansión (expansión
Joule-Thomson) no produce ningún trabajo al exterior. Este enfriamiento es limitado, ya
que según el estado termodinámico del gas antes de la expansión, el gas se puede
enfriar, recalentarse o permanecer a una temperatura constante después de esta
expansión.
30
2.5.2.6 Efecto termoeléctrico (efecto Peltier)
El enfriamiento producido por medio del efecto termoeléctrico se debe al paso de
una corriente eléctrica en la junta de dos metales diferentes. El efecto termoeléctrico
conocido con el nombre de Peltier, está relacionado con las interacciones entre el flujo
de calor y el flujo eléctrico en sólidos conductores y semiconductores. Es decir que hay
un flujo de calor proporcional a la corriente eléctrica aplicada y depende de las
características del material.
La refrigeración termoeléctrica es una transferencia de calor que utiliza los
cambios de niveles de energía de las cargas eléctricas para transportar energía térmica.
La dirección de la corriente determina el fenómeno que ocurre en la junta bimetálica;
calentamiento o enfriamiento. La teoría de un refrigerador termoeléctrico se fundamenta
en una serie de efectos físicos propios de los sólidos conductores y semiconductores.
Dichos efectos termoeléctricos relacionan las interacciones entre los flujos de calor y los
flujos eléctricos en una junta de dos materiales (conductores ó semiconductores)
diferentes.
La junta termoeléctrica de la figura, se encuentra formada por dos metales
diferentes (conductores ó semiconductores); dicho termopar tiene dos juntas entre los
metales, las juntas J1 y J2 las cuales se encuentran a sus respectivas temperaturas; T1
y T2. Las interacciones de los diversos flujos de calor y corriente eléctrica que pasan por
la junta se encuentran relacionadas por los tres efectos termoeléctricos.
Figura 2. Juntas termoeléctricas J1 y J2 de dos metales diferentes (termopar).
31
Al generar y circular un voltaje por la junta termoeléctrica (Figura 2.1) se genera un
T entre la temperatura de las juntas 1 y 2 (y en consecuencia un flujo de calor de un
extremo a otro de la junta). La magnitud del voltaje requerido (V) para producir un T (ó
flujo de calor) dado se encuentra determinado por las características de los materiales
que conforman la junta y se le conoce como coeficiente Peltier ().
I
QMetalMetal 2,1
Donde:
Q : Calor emitido ó absorbido, [kJ].
I : Corriente eléctrica, [A].
: Coeficiente Peltier relativo a los metales 1 y 2, [ kJ/A].
El principio físico sobre la cual se basa el sistema de refrigeración termoeléctrica
fue mostrado desde 1834. La refrigeración termoeléctrica transfiere energía térmica de
un lugar a otro usando electrones en lugar de refrigerante. La figura 2.3 representa un
sistema termoeléctrico simple. Este sistema mueve el calor desde el interior de un
espacio aislado hacia un intercambiador de calor. El intercambiador de calor se localiza
en el exterior del espacio aislado. Las aletas en el evaporador incrementan el flujo de
calor, las aletas en el exterior del intercambiador de calor ayudan a liberar el calor hacia
el aire circulante.
Semiconductores son materiales que conducen la electricidad pero no igual que
los metales típicos. Ellos pueden ser hechos de elementos tales como silicón, germanio,
o una combinación de elementos. Los semiconductores pueden ser procesados para
conducir la electricidad por el flujo de partículas cargadas negativamente, otros
conducen electricidad por el flujo de partículas cargadas positivamente.
32
Figura 3. Sistema termoeléctrico simple.
2.5.2.7 Desmagnetización adiabática
El fenómeno magnetotérmico está basado en la transición ferromagnética-
paramagnética. La desmagnetización de una sustancia paramagnética la cual se aísla
térmicamente, provocando una caída de temperatura. En este caso se utiliza un
crióstato magnético. En el caso de la producción de bajas temperaturas utilizando la
desmagnetización se usan como se mencionó substancias paramagnéticas, las cuales
al colocarse en un campo magnético no uniforme estas substancias se desplazan en el
sentido de los campos crecientes. En un campo magnético uniforme este tipo de
substancias se desplazan en el sentido de las líneas de fuerza. Como ejemplos se tiene
al sulfato de gadolino y diferentes alumbres.
2.5.2.8 Efecto termoacústico
En general, la termoacústica, estudia la interacción entre la acústica y los
fenómenos térmicos. El efecto de poder generar un gradiente de temperatura a partir de
una onda sonora, comenzó a ser utilizado en la construcción de refrigeradores en la
década de los años ochenta. Estas máquinas son muy simples, no tienen parte móviles
y son pequeños. El refrigerador termoacústico consiste en un resonador de un cuarto de
longitud de onda, que tiene en su extremo abierto y un parlante encargado de generar
una onda acústica estacionaria dentro de este. La forma en que opera este tipo de
33
refrigerador se describirá con más detalle en la sección de sistemas de refrigeración
ditermos.
Las máquinas termoacústicas no difieren de las máquinas de potencia en el
sentido de que ellas intercambian calor y trabajo. La diferencia reside en que el tipo de
trabajo que se obtiene, se llama trabajo acústico, que consiste en el transporte de
energía de una onda sonora. El efecto termoacústico se da cuando una placa sólida
está sometida a los efectos de una onda acústica plana estacionaria en dirección
paralela a la placa. Las principales consecuencias que se pueden observar son las
siguientes:
a) Aparición de un flujo neto de calor cerca de la superficie de la lámina a lo largo
de la dirección de la vibración.
b) Generación o absorción de potencia acústica (trabajo) cerca de la superficie de
la lámina.
El refrigerador termoacústico consiste en un resonador de un cuarto de longitud de
onda, que tiene en su extremo abierto y un parlante encargado de generar una onda
acústica estacionaria dentro de este. Dentro del tubo se localiza una rejilla de láminas
alineadas de tal forma que queden en la misma dirección de la vibración, la cual
constituye el medio sólido que va a interactuar con el fluido.
La presencia de la onda dentro del tubo hace que durante la operación de la
máquina el fluido y las láminas interactúen, originando un flujo neto de calor de un lado
a otro de la rejilla (en la figura del lado izquierdo al derecho), llevando un calor neto
desde una zona a baja temperatura hasta una a más alta temperatura. De esta forma
opera como un refrigerador convencional en el cual el trabajo es suministrado por el
parlante.
34
Figura 4 Esquema de un refrigerador termoacústico
2.5.3 Métodos de producción de frío basados en la evaporación de un refrigerante.
La refrigeración industrial, comercial y doméstica la mayor parte de las máquinas
frigoríficas operan en un ciclo cerrado, bajo el principio de producción de frío basado en
la evaporación del refrigerante líquido. Estos métodos se diferencian por la forma en
que los vapores que se producen en el evaporador son extraídos. Dentro de estos
sistemas tenemos los ciclos de compresión, de eyecto-compresión y de sorción. Para el
funcionamiento de estos sistemas basados en la evaporación de un fluido, intervienen
las substancias llamadas refrigerantes, en donde en la mayoría de los casos, sufren una
transformación de cambio de fase.
2.5.3.1 Refrigerantes
El refrigerante es una substancia que es capaz de producir un efecto de
enfriamiento sobre el medio que lo rodea, sea un espacio o un cuerpo y que de manera
general fluye y evoluciona en un ciclo al interior de un circuito de una máquina
frigorífica. En el caso de producción de frío por medio de vaporización, estas
substancias deben tener una temperatura de ebullición, a presión normal, inferior a la
temperatura ambiente.
Para cada uno de los diferentes métodos de producción de frío existen para
determinadas condiciones de funcionamiento uno o varios refrigerantes apropiados, que
garantizan un óptimo de eficiencia y seguridad, en relación con sus propiedades
35
químicas y físicas, existiendo ciertas condiciones mínimas y propiedades que deben
satisfacer, tales como:
a) Comportamiento indiferente frente a los materiales utilizados. El refrigerante no
debe combinarse o reaccionar con los materiales utilizados para la construcción de la
máquina frigorífica.
b) Estabilidad química. El refrigerante no debe de sufrir ningún tipo de
transformación química, dentro del dominio de temperaturas y presiones de operación.
c) Ausencia de toxicidad. Es importante que el refrigerante no tenga efectos
nocivos sobre la salud, ni sobre el medio. No todos los refrigerantes satisfacen esta
condición.
d) No debe ser explosivo ni inflamable. Por motivos de seguridad se exige que el
refrigerante este operando fuera de los dominios de peligrosidad, en lo referente a los
riesgos de explosión y flamabilidad.
e) Fácil detección de fugas. Por aspectos de seguridad, operación y economía, es
necesario que la circulación del refrigerante se realice en conductos herméticos y que
las fugas en caso de ocurrir deben ser inmediatamente detectadas, prefiriéndose
aquellos refrigerantes que tengan un olor penetrante.
f) Ningún efecto sobre el lubricante. Si en el circuito del ciclo de refrigeración se
utiliza algún tipo de lubricante, el refrigerante no le debe ocasionar ningún cambio
químico, ni influir en sus propiedades lubricantes.
g) La presión de evaporación debe ser superior a la presión atmosférica. En el
caso de la refrigeración por vaporización, la presión de evaporación del refrigerante,
debe ser dentro de lo posible, algo superior a la presión atmosférica. De esta manera se
evita la introducción de aire al interior del sistema.
36
h) Baja presión de condensación. La generación de altas presiones de
condensación, requiere de estructuras que soporten esta presión, aumentando el costo.
Se sugiere trabajar el refrigerante a condiciones de operación no muy próximas del
punto crítico, con el objeto de realizar más fácilmente la condensación.
i) Gran potencia frigorífica específica. Entre mayor sea su capacidad o potencia
de enfriamiento, se requerirá una menor cantidad de refrigerante en circulación para
una potencia de enfriamiento determinada.
j) Costo y disponibilidad. El refrigerante no debe ser muy costoso y debe estar
disponible en el mercado, sobre todo si se requiere de un abastecimiento continuo,
como en el caso de los ciclos de refrigeración abiertos.
2.5.3.2 Sistema a eyecto-compresión.
En este caso los vapores son aspirados por medio de un eyector, en donde el
refrigerante hace la función de vapor motriz y una depresión en el eyector permite su
aspiración a baja presión.
2.5.3.3 Sistema a sorción.
Los vapores son retenidos por un material líquido o sólido, lo que provoca su
aspiración a la salida del evaporador. Existen dos formas por las cuales estos
materiales pueden fijar a los vapores, uno en donde el vapor se fija al material por
medio de uniones de naturaleza física, resultando en un fenómeno superficial, al que se
conoce con el nombre de adsorción, en donde por lo general ocurre entre un sólido y un
vapor, aunque este fenómeno se puede presentar también aunque con menos
frecuencia entre un líquido y un vapor. En la adsorción el material que adsorbe se le
conoce como adsorbente y al material adsorbido como adsorbato. La otra forma es que
el vapor se solubiliza al interior del material y en donde posteriormente ocurre una
reacción química.
37
Este fenómeno se conoce con el nombre de absorción y ocurre tanto en
materiales líquidos como en sólidos. En la absorción, el material que absorbe se le
conoce como absorbente y el material absorbido como absorbato. En este tipo de
sistema el refrigerante en forma vapor es adsorbido o absorbido por un líquido o sólido,
a la salida del evaporador.
2.6 Sistemas ditermos para la producción de frío.
Estos sistemas funcionan entre una fuente fría a TE, en donde absorben el calor y
una fuente caliente a TC en donde disipan el calor al medio ambiente. En este caso las
temperaturas TE y TC, corresponden en el caso de un régimen interior a las condiciones
de transformación del refrigerante (evaporación y condensación respectivamente). Si se
refiere a un régimen exterior, se consideran las temperaturas de los fluidos exteriores
por intermedio de los intercambiadores de calor, tanto del fluido a enfriar, a una
temperatura TR, como del fluido de enfriamiento (agua o aire ambientes) a una
temperatura Tf, el cual se utiliza para disipar los calores de condensación y los
correspondientes a los de disolución o reacción química.
Los sistemas frigoríficos ditermos incluyen los ciclos de compresión mecánica de
vapores y los basados en el principio de Peltier. Para asegurar el funcionamiento de
estos ciclos es necesario el suministro continuo de energía mecánica o eléctrica.
El coeficiente de eficiencia frigorífica de estos ciclos, se puede representar con la
relación:
f =0
00
Q
W
Q
S
f
En donde Q0 es el calor absorbido por el refrigerante (efecto refrigerante) , QS es
el calor disipado y W es el trabajo absorbido por la máquina frigorífica. Esta relación es
válida independientemente si el sistema es ideal o no. Para el ciclo ideal, si aplicamos el
teorema de Clausius, obtenemos:
38
00
0 S
S
T
Q
T
Q
considerando los signos:
S
S
T
Q
T
Q
0
0
entonces la relación de eficiencia para una máquina diterma perfecta queda
expresada como:
1
1
0
0
0
T
TTT
T
SS
f
2.6.1 Máquina frigorífica a compresión.
La máquina frigorífica a una etapa de compresión esta está formada por:
A. Un evaporador E en donde el refrigerante se evapora bajo la presión de
evaporación PE. Los vapores formados por lo general se sobrecalientan un poco a la
salida de este intercambiador.
B. Un compresor mecánico C, que aspira bajo la presión PE los vapores
sobrecalentados y los recomprime a la presión PC correspondiente a la temperatura de
saturación del sumidero de calor, normalmente referida a la temperatura de
condensación.
C. Un condensador C en donde el vapor sobrecalentado se licua a TC y el
líquido se puede subenfriar. El enfriamiento del condensador puede efectuarse con
fluidos ambientales como el agua y el aire.
39
D. Una válvula de expansión V, la cual recibe el refrigerante líquido y lo expande
de la PC a la presión PE, siendo una expansión isoentálpica, en donde disminuye la
calidad del vapor. El líquido pasa nuevamente al evaporador y de esta forma se inicia
un nuevo ciclo de refrigeración.
Figura 5 Ciclo de refrigeración por compresión mecánica de vapores.
Desde el recibidor, el refrigerante líquido a alta presión, fluye a través de una
válvula de expansión. El refrigerante entra al evaporador, éste esta a baja presión. El
líquido refrigerante absorbe calor y se evapora. El vapor entonces fluye hacia el
compresor a través de la válvula de admisión y entra al cilindro del compresor, aquí se
incrementa la temperatura de vapor. El vapor comprimido a alta temperatura es
expulsado hasta la válvula de escape y hacia el condensador, allí el calor del
refrigerante es liberado hacia el aire circundante y al perder este calor, el refrigerante
retorna a líquido, este líquido es almacenado en el recibidor y aquí vuelve a repetirse el
ciclo.
En un sistema de refrigeración en cascada dos o más sistemas de refrigeración
son conectados. El sistema en cascada a menudo es usado para procesos industriales
donde el enfriamiento debe ser a temperaturas inferiores de – 46 ºC. El sistema consta
40
de 2 o más subsistemas, su funcionamiento se muestra en la figura 1.5. Ambos
sistemas operan al mismo tiempo. El sistema A tiene su evaporador, arreglado para
enfriar el condensador B, el evaporador del sistema B proporciona el efecto de
enfriamiento deseado. Cada uno de los sistemas tiene una válvula de expansión
termostática (VET) para el control del refrigerante.
El líquido a baja presión del sistema A enfría el vapor a alta presión del sistema B.
Seusa un control del motor para ambos motores este es conectado a un bulbo, sensor
de temperatura, en el evaporador B. Los motores usados en los sistemas en cascada
tienen que ser capaces de arrancar bajo carga. Con el uso de las válvulas de expansión
termostática, las presiones no se balancean sobre el paro del ciclo. El evaporador –
condensador es normalmente del tipo coraza inundado y tubo. Dado que estos sistemas
operan a muy bajas temperaturas el refrigerante tiene que estar muy seco. Alguna
cantidad de humedad podría condensarse en el asiento de la aguja de la VET y podría
detener el flujo del refrigerante. El sistema B debe tener aceite refrigerante especial. Los
separadores de aceite deberían ser instalados en las líneas entre compresor y
condensador en ambas unidades de condensación. Esto ayudara a mantener el aceite
dentro del compresor. Se describirá ampliamente de aquí en adelante, el sistema de
refrigeración por absorción, pues es el sistema en el cual se encuentra el equipo en
estudio.
41
Figura 6 Sistema de refrigeración por compresión
2.7 Refrigeración por absorción.
El ciclo de refrigeración por absorción es un caso particular de los sistemas a
sorción en donde participan por lo general dos fases, sea, entre un liquido y un vapor o
entre un sólido y un vapor. De todos los ciclos termodinámicos disponibles para la
producción de frío los sistemas tritermos a sorción son los más utilizados en la
42
aplicación de energías de baja entalpía como la solar o el calor de desecho industrial,
en particular los sistemas a absorción líquido-gas y sólido-gas y los de adsorción sólido-
gas, tanto en funcionamiento continuo como intermitente. En este caso se
seleccionarán los ciclos termodinámicos de absorción líquido-vapor, en funcionamiento
continuo como intermitente.
Un ciclo de refrigeración por absorción constituye una variante del ciclo de
compresión de vapor en vista de que utiliza un refrigerante (por lo general amoníaco o
bromuro de litio) que es absorbido con facilidad por el agua y que existe en la fase
vapor en algunos puntos del ciclo y en fase líquida en otros puntos. Conviene observar
que la planta comprendida dentro de la superficie de control “Y” sustituye simplemente
al compresor de vapor y que el resto de la planta es idéntico a la del ciclo básico de
compresión de vapor que se ilustra en la figura 2.5.
La planta de refrigeración por absorción no es de alto rendimiento y, por lo
general, sólo encuentra aplicación comercial en situaciones en las que, por ejemplo, es
posible suministrar la cantidad de calor Q3 de una fuente adecuada de vapor para
calentamiento que de no aprovecharse así, se desecharía. Existe, sin embargo, una
situación en la que encuentra extensa aplicación la refrigeración por absorción, que es
el refrigerador doméstico. Como resultado de la adopción de un ingenioso sistema de
circulación de los fluidos por sifón térmico y elevador de burbujas, éste trabaja sin
insumo alguno de trabajo mecánico. Se utiliza mucho para fines domésticos, en vista de
que el consumo de energía (ya sea por electricidad o gas) es suficientemente pequeño
como para no ser de primera importancia.
43
Figura 7 Sistema de refrigeración en cascada
2.7.1 Parámetro de rendimiento para refrigeradores de absorción
Si se usara el mismo parámetro de rendimiento para los refrigeradores de
absorción que para la planta de compresión de vapor, el coeficiente de rendimiento se
expresaría como:
f =0
00
Q
W
Q
S
f
44
Sin embargo, esto daría una medida errónea del rendimiento de la planta, porque
aunque se ha reducido el insumo de trabajo muy por abajo del de la planta comparable
de compresión de vapor, se ha introducido una fuente más de aportación de energía en
la forma de Q3 el calor suministrado de una fuente externa. Así, se obtiene un
parámetro más representativo de rendimiento por medio de la ecuación:
Y como Went, es muy pequeño en comparación con Q3 éste puede escribirse con
poco error como:
2.7.2.- Criterio de rendimiento para refrigeradores de absorción.
Puede verse que un refrigerador de absorción es una planta cíclica en la que el
insumo de trabajo es o muy pequeño o cero y la cual, de hecho, intercambia calor con
tres recipientes de energía térmica que se encuentran a diferentes temperaturas; la
cámara fría o la salmuera que circula por ésta sirve como fuente de baja temperatura,
una fuente de agua de enfriamiento sirve como sumidero a temperatura intermedia y un
serpentín de vapor para calentamiento o una flama de gas sirve como fuente de alta
temperatura. Si T1, T2 y T3 son las temperaturas absolutas que corresponden,
respectivamente, a las condiciones de operación en el evaporador, en el condensador
(y absorbedor) y en el generador, se puede obtener una expresión para el coeficiente
ideal de rendimiento de una planta cíclica reversible con intercambio de calor en modo
reversible con recipientes a estas temperaturas, mientras absorbe cero trabajo, de la
siguiente manera.
Por la primera ley de la termodinámica para un sistema (por ejemplo, la unidad de
masa del fluido) que se tome en torno a un ciclo.
45
y como W es cero y Q2 es de signo contrario a Q1 y Q3,
Como corolario de la segunda ley,
Eliminando Q2 de las ecuaciones anteriores, el coeficiente de rendimiento lo da la
expresión
Como T1 y T2 están relacionadas respectivamente con la temperatura que se
requiere en la cámara fría y con la temperatura de la fuente de agua de enfriamiento,
sólo es sujeto de elección el valor de T3. En la ecuación anterior se ve que mientras
más alto sea el valor de T3, mayor será el coeficiente ideal de rendimiento, siendo el
valor límite el de una planta refrigerante de Carnot invertido que trabaje entre T1 y T2, o
sea
Sin embargo, T3 se determina en la práctica por las propiedades de la solución
agua amoníaco y además, está limitada por la temperatura del medio de calentamiento,
46
el cual puede ser una fuente de vapor a temperatura casi atmosférica. El CR ideal
correspondiente es así mucho más pequeño que este CR límite. El CR real, es a su
vez, considerablemente menor que el CR ideal correspondiente, lo cual explica también
el uso limitado de la planta de refrigeración por absorción. Se requiere una fracción no
despreciable de Q3 simplemente para calentar la solución débil que se regresa al
absorbedor, la cual constituye una alta proporción de la alimentación que se lleva al
generador.
Las unidades de absorción ofrecen grandes ventajas, ya que éstos pueden reducir
el uso de refrigerantes Cloro Fluoro Carbonados (CFCs) además de eliminar todo lo que
concierne a lubricantes y refrigerantes, pues para la operación de estas unidades se
puede utilizar gas natural, energías residuales de procesos, una mínima cantidad de
energía eléctrica, etc. en su sistema de quemado a fuego directo. Además promueve el
mantenimiento eficiente de las tuberías y reduce los costos.
En la refrigeración por absorción es posible alcanzar temperaturas en el
evaporador de los rangos de 10 °C y hasta tan bajos como -59.44 °C con una variedad
de ciclos y fluidos. Para las bombas de calor y los transformadores térmicos, la
temperatura del fluido en la entrada del evaporador puede fácilmente alcanzar los 100
°C. El equipo de absorción, el cual es operado por calor, se puede utilizar tanto para
enfriar como para calentar en el confort humano y el control de procesos. Las fuentes
de calor para manejar una unidad por absorción incluyen lo siguiente:
Fuego directo por gas o aceite.
Calefacción indirecta por vapor desde las calderas.
Descarga de una turbina de vapor o de un compresor centrífugo.
Vapor de desecho de procesos.
Calentado por energía solar, diesel o gas de una máquina o agua caliente.
Vapor o agua caliente recuperada del calor de cogeneración.
Fluidos calientes de procesos.
47
Calor recuperado desde línea de procesos y ductos de gases.
Con las grandes unidades de absorción, el agua es usualmente enfriada al pasar a
través de los tubos del evaporador, esta agua enfriada entonces fluye a través de los
serpentines hacia los espacios acondicionados con aire o a través de otros
intercambiadores para enfriar los fluidos de procesos. El concepto puede ser aplicado
directamente para enfriar algún fluido que pasa a través de los tubos del evaporador de
la unidad de absorción tan grandes como los materiales de construcción lo permitan en
su compatibilidad con las temperaturas requeridas que están limitadas por el
refrigerante. Las unidades de absorción pequeñas se pueden usar directamente para
enfriar el aire o gases que pasan por los serpentines aletados del evaporador.
Los refrigerantes y absorbentes nombrados mantienen todos los requerimientos
descritos. Sin embargo el bromuro de litio-agua y el amoniaco-agua, ofrecen excelente
rendimiento termodinámico y tienen poco efecto en el ambiente. La solución agua-
amoniaco mantiene la mayoría de los requerimientos, pero su razón de volatilidad es
baja y requiere alta presión de operación.
Otros posibles fluidos de trabajo, refrigerante -absorbente son los siguientes:
(Macriss y Zawacki 1989)
Sal-amoniaco
Sal-metilamina
Sal-alcohol
Solvente orgánico-dióxido sulfúrico
Solvente orgánico-hidrocarbonos halogenados
Nitrato alcalino-agua
Hidróxido- agua
Sal-agua-amoniaco
48
La mayoría de los refrigerantes absorbentes parecen posibles para un ciclo
adecuado y podría resolver algunos de los problemas asociados con los componentes
tradicionales. Sin embargo, la estabilidad, corrosión e información adecuada de la
mayoría de ellos es limitado. También algunos de los fluidos son peligrosos.
Los ciclos de absorción son primordialmente ciclos con suministro de calor en el
cual, el calor es removido con una entrada de trabajo mínimo. Al igual que los ciclos de
compresión de vapor, los ciclos por absorción pueden ser operados tanto para
calefacción como para enfriamiento. En este caso se restringe el estudio a los sistemas
para enfriamiento debido a que tal aplicación predomina en el mercado. Las máquinas
de enfriamiento por absorción están disponibles en capacidades de 3 a 2000 toneladas
de refrigeración. Estas máquinas son prediseñadas para operar a fuego directo al igual
que para utilizar calor de desecho o aplicaciones de suministro de calor.
Desde un punto de vista termodinámico, el efecto de refrigeración puede ser muy
bueno con una entrada de trabajo mínima. Aunque tales ciclos trabajan eficientemente
en cargas requeridas para un refrigerador (148 KJ/h de enfriamiento). Grandes
máquinas generalmente usan bombas manejadas mecánicamente para circular el fluido
interno. Por lo tanto, para la mayoría de los ciclos de absorción, un pequeño trabajo de
entrada de alrededor de 1% del calor de entrada debe ser suministrado como potencia
eléctrica. Frecuentemente, este trabajo de entrada es ignorado cuando se describe el
rendimiento térmico de una máquina de absorción.
En la práctica, sin embargo, sí se debe considerar a las bombas para el diseño,
operación, y mantenimiento. La tecnología de absorción compite con la máquina
manejada por compresión de vapor y los sistemas de refrigeración desecante para el
mercado del gas quemado. Una diferencia clave entre tecnologías de gas quemado y
las tecnologías manejadas eléctricamente es que el combustible quemado de la unidad
es quemado localmente. Debido a que las máquinas de absorción son activadas
térmicamente, se requiere potencia de entrada mínima. Por lo tanto, donde la potencia
es cara o no disponible, y se dispone de gas, calor de desecho, calor geotérmico o solar
las máquinas de absorción proporcionan un enfriamiento confiable y silencioso.
49
2.7.3 Propiedades del absorbente
El absorbente debe tener ciertas propiedades para poder ser utilizado como fluido
en los ciclos de refrigeración por absorción, como las siguientes:
a) El absorbente debe tener una fuerte afinidad por el refrigerante. Entre mayor
sea esta afinidad, se requerirá una menor cantidad, reduciendo las pérdidas térmicas
durante su calentamiento. Sin embargo, si esta afinidad es demasiado grande, será
necesario suministrar una gran cantidad de energía para la restitución del refrigerante.
b) La presión de vapor a la temperatura requerida en el generador debe ser
despreciable o muy baja, en comparación con la presión de vapor del refrigerante
c) El absorbente debe permanecer en estado líquido durante todo el ciclo, para
evitar el problema de cristalización; la estabilidad química debe ser buena y no debe ser
corrosivo ni tóxico.
d) El calor específico debe ser bajo para evitar las pérdidas, la conductividad
térmica debe ser lo más alta posible, la viscosidad y la tensión superficial deben ser
bajas para facilitar la transmisión del calor y la absorción.
e) El absorbente debe ser menos volátil que el refrigerante, para facilitar su
separación en el generador. Si esto no es posible, se requerirá la integración de un
rectificador para llevar a cabo esta separación en forma de vapor.
2.7.4 Ciclo continúo
La representación esquemática del ciclo de absorción en funcionamiento continuo,
se ilustra en la figura 2.6.
50
Figura 8. Ciclo de absorción en funcionamiento continúo.
El refrigerante en forma de vapor de baja presión entra al absorbedor, en donde
es absorbido por el absorbente.
La solución que sale del absorbedor contiene una concentración alta en
refrigerante, la cual es llamada solución concentrada. Esta solución es bombeada hasta
el generador a la presión correspondiente.
La solución concentrada entra al generador con presión alta y baja temperatura
en donde se le suministra calor, esto eleva la temperatura de la solución y de aquí en
adelante la cantidad de refrigerante que el absorbente puede retener es reducida.
Ahora el refrigerante es manejado como vapor y llevado fuera del generador.
La solución resultante después de la generación contiene una baja
concentración de refrigerante, la cual se conoce como solución diluida. La solución
regresa al absorbedor pasando a través de una válvula de expansión la cual tiene como
función provocar una caída de presión para lograr mantener una diferencia de presiones
entre el generador y el absorbedor.
51
El refrigerante en forma de vapor con una alta presión y una alta temperatura
saliendo del generador y entrando al condensador, en donde la reducción en la
temperatura provoca la condensación del vapor posteriormente el refrigerante líquido
pasa a través de una válvula de expansión la cual le reduce bruscamente la presión
hasta alcanzar la presión de evaporación. Ya en el evaporador el refrigerante líquido
extrae calor del medio que lo rodea (aire o líquido), provocando su enfriamiento.
El refrigerante en forma de vapor saturado sale del evaporador y regresa al
absorbedor para ser reabsorbido por la solución diluida, completando el ciclo.
2.7.4.1 Eficiencia de este sistema de refrigeración por absorción.
La eficiencia de operación del sistema de refrigeración es medida por el
coeficiente de operación conocido como COP (COP = Coefficient Overall of
Performance.):
BG
E
WQ
Q
bombatrabajodelfrigerantestradoalrecalorsumin
rseealevaporaefrigerantbidoporelrcalorabsorCOP
con QE y QG los calores de evaporación y de generación del refrigerante y Wb el
trabajo suministrado por la bomba.
2.7.5 Ciclo intermitente.
La figura 2.7, representa un sistema de refrigeración por absorción liquido-gas en
funcionamiento intermitente.
52
Figura 9. Ciclo de refrigeración por absorción en funcionamiento intermitente: G, generador, A,
absorbedor, C, condensador, RC, recipiente de condensados y E evaporador.
2.7.5.1.- Principio de funcionamiento.
De acuerdo a la figura 2.8, la solución concentrada contenida en el generador G,
se calienta provocando la separación de los vapores del refrigerante, posteriormente se
separa el vapor del absorbente para obtener el refrigerante lo más puro posible en el
rectificador R. El refrigerante puro continua hacia el condensador en donde se licua y se
almacena en un recipiente de condensados, RC. En el ciclo intermitente el período de
generación-condensación del refrigerante y el período de evaporación absorción se
efectúan en tiempos diferentes. En otro tiempo se deja enfriar la solución diluida que
quedo en el generador hasta que alcance la presión y la temperatura necesarias para
que el refrigerante sea absorbido por la solución diluida. Una vez logrado lo anterior se
hace pasar el refrigerante líquido a través de una válvula de expansión hacia el
evaporador, en donde se procede a su vaporización a baja presión, produciendo una
baja temperatura. El refrigerante en forma de vapor regresa al generador que ahora
tiene la función de absorbedor y es re-absorbido, para iniciar un nuevo ciclo.
La diferencia fundamental entre un ciclo de refrigeración por absorción en
funcionamiento intermitente y continuo es que en la operación intermitente, los procesos
53
de generación condensación y evaporación-absorción, se desarrollan en tiempos
diferentes.
Figura 10. Representación de un ciclo de refrigeración por absorción en funcionamiento intermitente
(circuito de la solución).
El ciclo intermitente puede desarrollarse de dos formas, a) ciclo a presión
constante y b) ciclo a temperatura constante. El ciclo intermitente lo podemos
representar también en un plano Temperatura-Concentración, (T-X). En este plano el
ciclo a presión constante está representado por el ciclo (2-3-4-5-2) y el ciclo a
temperatura constante por el ciclo (1-3-4-5-1), de acuerdo a la figura 2.8. En el ciclo a
presión constante el proceso de generación consiste de dos procesos (2-3) y (3-4). Así
como el de refrigeración en los procesos (4-5) y (5-2). El enfriamiento adiabático de la
solución diluida hasta las condiciones del proceso de absorción, esta representado por
el proceso (4-5). El efecto de refrigeración se obtiene durante el proceso (5-2).
En el ciclo a temperatura constante, el proceso de generación consiste de dos
procesos (1-3) y (3-4). En la fase de refrigeración, durante el proceso de enfriamiento
adiabático (4-6) la solución se enfría a las condiciones del punto (6) las cuales son
iguales a las condiciones iniciales en el punto (1). La refrigeración se efectúa durante el
proceso (6-1). Como se puede observar no hay generación de vapor de refrigerante
durante los procesos (2-3) y (1-3).
Concentración
Tem
pera
tura
1
5
4
3
2
P = CTE.
54
El ciclo a presión constante es el más eficiente de ambos ya que se usa menor
refrigerante durante el proceso (4-5) que durante el proceso (4-6), saliendo más
refrigerante para producir el enfriamiento efectivo. Sin embargo, este ciclo es difícil su
realización práctica. La dificultad principal es debida al control de la velocidad de
enfriamiento del generador-absorbedor durante la etapa de refrigeración, siendo
necesario regular durante el proceso (4-5) la velocidad de enfriamiento en el generador-
absorbedor, de tal manera que la solución diluida se enfríe a una temperatura T'5 y no
después. Además, durante el proceso (5-2), esta velocidad de enfriamiento deberá
controlarse para mantener la presión constante durante la absorción.
2.7.5.2 Coeficiente de operación (COP)
Para calcular el coeficiente de operación (COP) de un ciclo de refrigeración por
absorción en funcionamiento intermitente, es necesario establecer un balance de
energía en cada componente, y en particular el calor suministrado al generador por la
fuente térmica (QS) y la potencia frigorífica absorbida en el evaporador (QE). Para
caracterizar el rendimiento termodinámico de este ciclo, se utiliza el concepto de
coeficiente de operación, que es la relación entre la potencia frigorífica obtenida (QE) y
el calor suministrado al sistema (QS), siendo
dMhhMhM
LMCOP
V
m
1133
4
en donde M4' es la cantidad útil de refrigerante. para el proceso de refrigeración, al
inicio del proceso (5-2), Lm es el calor latente de vaporización del refrigerante. M y h,
son las masas y entalpias de la solución con los sufijos de los números indicados en el
ciclo a Temperatura constante de la figura 20, dM es la diferencial de masa de vapor
obtenida por el calentamiento de la solución con hV la entalpia del vapor a la
temperatura a la cual dM se evapora. Una parte del refrigerante líquido debe
evaporarse para enfriar el resto del refrigerante de la temperatura de condensación
hasta la temperatura de evaporación. Por lo tanto la cantidad M3'-M4' no se utiliza en la
capacidad de refrigerante en (4) se puede obtener con la expresión:
55
mL
hh
M
M 34
3
4 exp
en donde Lm es el calor latente promedio de evaporación, durante el proceso (3-
4), de la figura 20, h' es la entalpia del refrigerante líquido. A medida que la temperatura
de generación aumenta, el vapor del absorbente aumenta su proporción en la mezcla
gaseosa. En el cálculo de un ciclo teórico se considera al vapor del refrigerante puro.
Efectuando un balance de masa en el rectificador, está demostrado que:
RR
R
Xx
XdM
1
en donde dM es la masa de vapor saliendo del generador y entrando al rectificador
a una temperatura (T), dM' es la masa de vapor del refrigerante saliendo del rectificador
y xR y XR , son las concentraciones del refrigerante en la solución y vapor a la
temperatura (T). El término de la integral se evalúa por la regla de Simpson,
comenzando por un estado de referencia cercano al 100% de refrigerante y trazando a
concentraciones más bajas.
2.8 Ciclo de refrigeración por adsorción.
Las bombas de calor por adsorción son sistemas sólido/gas, muy semejantes en
concepto a los sistemas termoquímicos salvo por la diferencia básica de que la
operación entre el sólido y el gas es una adsorción. El efecto térmico se debe a la H
de adsorción. La unidad básica del proceso consiste en un recipiente en el cual se lleva
a cabo la adsorción sólido/gas, los cuales se llaman adsorbente para el sólido y
adsorbato para el refrigerante. Dicho recipiente se encuentra conectado a un
condensador y un evaporador. Al igual que en todos los sistemas por sorción, existe
una relación de equilibrio de fases que gobierna los fenómenos de adsorción,
transferencia de calor, presión y temperatura de operación.
56
Figura 11. Diagrama esquemático de un ciclo intermitente de refrigeración por adsorción.
Como se puede apreciar en la figura 2.9, los problemas técnicos en el transporte
del adsorbente (ó compuesto sólido) influyen en el carácter intermitente de la operación
del ciclo. El proceso en general consiste en un tanque en el cual se lleva a cabo una
adsorción entre un compuesto sólido ó adsorbente (carbón activado, óxido de aluminio,
sílica-gel, etc.) y un gas refrigerante; este gas es el fluido de trabajo del resto del ciclo.
El calor removido ó aplicado en el recipiente es calor de adsorción (HAD).Este sistema
opera bajo el principio de que la adsorción reversible entre el sólido y el gas se
encuentra sujeta a los principios del equilibrio existente entre ambas fases; esto es que
la reversibilidad depende de la temperatura del adsorbente y la presión de vapor del gas
presente. Así, los niveles de temperatura de QAD y QDE son diferentes.
Después de finalizada la adsorción y extraído todo el calor útil QAD (ΔHAD) a
condiciones TAD y PAD, al igual que en las bombas de calor por absorción y debido a
la reversibilidad de los procesos involucrados, se suministra una cantidad de calor QDE
al recipiente a condiciones TDE y PDE para separar el fluido de trabajo (adsorbato) que
dará inicio una vez más al ciclo.
57
2.8.1 El fenómeno de adsorción.
Cuando una partícula gaseosa choca contra una superficie sólida (como por
ejemplo la superficie que lo contiene), puede ocurrir que simplemente rebote o que
quede retenida temporalmente en la superficie y se desprenda después de un tiempo.
Es decir las partículas gaseosas quedan adheridas al sólido por un tiempo y
posteriormente se desprenden, volviendo a la fase gaseosa. En consecuencia, existe
una mayor concentración de partículas gaseosas en la superficie del sólido que en el
centro del volumen gaseoso. Este fenómeno recibe el nombre de “adsorción”. Si la
partícula retenida ingresa al volumen del sólido el fenómeno se llama “absorción”.
Debemos además mencionar que los distintos valores del tiempo de adsorción sugieren
la existencia de diferentes grados de interacción entre las partículas gaseosas y la
superficie del sólido, estas son la fisisorción o adsorción física y la quimisorción o
adsorción química.
La fisisorción corresponde a una interacción de naturaleza puramente
electrostática entre la partícula gaseosa y los átomos superficiales del sólido. Se origina
por la atracción entre dipolos permanentes o inducidos, sin alteración de los orbitales
atómicos o moleculares de las especies comprometidas. Recibe también el nombre de
“adsorción de van der Waals” y puede considerarse como la condensación del gas en la
superficie del sólido, semejante a la condensación de un vapor. La quimisorción en
cambio corresponde a una interacción de tipo químico, en la que los electrones de
enlace entre el gas y el sólido experimentan un reordenamiento y los orbitales
respectivos cambian de forma o grado de ocupación, de modo semejante a una
reacción química.
Para distinguir entre fisisorción y quimisorción se aplican distintos criterios
experimentales. Entre estos, el más utilizado es el del calor de adsorción, cuya
magnitud permite discriminar entre los dos tipos. Se reconoce como fisisorción aquella
cuyo calor de adsorción es inferior a 41.8 kJ/mol. La quimisorción libera sobre los 83,7
kJ/mol. En la zona intermedia la identificación es incierta.
58
El ciclo de refrigeración por adsorción básico consta de cuatro etapas, que se
describen a continuación, y que aparecen en la Figura 2.10
1ª etapa: Calentamiento + presurización (Proceso A-B) El adsorbedor recibe
calor (QHS) de una fuente externa mientras permanece cerrado. La temperatura del
adsorbente aumenta, lo cual provoca que la presión del adsorbato gas en el sólido
aumente desde la presión de evaporación, Pe hasta la de condensación, Pc. Estas dos
presiones se pueden considerar constantes y vienen determinadas por sus respectivas
temperaturas de evaporación y condensación, Te y Tc.
2ª etapa: Calentamiento y desorción + condensación (Proceso B-C) A lo
largo de este proceso, el adsorbedor continúa recibiendo calor y está conectado al
condensador, el cual determina su presión. La temperatura del adsorbente sigue
aumentando, con lo que la presión del adsorbato sigue aumentando también, hasta que
llega un momento en el que supera la presión del condensador, y esta diferencia de
presiones hace que el adsorbato sea desorbido en forma de vapor para ser licuado
posteriormente en el condensador. Éste cede calor al exterior a una temperatura
intermedia.
3ª etapa: Enfriamiento + despresurización (Proceso C-D) El adsorbedor
libera calor(QCS) mientras permanece cerrado y la temperatura del adsorbente
comienza a disminuir, provocando que la presión disminuya desde el valor de
condensación al de evaporación.
4ª etapa: Enfriamiento y adsorción + evaporación (Proceso D-A)
En esta última etapa, es donde se va a obtener el efecto útil, es decir, la
refrigeración. El adsorbedor continúa cediendo calor, ahora conectado con el
evaporador, que determina su presión. La temperatura del adsorbente disminuye de
manera que baja también la presión hasta que es menor que la presión de evaporación
y provoca que el adsorbato sea adsorbido de nuevo por el adsorbente. Para ello, el
adsorbato va a necesitar de un calor que le permita evaporarse y poder ser adsorbido.
Este calor se obtiene en el evaporador, del material que se halle en este, la mayoría de
59
las veces agua, que al ceder su calor al adsorbato se enfriará hasta llegar incluso a
congelarse, y es en este momento en el que se obtiene el efecto refrigerante.
Figura. 12. Diagrama de Clapeyron y esquema de operación del ciclo básico de refrigeración por
adsorción.
2.8.2 Características del par adsorbente-adsorbato
Para aplicaciones de refrigeración, el adsorbente debe tener una alta capacidad
adsortiva a temperatura ambiente y bajas presiones, y una baja capacidad de adsorción
a temperatura y presión elevadas.
Es importante la naturaleza del gas y del sólido en la adsorción del primero sobre
el segundo. Así, el grafito presenta una superficie apolar, mientras que la sal común
presenta superficies polares. Ello justifica el uso del carbón activo para la adsorción de
gases no polares (ejemplo benzol) y el uso de cristales iónicos para la adsorción de
gases polares (vapor de agua). Uno de esos minerales es la zeolita, apropiado como
adsorbente de vapor de agua. Cabe señalar también que el proceso de adsorción es
reversible.
Experimentalmente puede comprobarse que la masa de gas (vapor) adsorbido
depende de la presión del gas y de la temperatura. Los diagramas correspondientes se
llaman isotermas de sorción (sea adsorción o desorción). En el caso de un sistema de
un sólido y vapor de agua en aire, se presenta usualmente las isotermas de sorción en
60
función de la humedad relativa del aire. La adsorción de vapor de agua se hace
necesaria en múltiples casos: para condicionar la humedad atmosférica, para prevenir
efectos corrosivos, para evitar la formación de sedimentos, por ejemplo en tuberías para
proteger superficies de materiales hidrosolubles, etc. Para estos fines encuentra un
amplio empleo el gel de sílice espeso acondicionado de indicadores que revelan, por la
variación de color la cantidad de vapor de agua adsorbido y sugieren la oportunidad de
sustituirlo o de regenerarlo.
Las Zeolitas son un grupo de minerales de una clase de aluminosilicatos
cristalinos basados en un esqueleto estructural aniónico rígido, con canales y cavidades
bien definidas (Na+, K+, etc.) y pueden también retener moléculas huéspedes
removibles y reemplazables (agua en las zeolitas naturales). Su nombre proviene de su
capacidad para perder agua por calentamiento, de las palabras griegas zeo que
significa hervir y lithos que significa piedra.
Entre las aplicaciones que se le da a las zeolitas tenemos:
a) Como agentes deshidratantes
b) Como intercambiadores de iones
c) Como adsorbentes
El carbón activado es un derivado del carbón que ha sido tratado de manera de
convertirlo en un material extremadamente poroso y por lo tanto posee un área
superficial muy alta que torna muy eficiente los fenómenos de adsorción o las
reacciones químicas. Es un material que se caracteriza por poseer una cantidad muy
grande de microporos (poros menores que 2 nanómetros). A causa de su alta
microporosidad, un solo gramo de carbón activado posee un área superficial de
aproximadamente unos 500 m².
El carbón activado se utiliza en la extracción de metales (v. gr. oro), la purificación
del agua (tanto para la potabilización a nivel público como doméstico), en medicina,
para el tratamiento de aguas residuales, clarificación de jarabe de azúcar, purificación
61
de glicerina, en máscaras antigás, en filtros de purificación y en controladores de
emisiones de automóviles, entre otros muchos usos.
Los carbones activos encuentran empleo en las caretas antigás, en la extracción
de sustancias tóxicas en muchas instalaciones industriales (entre otras decoloración de
líquidos, recuperación de disolventes, desbenzolado del gas coque), en medicina, etc.
La adsorción juega un papel fundamental en el análisis cromatográfico.
Los sistemas de refrigeración por adsorción tienen las siguientes ventajas: no
utilizan CFC’s, utilizan energía térmica de baja temperatura, permiten la utilización de
energía solar, y no tienen partes mecánicas. También presentan una serie de
inconvenientes: COP bajos, son discontinuos, y los costes de inversión son altos.
2.9 Frío solar
El frío solar se basa aparentemente en una idea contradictoria: aprovechar el calor
del sol para conseguir frío. Consiste básicamente en transformar la energía solar para
climatizar los espacios interiores de una estancia. Este sistema garantiza un ahorro de
hasta un 70% ya que, por un lado, se utiliza una fuente de energía renovable y, por otro,
se reduce el consumo de electricidad.
Los sistemas de refrigeración solar tienen la gran ventaja de que se utilizan
cuando coinciden los niveles máximos de demanda y de producción, ya que las
necesidades de climatización de un edificio se producen en la época de más radiación
solar. Son especialmente eficientes y adecuadas para edificios como es el caso del
sector residencial y terciario, que necesitan refrigeración intensiva durante tantos meses
como hoteles, centros comerciales, oficinas, etc., cada vez con más demanda de
confort. Otra de las ventajas es que se evitan los problemas de dispersión energética
que las instalaciones de energía solar térmica, al no disponer de sistemas de disipación
de calor.
Un sistema que aprovecha la energía solar y evita los problemas
medioambientales del consumo eléctrico. La energía solar térmica utilizada para
62
refrigeración descongestiona la red de distribución eléctrica y extrae un mayor
rendimiento de las instalaciones solares, a menudo infra-aprovechadas o en riesgo de
sobrecalentamiento durante el verano.
El aprovechamiento de la energía solar para producir frío puede realizarse de dos
maneras distintas. Por un lado, mediante módulos fotovoltaicos que generen la
electricidad necesaria para accionar un equipo eléctrico. Por otro lado, mediante
colectores solares que produzcan directamente energía térmica a baja o media
temperatura.
Desde un punto de vista de utilidad energética, las aplicaciones que utilizan el
calor sin intermediación eléctrica son más eficientes, ya que tanto la producción de frío
como la energía consumida para abastecerlo son de carácter térmico. La electricidad
generada por las placas solares puede emplearse en otros usos que no pueden ser
abastecidos térmicamente, como la iluminación o la fuerza motora.
En la actualidad, hay varias tecnologías que aprovechan la energía calorífica. Las
máquinas de refrigeración por absorción y por adsorción son las más utilizadas y
cuentan con las mayores perspectivas de desarrollo futuro.
Conseguir temperaturas por debajo de los 2°C es bastante complicado
técnicamente, sin embargo el potencial de aplicación de esta tecnología solar es muy
alto y merece la pena seguir aplicando recursos en su utilización se encuentra en una
fase temprana, principalmente en altos rangos de potencia para su aplicación en
hoteles, hospitales, etc., pero en rangos menores por debajo de los 20 - 30 kW, para
aplicaciones individuales, esta tecnología no está suficientemente desarrollada y los
costes son todavía altos. Según sus defensores, aunque la inversión es elevada y su
rendimiento es bajo en comparación con las máquinas convencionales, el desarrollo de
la tecnología y el aumento de usuarios volverán competitivos los sistemas de frío solar.
Además, el coste de una instalación fotovoltaica está subvencionado por el estado y
puede conectarse a la red para vender la electricidad generada y conseguir beneficios,
amortizando antes la inversión.
63
El futuro del aire acondicionado pasa por la utilización de la energía solar. Parece
una contradicción; pero, efectivamente, la refrigeración solar a día de hoy –aún con
elementos que deben ser mejorados a efectos de rendimiento o rentabilidad de los
equipos- constituya una realidad que abre la puerta al desarrollo, en el medio plazo, de
un nuevo mercado que demande soluciones eficaces que optimicen los recursos
disponibles en los edificios. Si bien debemos ser precavidos ante una tecnología no
suficientemente madura en cuanto al desarrollo del acoplamiento de sistemas en la
refrigeración solar, somos perfectamente conscientes del impresionante mercado que
se espera a medio plazo con dicha aplicación, mercado que demandará soluciones
eficaces optimizando los recursos disponibles en los edificios.
2.10 Proceso de adsorción.
La adsorción es el proceso en virtud del cual moléculas en fase gaseosa o en una
disolución se condensan sobre la superficie de un sólido. La especie que se une a la
superficie recibe el nombre de adsorbato, mientras que la sustancia que captura el
adsorbato sobre su superficie recibe el nombre de adsorbente. Para referirnos al
proceso inverso, es decir, el abandono del adsorbente por parte del adsorbato
utilizaremos indistintamente los términos desorción y regeneración. La captura de gases
por parte de la superficie plana de un sólido es un fenómeno común en la naturaleza,
pero la cantidad de adsorbato capturado en este caso rara vez es importante.
Habitualmente los mejores adsorbentes son sólidos altamente porosos, con
tamaños típicos de poro adecuados a la molécula que se les ha de fijar, de manera que
en ellos el área de superficie libre por unidad de volumen es en varios órdenes de
magnitud superior a la de un sólido no poroso. Por ejemplo, el carbón activado,
paradigma de sólido poroso y de interés directo en este trabajo, ofrece áreas de hasta
1000 m2 por gramo de material.
El campo de aplicaciones prácticas de la adsorción es muy vasto. Así, es posible
limpiar el agua de impurezas disueltas mediante adsorción por carbón activo; es posible
extraer por adsorción en alúmina activada, carbón activo o gel de sílice hidrocarburos
relativamente pesados presentes en el gas natural, hidrocarburos que se pueden
64
emplear en la fabricación de gasolinas; la cromatografía como método de análisis
químico se basa en la adsorción selectiva de las sustancias que se pretende aislar; el
bombeo por adsorción es un procedimiento para hacer vacío que se basa en extraer
gases de un recinto adsorbiéndolos mediante unas zeolitas artificiales llamadas "tamiz
molecular"; multitud de procesos, en fin, de catálisis en el ámbito industrial o en el
laboratorio, implican procesos de adsorción de los reactivos sobre la superficie del
catalizador.
Atendiendo a la naturaleza de la unión entre el adsorbente y la molécula de
adsorbato que se fija a él distinguimos dos modalidades de adsorción:
Adsorción física o fisisorción: las moléculas del gas se mantienen unidas a la
superficie del sólido por medio de fuerzas de Van der Waals (interacciones dipolares,
dispersión y/o inducción). Este hecho define todas las características propias de la
fisisorción:
Es una interacción débil.
Es un proceso exotérmico (las fuerzas de van der Waals son atractivas) en el
que los calores liberados, ΔHads (aprox. 20-40 kJ/mol) son semejantes a las entalpías
de condensación de la sustancia adsorbida. La energía liberada es adsorbida en forma
de vibración por la red del sólido y ΔH°ads se puede medir por el aumento de
temperatura de la muestra.
La molécula fisisorbida mantiene su identidad ya que la energía es insuficiente
para romper el enlace aunque su geometría puede estar distorsionada.
La fisisorción es un proceso no especifico ya que las fuerzas que intervienen no
lo son y no existe una selectividad marcada entre adsorbato y adsorbente. En general,
los gases muy polarizables son adsorbidos más fácilmente.
La fisisorción se produce en multicapas. Sobre una capa de gas fisisorbida
puede adsorberse otra. La ΔHads para la primera capa viene determinada por las
fuerzas entre adsorbente (M) y adsorbato (A), mientras que la ΔHads para las capas
65
siguientes depende de las interacciones A-A y por tanto es similar a la entalpía de
condensación.
Figura. 2.13 Capas de Adsorción física o fisisorción
Adsorción química o quimisorción: fue propuesta por Langmuir en 1916. En este
caso las moléculas de gas se mantienen unidas a la superficie formando un enlace
químico fuerte. Este hecho define las características propias de la quimisorción:
Se trata de una interacción más fuerte que la fisisorción.
Las entalpías de quimisorción son mucho mayores que las de fisisorción y del
orden de las que se liberan en la formación de enlaces químicos, ΔH°ads = - (100-500)
kJ/mol. Si en la quimisorción se produce formación y rotura de enlaces podrían
esperarse valores de ΔH°ads tanto positivos como negativos (al igual que en las
reacciones químicas ordinarias). Sin embargo, la quimisorción es exotérmica
normalmente. La razón es que un proceso espontáneo requiere ΔG<0 y dado que la
libertad de traslación del adsorbato se reduce, ΔS es menor que cero y necesariamente
ΔH debe ser menor que cero.
La quimisorción es específica. Por ejemplo el N2 es quimiadsorbido a
temperatura ambiente sobre Fe, W, Ca y Ti, pero no sobre Ni, Zn, Ag, Cu o Pb. El Au(s)
quimisorbe O2, C2H2 y CO pero no H2, CO2 o N2.
Dado que implica la formación de un enlace entre adsorbato y el adsorbente, el
proceso se detiene tras la formación de una monocapa sobre la superficie. Aunque sólo
66
una capa puede estar quimisorbida puede producirse adsorción física de nuevas capas
de adsorbato sobre la primera.
En general, la quimisorción implica la rotura y formación de enlaces, por lo que la
molécula quimisorbida no mantiene la misma estructura electrónica (enlaces) que en
fase gaseosa.
2.10.1 Características generales.
La adsorción es un proceso que libera energía, mientras que la desorción es
endotérmica. Las energías típicas implicadas en el proceso rondan los 2 – 10 kcal/mol
(compárese con los 15 - 1000 kcal/mol típicos en la quimisorción) , energías que a su
vez son del mismo orden de magnitud que los calores latentes de vaporización de los
adsorbatos puros.
Es un fenómeno reversible.
No trae consigo cambios de volumen en el sólido adsorbente.
El equilibrio de adsorción entre la fase adsorbida y la fase gaseosa de un
adsorbato (asumiendo que no hay otras especies presentes) en presencia de
adsorbente es divariante, esto es, se requieren dos variables para definir el estado del
sistema. Usualmente son la presión y la temperatura las variables elegidas.
Por regla general, a igual presión, la cantidad de gas adsorbido sobre un lecho
de sólido adsorbente decrece al aumentar la temperatura, mientras que a igual
temperatura, incrementos de presión conducen a incrementos en la masa adsorbida.
2.10.2 Modelos de equilibrio de adsorción.
El parámetro que con más frecuencia se emplea para definir el estado de equilibrio
entre las fases gaseosa y adsorbida de un adsorbato es la concentración x, definida
67
simplemente como el cociente entre la masa adsorbida y la masa de adsorbente. La
concentración, pues, se acostumbra a medir en kg de adsorbato por kg de adsorbente.
El estado de un sistema de este tipo queda suficientemente descrito si se conoce la
concentración de adsorbato en función de la presión y la temperatura, es decir la
función
x = x (P; T)
A la que en lo sucesivo, y por abreviar, llamaremos ecuación de estado del
sistema.
Estudios experimentales para determinar la ecuación de estado de diversos
sistemas adsorbente - adsorbato se llevan practicando desde finales del siglo XVIII.
Muy pronto comenzó a ser costumbre representar la concentración en función de la
presión a temperaturas fijadas de antemano, en diagramas que actualmente se
conocen como isotermas de adsorción. Más recientes son los modelos, semiempíricos
o teóricos, que pretenden obtener versiones analíticas de la ecuación de estado que se
ajustan a los datos experimentales, estén estos presentados en forma de isotermas de
adsorción o de otro modo. A continuación se da una breve explicación de algunos de
los modelos.
2.10.2.1 Modelo Langmuir (1918).
En el desarrollo de su modelo, Langmuir considera que la superficie del sólido es
geométrica y energéticamente homogénea, es decir que todos los sitios de adsorción
son equivalentes. Langmuir también considera que la adsorción de las moléculas está
limitada a la formación de una monocapa estadística. El modelo propuesto por
Langmuir se basa en el análisis del equilibrio cinético entre las tasas de adsorción y
desorción sobre una superficie de adsorbente idealizada como un conjunto de sitios
regularmente dispuestos que pueden aceptar una única molécula de adsorbato o bien
quedar vacíos. La ecuación que resulta de este modelo se suele presentar en la
siguiente forma:
68
PTk
PTkVoPTV
).(1
).(.,
Aquí V es el volumen de adsorbato adsorbido, V0 es el volumen que se requeriría
para cubrir todo el adsorbente con una monocapa de adsorbato y k (T) es una
constante de equilibrio cuya variación con la temperatura viene dada por:
TR
H
T
kTk
.exp
Donde k es una constante, R es la constante de los gases y ∆H es el calor
isostérico (es decir, a concentración x constante) de desorción. Como se observa, la
ecuación de V (T, P) no ofrece directamente la concentración x, pero al ser el volumen
adsorbido proporcional a ella, la conversión es sencilla, aunque no nos sería necesaria.
2.10.2.2 Modelo de Brunauer, Emmett y Teller (BET) (1938).
Brunauer, Emmet y Teller modificaron el modelo de Langmuir, que asume que la
cobertura del adsorbente es exclusivamente monocapa, considerando en cambio que
sobre la superficie externa y sobre los poros del adsorbente pueden depositarse varias
capas de moléculas de adsorbato.
Para su deducción se parte de tres supuestos:
Todos los centros de adsorción de la superficie son equivalentes.
La capacidad de adsorción de un centro no depende del grado de ocupación de
los centros vecinos.
Sobre cada centro pueden adsorberse varias capas de moléculas, siendo el
calor de adsorción para todas ellas equivalentes excepto para la primera.
69
La ecuación que describe su modelo, llamada ecuación BET, se puede escribir de
diversas formas, entre ellas la siguiente:
/.
.
1
.
1
)/1(
/P
CV
C
CVPV
P
oo
Donde C es una función que depende de la temperatura y π es la presión de
saturación del adsorbato a la misma temperatura.
Debido a que los supuestos del modelo BET, no se cumplen durante todo el
proceso de adsorción, se ha determinado que la valides del modelo BET, está
restringido a un cierto rango de presiones relativas. En general se acepta que la
ecuación BET se puede aplicar entre un rango de P/ π entre 0.05 y 0.35. Por debajo de
P/ π = 0.05 las heterogeneidades superficiales se hacen muy evidentes, mientras que
por sobre 0.35 se produce el fenómeno de condensación capilar, que no ha sido
considerado en este modelo. Incluso en materiales microporosos como las zeolitas y los
carbones activados, el rango de aplicación de la ecuación BET es menor, aceptándose
un rango de presiones relativas entre 0.05 a 0.15. Es por ello que, siendo bien aplicable
a sólidos no porosos y macroporosos, resulta menos adecuado a sólidos microporosos,
que son los mejor adaptados a aplicaciones de refrigeración.
2.10.2.2 Modelo de Dubinin-Radustkhevich y Dubinin-Astakhov (1935).
Sobre la base de la teoría desarrollada por Polanyi, Dubinin desarrolló una teoría
de llenado de microporos, con el fin de describir la adsorción sobre sólidos
microporosos. En los sólidos microporosos el concepto de superficie específica ha sido
muy cuestionado, principalmente por la escasa probabilidad de que en poros muy
estrechos se forme una monocapa estadística (modelo de Langmuir) y la casi nula
posibilidad de que exista una adsorción en multicapas (modelo BET). Sin embargo
como el concepto de superficie específica se encuentra tan ampliamente difundido, se
acepta su utilización en los materiales microporosos en forma comparativa y siempre
70
que se le denomine "superficie específica equivalente" o "superficie específica
aparente".
La ecuación que resume el modelo original, la llamada ecuación de Dubinin-
Radustkhevich, o simplemente ecuación D-R, se acostumbra a escribir así:
PTDTWTPx o
ln.exp).(.),(
Donde:
- ρ (T): Es la densidad del adsorbato en estado líquido.
- W0: Representa la máxima capacidad de adsorción (en unidades de volumen de
adsorbato por unidad de masa de adsorbente)
- D: Es el llamado coeficiente de afinidad, el cual depende tanto de las
características del adsorbente como de las del adsorbato.
- W0 y D se suelen considerar como parámetros y sus valores se pueden obtener
fácilmente mediante ajuste a partir de medidas experimentales de adsorción.
Un refinamiento de la ecuación D-R lo constituye la ecuación de Dubinin-Astakhov,
o ecuación D-A:
n
oP
TDTWTPx
ln.exp).(.),(
Que merced a su tercer parámetro, el exponente n, se adapta mejor a los
resultados experimentales para adsorción sobre sólidos microporosos. Por este motivo,
la ecuación D-A es la más empleada para modelar sistemas adsorbente-adsorbato en
aplicaciones de refrigeración, y sería igualmente empleada en este trabajo. De acuerdo
71
con la conocida ecuación de Clapeyron que relaciona el calor latente de vaporización
de un líquido con la pendiente de su curva de saturación, dicha curva se puede
aproximar mediante la ecuación siguiente:
T
BAT exp)(
Donde A y B son constantes positivas. Esto quiere decir que la curva de
saturación π (T) es aproximadamente una recta de pendiente positiva cuando se
representa en un diagrama en el que la coordenada horizontal sea -1/T y las ordenadas
sean Ln(P). Lo mismo ocurre, como es fácil comprobar, con las líneas de concentración
constante (las llamadas isóteras) que se deducen de las ecuaciones D-R y D-A. Por ello
es frecuente representar el estado del sistema adsorbente-adsorbato en un diagrama
-1/T vs. ln (P).
Figura 14. Esquema de diagrama de isósteras para un sistema que verifica la ecuación D - A. Se
incluye en color distinto la curva de saturación del adsorbato puro.
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
3.1. Tipo de investigación
La investigación es un proceso que, mediante la aplicación de métodos
científicos, procura obtener información relevante, fidedigna e imparcial, para extender,
verificar, corregir o aplicar el conocimiento. La investigación consiste en la búsqueda de
la verdad: cuando el hombre pregunta, busca, indaga, lo que pretende conocer es la
verdad acerca de aquello que significa descubrir o descorrer el velo de algo. Este algo,
al ser descubierto se hace patente, o sea que manifiesta su sentido de verdad.
Asimismo, la investigación consiste en ampliar el horizonte de significatividad, puesto
que un término es significativo para nosotros cuando su sentido se puede explicar por el
acervo de conceptos que ya poseemos; de igual manera, un objeto es significativo,
cuando sabemos para qué sirve o en qué consiste su valor.
Los trabajos de investigación responden a diferentes necesidades académicas,
como la respuesta ante las interrogantes planteadas por un problema en una situación
determinada, la búsqueda a ciertos acontecimientos o fenómenos, o la adquisición de
suficientes conocimientos que le sirvan para predecir cambios. Los objetivos de la
investigación son, por lo general, realizar un estudio para describir algún tema de
conocimiento, buscar información para dar respuestas satisfactorias a cuestionamientos
sobre fenómenos, estudiar profundamente un problema a fin de obtener datos
suficientes que permitan hacer ciertas proyecciones, organizar el pensamiento
expresado por diversos autores con relación a un tema de estudio, y presentar
opiniones personales o juicios de valor sobre una materia determinada. Los trabajos de
investigación tienen su razón de ser porque son un medio eficaz para adquirir
conocimientos; para ponernos en contacto con las fuentes directas de información; nos
da la oportunidad de participar activamente en trabajos creativos, y; nos capacita para
sistematizar la búsqueda de conocimientos, organizar y presentar debidamente los
73
resultados de una investigación. La investigación no debe ser improvisada, intuitiva,
irreflexiva ni precipitada.
De acuerdo al planteamiento del problema y a la información general de este
trabajo de grado, se ha clasificado dentro de:
3.2.- Investigación documental
La investigación documental se caracteriza por el empleo predominante de
registros gráficos y sonoros como fuentes de información. Generalmente se le identifica
con el manejo de mensajes registrados en la forma de manuscritos e impresos, por lo
que se le asocia normalmente con la investigación archivística y bibliográfica. El
concepto de documento, sin embargo, es más amplio. Cubre, por ejemplo: películas,
diapositivas, planos y discos.
Las fuentes de la investigación son las enciclopedias, diccionarios y libros;
artículos, revistas, tesis, informes técnicos, manuscritos, monografías; el propio centro
de trabajo, la comunidad a la que se pertenece; los adelantos de la tecnología, las
conferencias, las discusiones académicas, los seminarios, las clases, los congresos, las
mesas redondas, la consulta a especialistas en la materia que interesa estudiar; libros
de texto, publicaciones periódicas de la especialidad, folletos, programas de estudio,
programas de investigación, guías bibliográficas, catálogos, índices, boletines
informativos, reseñas, ensayos
El plan de trabajo es un instrumento que permite organizar, de manera lógica y
sistemática, las actividades que se requieren para realizar la labor de investigación. Es
una guía para la investigación y ofrece la oportunidad de revisar el proceso antes de
emprenderlo, y en él se valoran todas las etapas. Las partes del plan son:
1. El tema elegido: la presente investigación se refiere al estudio de sistemas de
refrigeración solar intermitente por adsorción
74
2. La justificación del estudio: aquí se expuso para qué se investigará, los
beneficios que se lograrán con el estudio de sistemas de refrigeración solar, la
necesidad o importancia para desarrollar este trabajo. Se indica que se busca es la
adquisición de conocimientos teóricos para la solución de un problema y se
mencionaron los intereses que movieron para emprender la investigación.
3. Definición del tema elegido: Se señalaron los límites de la investigación, En
donde de modelarán dos sistemas de refrigeración solar por adsorción los cuales serán
un sistema de acondicionamiento de aire para un espacio determinado y un refrigerador
para producir una cantidad determinada de hielo. Estos dos sistemas difieren en sus
parámetros de funcionamiento, en el refrigerante utilizado, en el dimensionamiento de
los equipos, entre otros. También en esta etapa se enumeran los aspectos propios del
tema tales como ubicación en donde se indico que la presente investigación esta
limitada al uso de parámetros ambientales del estado Zulia, se elaboró un marco teórico
el cual contempla todo el conocimiento previo a esta investigación.
4. Antecedentes del tema: se explica brevemente la ubicación de la investigación
en el contexto de conocimientos mencionando los adelantos existentes y los principales
trabajos que se hayan realizado hasta ese momento, y se cita la bibliografía preliminar.
En esta investigación se agregaron tres antecedentes relacionados con el tema objeto
de estudio.
5. Forma en que se llevará a cabo el proceso: se expone la forma en que se
realizará la investigación. Se indican los pasos que se tiene planeado seguir, desde la
recopilación del material informativo, la organización de los capítulos, la redacción y
presentación del trabajo. Estas etapas fueron definidas de la siguiente forma:
Recopilación de la información teórica: Investigación documental de sistemas de
refrigeración por compresión, absorción y adsorción, procesos de adsorción,
publicaciones relacionadas con sistemas de refrigeración solar, revisión de
información bibliográfica y trabajos de investigación similares.
Establecimiento las especificaciones de funcionamiento del sistema de
75
refrigeración o climatización.
Realización del balance de energía para las condiciones especificadas
Validación de los resultados
CAPÍTULO IV
DESCRIPCIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS
RESULTADOS.
Los sistemas de refrigeración por adsorción permiten aprovechar fuentes térmicas
no convencionales como la energía solar o desechos de calor residual generados por
un proceso industrial. En estos sistemas, no se utilizan equipos altamente
consumidores de energía eléctrica como los compresores; sino que son remplazados
por otros “generador”, que cumplen la misma función pero realizan procesos diferentes.
El generador es el equipo clave de un equipo de refrigeración de esta naturaleza,
en él se realizan las operaciones físicas de adsorción y desorción de gases, la cual
permite la generación de frío en el evaporador. También se presentan fenómenos de
transporte y de transferencia de materia, energía y momentum simultáneos que le
agregan complejidad en el momento de desarrollar un modelo matemático confiable.
4.1. Descripción de equipos que integran un sistema de refrigeración solar
intermitente por adsorción.
4.1.1. Ciclo de refrigeración solar intermitente por adsorción.
Como se explicó en el capítulo dos, el ciclo de refrigeración por adsorción básico
consta de cuatro etapas.
77
4.1.1.1. 1ª etapa: Calentamiento + presurización (Proceso de regeneración)
Para realizar este proceso se cierran las válvulas A y C, y se abre la válvula B
(figura 4.1), luego, se entrega la cantidad de calor suficiente para realizar la separación
del vapor con el sólido, este calor es el denominado calor integral de adsorción,
equivalente a la suma aritmética del calor de vaporización (a la presión
correspondiente) y el calor equivalente a la energía libre, producto de la adherencia y la
posición de las moléculas líquidas en los microporos, mesoporos y macroporos del
sólido.
El proceso se inicia con la entrega del calor integral de adsorción, ello origina que
el vapor de adsorbato (refrigerante) sea expulsado del adsorbente y obligado a
atravesar el condensador.
Figura 15. Esquema del proceso de regeneración
78
4.1.1.2. 2ª etapa: Condensación.
A lo largo de este proceso, el adsorbedor continúa recibiendo calor y está
conectado al condensador, el cual determina su presión. La temperatura del adsorbente
sigue aumentando, con lo que la presión del adsorbato sigue aumentando también,
hasta que llega un momento en el que supera la presión del condensador, y esta
diferencia de presiones hace que el adsorbato sea desorbido en forma de vapor para
ser licuado posteriormente en el condensador. Éste cede calor al exterior a una
temperatura intermedia.
En esta etapa es extraído su calor latente de vaporización, condensándolo y
almacenándolo en un recipiente captador. Al final del proceso se obtiene la totalidad del
refrigerante líquido almacenado en el recipiente captador y el adsorbente seco y listo
para utilizarse nuevamente y adsorber los vapores que se generan durante el proceso
de enfriamiento.
4.1.1.3. 3ª etapa: Proceso de enfriamiento + evaporación.
El proceso de enfriamiento se obtiene mediante la evaporación del refrigerante.
Esta evaporación es realizada en forma paulatina dosificando el ingreso del refrigerante
al evaporador por medio de una válvula adecuada. Para el inicio del proceso se
requiere haber captado la totalidad del refrigerante líquido, con ello además se
garantiza que el adsorbente se encuentre seco. Se cierra la válvula “A” y se abre gla
válvula “B” mientras que la válvula “C” es abierta para permitir el ingreso paulatino del
refrigerante.
79
Figura. 16. Esquema del proceso de enfriamiento
4.1.1.4. 4ª etapa: Enfriamiento + despresurización.
El adsorbedor libera calor mientras permanece cerrado y la temperatura del
adsorbente comienza a disminuir, provocando que la presión disminuya desde el valor
de condensación al de evaporación. La presión durante el proceso de evaporación es
baja. El ingreso del refrigerante en el evaporador hace que la presión dentro de él
comienza a incrementarse, sin embargo ésta se mantiene baja hasta finalizar la etapa
de adsorción, ya que los vapores son totalmente capturados por el adsorbente.
4.1.2 Períodos de Adsorción y Desorción.
La operación del sistema objeto de estudio está basada en un ciclo intermitente, o
de simple efecto, donde no hay recuperación de calor. El ciclo consiste en dos etapas:
una caracterizada por el proceso de adsorción, cuando ocurre la evaporación del fluido
de trabajo (el adsorbato) (Figura 4.3a); y otra, de regeneración del medio poroso (el
80
adsorbente), mediante la conversión térmica de energía solar, en la cual el adsorbato es
condensado (Figura 4.3b).
a) Proceso de Regeneración
b) Proceso de adsorción
Figura 17. Etapas del ciclo intermitente de refrigeración solar.
81
La etapa de producción frigorífica empieza al final de la tarde, cuando la
temperatura y la presión del adsorbedor comienzan a disminuir, según un proceso
isostérico, o sea, un proceso en que la concentración de fase adsorbida es constante.
La evaporación es desencadenada, cuando el flujo de adsorbato se dirige hacia el
adsorbedor, ocurriendo durante todo el período nocturno, hasta la temperatura del
adsorbedor alcanzar un valor mínimo. Al final de la adsorción, el adsorbedor está con
una temperatura y una presión correspondiente a la saturación de la fase gaseosa en el
evaporador. Con el calentamiento del adsorbedor, por acción del sol, su presión
aumenta, siguiendo otro proceso isostérico. Cuando el reactor alcanza la presión de
condensación, la desorción comienza, prosiguiendo hasta que el adsorbedor llega a la
temperatura máxima, completando así el ciclo.
Debido a la intermitencia propia de la radiación solar, lo más sensato es pensar en
sistemas de refrigeración intermitentes, aunque también se pueden desarrollar sistemas
que operan continuamente, pero que necesitan de un sistema de almacenamiento y de
una fuente auxiliar de energía para que puedan seguir operando en las horas que no
hay radiación solar (Noche y períodos con nublados intensos). El decidirse por algún
tipo de sistema también tiene que ver con la aplicación que se le vaya a dar. Si el
sistema se necesita para el acondicionamiento calorífico de viviendas o edificios
generalmente se utilizan sistemas continuos, pero si lo que se requiere es conservar
alimentos o cualquier tipo de producto perecedero, un sistema intermitente podría dar
buenos resultados. Estos, generalmente logran temperaturas lo bastante bajas como
para producir hielo.
4.1.3 Partes de la máquina
En esta parte se describen los elementos básicos de que consta una máquina de
adsorción. Nos centraremos principalmente en las que están alimentadas directamente
por energía solar térmica. Los elementos básicos son el sistema captador-generador, el
condensador y el recinto frío-evaporador.
82
4.1.3.1 Sistema captador – generador
Como se ha indicado su función es doble: alberga el lecho de material adsorbente
y lo mantiene en contacto térmico estrecho con el sistema de captación solar. Con
mucho, el diseño más común se basa en un captador solar plano modificado, de modo
que bajo la superficie de captación se dispone un lecho adsorbente de mayor o menor
espesor.
Figura. 18. Adsorbedor plano
Con el fin de conseguir un buen contacto térmico entre la superficie de captación y
el lecho, éste se sumerge a intervalos regulares en una serie de aletas metálicas que
además poseen una función estructural, debido a que las maquinas funcionan
habitualmente en vacío parcial o bajo presión, las aletas previenen el colapso o el
abombamiento, respectivamente, de la superficie captadora. La inclusión de estas
aletas, aunque necesaria, contribuye a dificultar y encarecer la manufactura del
generador, y aumenta su peso y su inercia térmica.
Figura 19. Sección transversal de un generador basado en el captador plano.
83
La cara inferior del lecho adsorbente se contiene mediante una malla metálica
perforada, cuyos orificios facilitan el tránsito del vapor de refrigerante en ambos
sentidos. La malla comunica con una cámara que facilita la circulación y distribución de
vapores desde y hacia el conducto que lleva al condensador de la máquina. Las
cantidades de adsorbente por unidad de área de captación son parámetros de diseño y
como tales son variables. En el caso del par carbón activo-metanol los valores típicos
se hallan en torno a 15-20 kg/m2, mientras que por ejemplo en el caso de las zeolitas,
cuya capacidad de adsorción de agua es menor, se utilizan cantidades algo mayores.
Otro tipo de generador popular, y de más fácil manufactura que el precedente,
está constituido por una serie de tubos paralelos, también revestidos de negro o
dotados de superficie selectiva. En los extremos de cada tubo se disponen
conducciones adicionales de comunicación con el condensador. Cada tubo posee a lo
largo de su eje una conducción para la distribución del refrigerante, comunicada con el
lecho adsorbente coaxial a ella mediante una tela metálica perforada. (Figura 19).
El adsorbedor multitubular presenta dos ventajas esenciales, con respecto a
aquellos formados por una pieza única: su fabricación es más simple (puede ser
construido de forma modular; usando líneas de soldadura menores); y puede ser
construido con material de menor espesor, por el hecho de su geometría soportar
diferencias de presión mayores (el sistema funciona en vacío).
Figura 20. Sección transversal de un generador de tubos
84
Otro elemento clave del diseño del generador lo constituyen los sistemas de
refrescamiento nocturno, destinados a entregar al ambiente el calor de adsorción que
se libera en el generador, sin cuyo concurso sería imposible evaporar cantidades
importantes de refrigerante. Aunque la tipología es muy variable en general se recurre a
obturadores móviles que permanecen cerrados durante la fase de regeneración y se
abren manualmente durante la fase nocturna, posibilitando la circulación de aire fresco
en torno al captador.
4.1.3.2 Condensador
El componente mayor en el sistema mayor de refrigeración es el condensador.
Básicamente, el condensador es otra unidad de intercambio de calor en el cual el calor
extraído por el refrigerante en el evaporador, y también el añadido al vapor en la fase de
regeneración, se disipa a un medio condensante. El vapor a alta presión y temperatura
que sale del adsorbedor está sobrecalentado y este sobrecalentamiento se retira en la
línea de descarga y la primera porción del condensador. Como la temperatura del
refrigerante es bajada a su punto de saturación, el vapor se condensa en líquido para
continuar el ciclo.
Los condensadores pueden ser enfriados por aire, agua o por evaporación. Los
refrigeradores domésticos generalmente tienen un condensador enfriado por aire, el
cual depende del flujo de gravedad del aire que circula a través de él. Otras unidades
enfriadas por aire usan ventiladores para secar o extraer grandes volúmenes de aire a
través de los serpentines del condensador.
Condensador enfriado por aire: El condensador enfriado por aire, depende de
un suministro relativamente amplio de “aire fresco” para que, con el fin de tener
transferencia de calor del refrigerante en condensador al enfriarse, el aire deba estar a
una temperatura de por lo menos 15°C más baja que la del refrigerante. Con esta
diferencia de temperatura, existe un intercambio de calor satisfactorio entre el
refrigerante y el aire.
85
Figura 21. Condensador enfriado por aire
Son habitualmente más simples en su construcción y proporcionan temperaturas
de condensación relativamente elevadas, porque el aire ambiente rara vez se halla por
debajo de los 25 a 30 °C en condiciones realistas de funcionamiento.
La utilización de este dispositivo en el sistema de refrigeración objeto de estudio
involucraría un alto requerimiento eléctrico que contradice el sentido de esta
investigación, por lo tanto se descarta su uso.
Condensador enfriado por agua: Condensadores enfriados por agua permiten
temperaturas y presiones de condensación bajas, también suministran mejor control de
los topes de presión de las unidades de operación
Figura 22. Condensador refrigerado por agua procedente deposito con agua
86
Los condensadores refrigerados por agua procedente de la red o de un depósito
con agua estancada permiten obtener temperaturas de condensación inferiores agua
estancada permiten obtener temperaturas de condensación inferiores lo que
generalmente contribuye a la consecución de mejores eficiencias, debido a la inercia
térmica del agua y a más altos valores típicos del coeficiente de transmisión del calor.
Según se ha explicado previamente, durante la fase diurna las condiciones
ambientales típicas imperantes no son particularmente favorables a la formación de
refrigerante líquido en el condensador, por lo que esta parte de la máquina debe ser
objeto de un diseño especialmente cuidadoso.
Finalmente es preciso indicar que en casi todas las máquinas descritas en la
literatura la caída del refrigerante condensado hacia el evaporador o hacia un eventual
depósito de colección que comunica con aquél se efectúa por gravedad, sin necesidad
de incorporar elemento alguno de circulación o bombeo.
4.1.3.3 Evaporador
El conjunto evaporador - recinto frío adopta en la literatura una variedad de
tipologías más amplia que la que se manifiesta en otros elementos de la máquina. Un
rasgo que se mantiene en todos los prototipos es el hecho de que el recinto frío posee
gruesas paredes de material aislante para mantener su temperatura durante las fases
del ciclo en las que no existe producción de frío.
87
4.2. Ciclo de refrigeración por adsorción con respecto a otros sistemas de
refrigeración.
Atendiendo al principio de funcionamiento, los sistemas de refrigeración se
clasifican en tres grandes grupos; sistemas de refrigeración por compresión, sistemas
de refrigeración por absorción y sistemas de refrigeración por adsorción.
Los sistemas de refrigeración por compresión tienen el grave inconveniente de
que su rendimiento está limitado por que su diseño exige un alto número de piezas
móviles. Este alto número de piezas en movimiento implican una pérdida de energía al
mismo tiempo que producen un ruido en operación que puede ser un inconveniente.
Tienen además el inconveniente de utilizar sustancias que son nocivas para el medio
ambiente.
Los sistemas de refrigeración por absorción tienen la ventaja de ser más
silenciosos pero su rendimiento es también pequeño los de compresión y las sustancias
utilizadas convencionalmente como agentes refrigerantes son nocivas para la salud en
caso de accidente. Asimismo las altas presiones internas en las que el ciclo se
desarrolla hacen inconveniente el sistema. A diferencia de la absorción en la que las
moléculas de un fluido penetran en el interior de un cuerpo, la adsorción consiste en la
concentración de gases, vapores, líquidos materiales dispersos o coloides sobre la
superficie de una sustancia. Los sistemas menos desarrollados y menos utilizados
actualmente son los sistemas de refrigeración por adsorción.
Los sistemas de refrigeración por adsorción conocidos contienen dos
intercambiadores de calor rellenos de material adsorbente con un diferente nivel de
agente refrigerante adsorbido. Tienen la particularidad de operar de un modo
discontinuo debido a que el adsorbente es sólido y no puede fluir y renovarse dentro de
los intercambiadores de calor.
Las ventajas de los sistemas de adsorción frente a los sistemas convencionales de
refrigeración son numerosas:
88
La posible mayor eficiencia
Sus pequeñas dimensiones
La posibilidad de usar sustancias naturales no agresivas con el medio
ambiente y no tóxicas para el hombre.
Las bajas presiones en las que se desarrolla el ciclo de refrigeración dentro
de un amplio rango de temperaturas y la gran potencia.
Las limitaciones actuales de los sistemas de refrigeración por adsorción son la
falta de un diseño de un sistema y un dispositivo que pueda desarrollarse a nivel
industrial y que desarrolle eficientemente los principios de los sistemas de adsorción.
4.3. Parejas adsorbente - adsorbato usuales en refrigeración
Esta sección se dedica a examinar algunos de los principales pares adsorbente-
adsorbato que se han ensayado para aplicaciones de refrigeración, con atención
especial, al igual que en todo el resto del trabajo, a las máquinas que utilizan energía
solar. En primer lugar se señala las características básicas que deben verificar los
adsorbentes y adsorbatos idóneos y luego se comentarán las características
específicas de cada posible elección.
4.3.1. Criterios de selección del par de trabajo
A continuación se da una serie de características deseables en el adsorbente y el
adsorbato.
89
4.3.1.1. Características deseables en el adsorbato.
Punto de fusión por debajo de 0 °C, al menos si, como muchas aplicaciones
requieren, se desea la producción o conservación de hielo en el recinto frío.
La molécula debe ser de pequeño tamaño con el fin de facilitar la adsorción
sobre los microporos del adsorbente.
Elevado calor latente de vaporización, ya que el COP del ciclo se acerca a su
valor ideal cuanto más baja es la relación de calor sensible a calor latente puestos en
juego en su transcurso.
Estabilidad térmica de por sí y frente al adsorbente en el rango de
temperaturas de trabajo del ciclo.
No toxico, no corrosivo ni inflamable.
4.3.1.2. Características deseables en el adsorbente
Buena afinidad por su adsorbato, entendiendo por tal la capacidad de adsorción
de grandes cantidades de éste a bajas temperaturas.
Capacidad de desorber la mayor parte del adsorbato a las temperaturas típicas
alcanzadas en la fase de regeneración. En general esta característica y la precedente
tienden a ser mutuamente excluyentes.
El calor sensible acumulado durante la fase de calentamiento debe ser
pequeño, en términos relativos, en comparación con el calor de desorción-adsorción.
Que no sufra deterioro con el uso.
90
No tóxico y no corrosivo.
Bajo costo y de fácil disponibilidad
4.3.2. Adsorbentes más utilizados en refrigeración.
Es difícil, si no imposible, encontrar la molécula perfecta que verifique de modo
satisfactorio todos los requisitos señalados arriba para un buen adsorbato- refrigerante.
En la práctica, la gran mayoría de trabajos citados en la literatura utilizan uno de estos
refrigerantes: el agua, el metanol y en menor medida, el amoniaco y el etanol, ya que
estas cuatro sustancias son las de mayor calor latente de vaporización, conformándose
éste como parámetro térmico clave en la elección final.
El agua combina ventajas evidentes, su estabilidad, su disponibilidad y su alto
calor latente (2258 kJ/kg) con un problema esencial: se solidifica por debajo de 0 °C, lo
que en principio restringe su uso a aplicaciones por encima de esa temperatura.
El metanol posee otras características que le otorgan un notorio atractivo: posee
un calor de vaporización elevado; se mantiene líquido a muy bajas temperaturas; al ser
la molécula de más pequeño tamaño que se encuentra en estado líquido en
condiciones ambiente ordinarias se deja adsorber bien por sólidos microporosos
adecuados. Por estos y otros motivos se ha convertido en el refrigerante más común en
aplicaciones de adsorción. Como inconveniente, compartido con el agua, se señala que
requiere presiones de trabajo por debajo de la atmosférica, de modo que cualquier fuga
provoca la entrada de aire en la máquina y una caída abrupta de eficiencia en esta.
4.3.3. Adsorbatos más utilizados en refrigeración.
Entre los adsorbatos más extendidos citaremos el carbón activo, las zeolitas y el
gel de sílice.
91
El carbón activo se obtiene sometiendo un material precursor rico en carbono
(carbón mineral, huesillo de coco, madera, cáscaras de frutas, turba, breas, coque, etc.)
a tratamientos térmicos o químicos específicos que eliminan la fracción volátil del
precursor, dejando un esqueleto carbonoso altamente poroso que le confiere sus
propiedades como adsorbente. Al ser un compuesto covalente, muestra preferencia por
moléculas que tienden a ser no iónicas y poco polares. Tal es el caso de la mayoría de
los compuestos orgánicos. Por lo tanto, el carbón activado se considera un adsorbente
casi universal de moléculas orgánicas. Sus aplicaciones genéricas son múltiples:
tratamiento y depuración de aguas, parificación de aire y gases, eliminación de olores
en ambientes cerrados, fabricación de máscaras antigás, adsorbente de etileno para
evitar la maduración prematura de productos vegetales, decoloración de licores, jugos y
vinagres, y otras muchas.
En el campo de la refrigeración presenta una serie de ventajas frente a otros
adsorbentes: es más barato; muchas de sus propiedades pueden ser diseñadas a
solicitud, variando la temperatura, el tiempo u otras características de la activación;
puede ser manufacturado con materias primas y tecnologías simples, disponibles
incluso en países poco desarrollados. Es el adsorbente natural para el metanol y para el
amoniaco. En particular el par carbón activo-metanol representa tal vez la mejor pareja
entre las propiedades deseables en adsorbente y adsorbato y por ello es el que más
atención ha recibido en la literatura
Las zeolitas forman una familia de minerales compuestos por silicatos alumínicos
hidratados de metales alcalinos y alcalinotérreos. Estructuralmente poseen un armazón
que encierra cavidades interconectadas ocupadas por cationes metálicos y moléculas
de agua. En estas cavidades es donde tiene lugar la deshidratación reversible que las
convierte en adsorbente ideal para el agua. Entre sus ámbitos de aplicación comercial
destacan la separación de hidrocarburos en el refinado de crudo, secado de gases y
líquidos y filtrado de contaminantes. En refrigeración se utilizan en combinación con el
agua.
92
El gel de sílice es una sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando
parte del agua de un precipitado gelatinoso de ácido silícico, el cual se obtiene
añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de sílice
absorbe agua y otras sustancias y se usa principalmente como agente desecante y
decolorante. En refrigeración se usa en combinación con agua o con metanol.
4.4. Modelo teórico para adaptar un equipo de refrigeración intermitente por
adsorción que utilice energía térmica solar.
4.4.1. Potencia, Dimensiones, y parámetros de funcionamiento
El sistema en estudio es un freezer doméstico, con la siguiente Potencia,
Dimensiones, y parámetros de funcionamiento:
Potencia frigorífica de 45 W (153 BTU/hr)
El volumen del recinto de refrigeración equivale al de una nevera ejecutiva, que
es unos 175 litros. (6.2 pies3)
La capacidad del mismo es de 70 cm de alto por 50 cm de fondo por 50 cm de
ancho.
Se asumirán temperaturas diurnas y nocturnas del lecho de carbón activado en
el adsorbedor, tomando en cuenta las condiciones ambientales y de radiación solar del
país.
Se fijará la temperatura del recinto refrigerado en 0 °C, ya que es la temperatura
recomendada para la conservación de alimentos o fármacos.
El periodo de adsorción se establecerá en 8 hr promedio ( 9 am a 5 pm) y el de
desorción en 16 hr (5 pm a 9 am)
93
Se debe usar un aislamiento térmico, que podría ser de poliestireno expandido,
el cual puede llegar a tener unos 4 a 5 cm de espesor (como en los refrigeradores
comunes), para poder asumir cero perdidas de calor.
4.4.2. Balance de energía en el evaporador o cámara fría
4.4.2.1. Temperatura y presión de operación del evaporador.
La temperatura del metanol en el evaporador quedó fijada en: T= 0°C
Por lo que la presión de saturación para esta temperatura es:
POPEV= 40 mbar = 4 KPa.
4.4.2.2. Entalpia de líquido y vapor saturado para la temperatura de operación.
Para la estimación de la entalpia se usaran la siguiente Tabla:
94
Tabla 1. Tabla de Metanol saturado. (Guía de la Corporación de Solventes Comerciales, Metanol CSC p. 18)
hf@T=0°C= 0.01 BTU/lb = 0.0233 KJ/kg
hg@T=0°C= 516.0 BTU/lb = 1200.2 KJ/Kg
4.4.2.3. Calculo del calor extraído del Recinto frío.
Para el cálculo del calor se aplica la primera ley de la termodinámica:
KJ/Kg2,1200
0
in
CTfgin
q
hhq
4.4.2.4. Calculo del flujo másico de Metanol.
hrgsKgKW
q
Qm
in
/135/10*75.3g1200,2KJ/K
045.0 5
..
95
4.4.3. Pareja adsorbente-adsorbato usada en el modelo de sistema de refrigeración.
Para efecto de esta investigación se tomara como par de adsorbente-adsorbato el
Carbón activado-Metanol.
Por ser el metanol el refrigerante elegido en este trabajo se da en la tabla una lista
de sus propiedades térmicas más relevantes.
Tabla 2. Resumen de las principales propiedades físicas del metanol
Con respecto al carbón activado se escogió un tipo que es producido en
Venezuela por la empresa CARBOAC SA como lo es el V-100, Las características de
este carbón se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 3. Características del carbón activado V-100
96
4.4.4. Masa de metanol por unidad de masa de carbón activado en el adsorbedor.
Se utilizará la ecuación de Dubinin-Astakhov, o ecuación D-A para modelar las
isóteras del par adsorbato adsorbente escogido anteriormente, debido a que como se
indico en el capitulo dos, esta posee un tercer parámetro, que es su exponente n, lo
cual hace que se adapte mejor a los resultados experimentales para adsorción sobre
sólidos microporosos. Por este motivo, la ecuación D-A es la más empleada para
modelar sistemas adsorbente-adsorbato en aplicaciones de refrigeración
n
so
P
PTDTWTPx ln.exp).(.),(
Donde:
x (P, T): Masa de MeOH por unidad de masa de carbón (Kg MeOH/Kg C).
ρ (T): Densidad del adsorbato en estado líquido.
Esta densidad, es la del líquido saturado a la presión de operación del evaporador
y del condensador. Esta temperatura de saturación se fijó en 0°C, adecuado para la
conservación de alimentos en el evaporador y 40 °C que se fijó como la temperatura
promedio en el condensador.
ρf = 780 Kg/m3 @T=40°C.
ρf = 804 Kg/m3 @T=0°C.
Por lo tanto se tomara una densidad promedio de:
ρf = 792 Kg/m3.
97
W0: Máxima capacidad de adsorción (volumen de adsorbato por unidad de
masa de adsorbente)
D: Coeficiente de afinidad, el cual depende tanto de las características del
adsorbente como de las del adsorbato.
n: Constante determinada por la estructura del adsorbente.
W0, D y n: se suelen considerar como parámetros y sus valores se pueden
obtener fácilmente mediante ajuste a partir de medidas experimentales de adsorción.
Como este trabajo no contempla la realización de análisis experimentales se
tomaron para una estimación, los valores típicos de un carbón de la literatura (Frigerio,
2004b):
Tabla 4. Valores característicos del carbón activado.
Valores del carbón activado
D 12 x10-7
Wo 43x10-5 m3 MeOH/Kg C
N 2.1
Cuyo ajuste da, para la ecuación de Dubinin-Astakhov el siguiente resultado:
1.2
7ln.1012exp.341.0),(
P
PTxTPx s
T: Temperatura del carbón activado.
98
Noche (Adsorción) T= 27 °C = 300 K
Día (Desorción) T= 100°C = 373 K
Ps: Presión de saturación del Metanol a la temperatura del Carbón Activado.
La temperatura promedio de trabajo del carbón activado durante la fase de
adsorción (día) se fijó en 100 °C en virtud de un promedio nacional de energía incidente
de 4,71 KWh/díaxm2, con un período de insolación diaria promedio de 5,5 horas y una
alta continuidad de irradiación en el transcurso del año, por lo tanto:
Día (Desorción) T= 100°C Ps= 352 Kpa
Para la fase de desorción (noche) se tomará una temperatura de 27 °C, la cual es
la temperatura promedio a la baja.
Noche (Adsorción) T= 27 °C Ps= 18.3 Kpa
P: Presión de vapor del Metanol a la temperatura del sistema.
La temperatura fijada a la entrada del condensador la cual se tomara como
TCondensador= 40 °C.
Día (Desorción) P= 36 Kpa @T= 40°C
Noche (Adsorción) ) P= 4 Kpa @T= 0°C
Durante la adsorción se obtiene una fracción de metanol contenido en el carbón:
CARBON
MeOHAD
Kg
gxx 214,851000*
4
3.18ln.3001012exp.341.0
1.2
7
99
Mientras que para la desorción se obtiene:
CARBON
MeOHDE
Kg
gxx 61,961000*
36
353ln.3731012exp.341.0
1.2
7
4.4.5. Cantidad Metanol requerido en el envase para cada periodo.
Tomando en cuenta que el periodo de desorción es 16 hr (5 pm a 9 am) y que el
flujo másico del mismo en el evaporador será de 135 gr/hr, la cantidad de metanol
requerido en el envase para cada periodo será de:
KgMeOH 2,21000*16hr*hr
gr 135 MeOHm
La densidad del Metanol como líquido saturado a la presión de 36 Kpa y la
Temperatura de 40 °C en el recipiente es de:
ρf = 765,4 Kg/m3.
Con lo que se obtiene el volumen de metanol liquido en el recipiente:
LtsMeOH 2.81000*/4,765
Kg 2,23
mKg
VMeOH
4.4.6. Cantidad de carbón activado en el adsorbedor.
La cantidad de metanol con la que se cuenta en el evaporador a la hora de
comenzar la extracción de calor es la diferencia de xAD – xDE, Esto da 152,89 gramos de
metanol por Kg de carbón activado.
100
Por lo que la masa de carbón activado requerida en el adsorbedor será de:
Carbón
Carbón
MeOH
MeOH Kg 14,13
Kg
gr 152.8
gr2200Carbónm
4.4.7. Calor por requerido en el adsorbedor.
4.4.7.1. Calor agregado al metanol en el Adsorbedor
h sal (KJ/Kg)= 1239,8
h ent (KJ/Kg)= 1200,2
KWhr
QMeOH 003,03600*8
2.2KG*KG1200,2)KJ/-(1239,8
4.4.7.2. Calor agregado al Carbón activado en el Adsorbedor
C carbón (KJ/KG*K) = 0, 92
KWhr
QCarbón 019,03600*8
14.13Kg*C0)-(40*K*0.92KJ/KG
QTOTAL = 0.22 KW
4.4.8. COP del refrigerador
2022,0
045,0QEvaporador
KW
KW
QCOP
Adsorvedor
101
4.4.9. Calor en el condensador.
Condiciones de funcionamiento del condensador:
t de op (hr) = 8
T (K) = 313
P (Kpa) = 36
hf (KJ/kg) = 107,5
hg (KJ/Kg) = 1239,8
KWhr
Q rCondensado 085,03600*8
2.2KG*KG1239,8)KJ/-(107,5
4.4.10. Caudal de agua requerida en el condensador
C agua (KJ/Kg*K)= 4,179
Tent (°C)= 24
Tsal (°C)= 30
min/2,0min1
60*
1
1*
6K*K*KG
KJ4,179
085,0
3600*8
2.2KG2
Ltsseg
Kg
LtKW
hrV OH
Con el caudal de agua obtenido de se puede concluir que no se requerirá una
bomba de alto consumo eléctrica para mover este flujo de agua.
102
4.5. Resumen de cálculos del modelo de refrigerador
4.5.1. Evaporador
Tabla 5. Valores finales del evaporador en el modelo
CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO (KW)= 0,045
tiempo de operación (hr) = 16
T (K) = 273
P (Kpa) = 4
hf (KJ/kg) = 0,0233
hg (KJ/Kg) = 1200,2
q (KJ/Kg)= 1200,2
m MeOH (g/hr)= 135,0
4.5.2. Recipiente
Tabla 6. Valores finales del recipiente en el modelo
FASE: Liq. Sat
P (Kpa) = 36,0
T (K) = 313,0
hf (KJ/kg) = 107,5
masa total de metanol en el recipiente (kg)
=
2,2
ρ prom de liquido de MeOH en CA
(Kg/m3)=
765,4
Volumen de MeOH (Lts)= 2,8
103
4.5.3. Condensador
Tabla 7. Valores finales del condensador en el modelo
tiempo de operación (hr) = 8
T (K) = 313
P (Kpa) = 36
hf (KJ/kg) = 107,5
hg (KJ/Kg) = 1239,8
q (KJ/Kg)= -1132,3
Cantidad de metanol que debe producir el Condensador
m MeOH (Kg/hr)= 0,3
Calor extraído en el condensador
Q (KW)= -0,085
Caudal de agua requerida en el condensador
C agua (KJ/Kg*K)= 4,179
Tent (°C)= 24
Tsal (°C)= 30
Vol. agua (Lts/min)= 0,20
4.5.4. Adsorbedor
Tabla 8. Valores finales de condiciones diurnas y nocturnas en el modelo
AD
SO
RB
ED
OR
DIURNO -- DESORCION -- REGENERACION
T prom lecho (K) = 373
Ps (Kpa) @ T del lecho = 352
Top (K)= 313
Pv (Kpa) @ Top= 36
h(KJ/Kg)= 1239,8
NOCTURNO -- ADSORCION -- REFRIGERACION
104
T prom lecho (K) = 300
Ps (Kpa) @ T del lecho = 18,3
Top (K)= 273
Pv (Kpa) @ Top= 4
h(KJ/Kg)= 1200,2
Tabla 9. Valor final de la masa de carbón activado en el adsorbedor del modelo
FRACCIÓN DE METANOL CONTENIDO EN EL CARBÓN
ACTIVADO EN LAS ETAPAS DE ADSORCIÓN Y
DESORCIÓN
x adsorción (g MeOH/Kg Carbón)= 214,85
x desorción (g MeOH/Kg Carbón)= 61,96
∆x (g MeOH/Kg Carbon)= 152,89
Masa total de Carbón Activado en el Adsorbedor.
m carbón (Kg) = 14,13
Tabla 10. Valor final del calor requerido en el adsorbedor del modelo
Calor agregado al metanol en el Adsorbedor
h sal (KJ/Kg)= 1239,8
h ent (KJ/Kg)= 1200,2
q (KJ/Kg)= 39,5
Q (KW) = 0,0030
Calor agregado al Carbon activado en el Adsorbedor
C carbon (KJ/KG*K)= 0,92
Q (KW) = 0,019
Calor total
Q Total (KW) = 0.22
105
Tabla 11.- Valor final del Coeficiente de operación del refrigerador en el modelo
COP DEL REFRIGERADOR
COP= 2,0
106
CONCLUSIONES
Los equipos que conforman el ciclo de refrigeración por adsorción no son
altamente consumidores de energía eléctrica, lo cual representa una gran ventaja en
sitios remotos donde no llega el servicio eléctrico.
El generador es el equipo clave en refrigeradores de esta naturaleza, en él se
realizan las operaciones físicas de adsorción y desorción de gases, la cual permite la
generación de frío en el evaporador.
La operación del sistema objeto de estudio está basada en un ciclo
intermitente, o de simple efecto, donde no hay recuperación de calor. Aunque ya
existen estudios para experimentar con ciclos que sean continuos para ampliar las
aplicaciones de estos refrigeradores, entre estas destaca el área de climatización de
ambientes; se deben manejar muy bien los parámetros de funcionamiento y
correlaciones experimentales del ciclo intermitente para dar el paso hacia la continuidad
del mismo.
De la comparación del ciclo por adsorción con los de absorción y compresión
mecánica se obtuvieron las siguientes ventajas.
- Es posible obtener mayores eficiencias en el ciclo por adsorción
- Las dimensiones de este equipo deben ser más pequeñas que el de
compresión o absorción.
- El refrigerante usado (Metanol) es de origen natural, por lo tanto no es
agresivo con el medio ambiente y no es tóxico para el hombre.
- El ciclo de refrigeración por adsorción se desarrolla a bajas presiones con
un amplio rango de temperaturas y gran potencia
107
Con respecto a los pares adsorbentes-adsorbatos usados en refrigeración,
resulto seleccionado el par, debido a su gran afinidad como materiales polares, el bajo
punto de fusión y alto calor latente de vaporización del metanol y la alta microporosidad
del Carbón.
La ecuación de Dubinin-Astakhov, o ecuación D-A para modelar las isóteras
del par Carbón Activado-Metanol se debe de adaptar mejor con los resultados teóricos
obtenidos en esta investigación, con la parte experimental (no contemplada en este
trabajo) que genere los parámetros W0, D y n que se ajusten mejor a la realidad, ya que
en estos equipos se presentan fenómenos de transporte y de transferencia de materia,
energía y momentum simultáneos que le agregan complejidad en el momento de
desarrollar un modelo matemático confiable.
Basados en los balances de energía y materiales teóricos obtenidos en esta
investigación se puede concluir, que la misma deja sentadas las bases para el posible
diseño y construcción de los primeros prototipos de refrigeradores solares intermitentes,
que permitan mediante la experimentación validar y/o ajustar los resultados que
permitan el diseño de maquinas de mayor envergadura.
108
RECOMENDACIONES
Luego de haber realizado el estudio de refrigeradores intermitentes por adsorción
se plantean las siguientes recomendaciones:
Se debe fortalecer el estudio del comportamiento de pares de adsorbentes-
adsorbatos para comparar sus capacidades, con el uso de diferentes correlaciones
disponibles.
Proceder con la experimentación de pares de adsorbentes-adsorbatos con
carbones activados y metanol producidos en la región de modo de obtener parámetros
reales de comportamiento y que estos sean contrastados con los obtenidos
teóricamente.
Se debe ampliar la investigación para el estudio de sistemas refrigeración por
adsorción continuos, que permita su aplicación en áreas como climatización,
enfriamiento de agua, entre otros.
Se debe procurar la construcción del primer prototipo de refrigerador solar
intermitente, que permitan mediante la experimentación validar y/o ajustar los
resultados que permitan el diseño de maquinas de mayor envergadura.
109
BIBLIOGRAFIA
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PRODUCCIÓN DE HIELO USANDO CARBÓN ACTIVADO-METANOL. Departamento
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Departamento de Física Universidad de Burgos
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