3. estado del arte de las distintas...

Estado del Arte de la Producción de Frío a partir de Energía Solar

Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 19

3. ESTADO DEL ARTE DE LAS DISTINTAS

TECNOLOGÍAS DE REFRIGERACIÓN SOLAR.

3.1. Clasificación procesos de refrigeración solar.

Los procesos de refrigeración solar se pueden clasificar en función de la forma en la se recoge la energía solar:

a) Con generación de electricidad.

Mediante módulos fotovoltaicos se genera la electricidad necesaria para accionar un equipo eléctrico.

a.1. Compresión mecánica.

a.2. Ciclo termoeléctrico Peltier.

b) Sin generación de electricidad.

Se produce directamente energía térmica a baja o media temperatura mediante colectores solares.

En la actualidad, existen varias tecnologías de refrigeración que se pueden acoplar a un sistema solar térmico para aprovechar la energía calorífica. Estas tecnologías son las siguientes:

b. 1. Adsorción.

b.2. Sistemas de refrigeración evaporativa con desecante.

b.3. Absorción.



Desde un punto de vista energético, 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.

En la Figura 8 se puede comprobar las distintas posibilidades de sistemas de refrigeración solar.

Figura 8. Posibilidades de sistemas de refrigeración solar.

Si la energía a aportar es energía eléctrica (sistemas de compresión) se puede suministrar la energia solar en forma de energía solar fotovoltaica o térmica de alta temperatura, mientras que si la demanda es de energía térmica, el sistema solar a acoplar será térmico de baja-media temperatura.

3.2. Refrigeración por compresión mecánica.

Producción de electricidad solar para su uso en enfriadora por compresión mecánica. Su fuente de energía proviene de placas solares.



Figura 9. Refrigeración por compresión mecánica.

En el diagrama de la Figura 9 se representa el ciclo teórico de producción de frío solar mediante compresión mecánica; sin embargo, a día de hoy no se conoce ningún ejemplo de aplicación de esta tecnología para la obtención de frío a partir del sol.

3.3. Ciclo termoeléctrico Peltier.

3.3.1. Descripción. Las celdas Peltier se pueden emplear en un sistema de refrigeración que utilice energía de la red eléctrica, como energía solar. Un típico elemento refrigerador Peltier se muestra en la siguiente Figura:

Figura 10. Elemento refrigerador Peltier.



Este dispositivo funciona como bomba de calor entre dos placas, de manera que absorbe calor por una, enfriando el ambiente que le rodea, y lo disipa por la otra. El efecto final es, que una placa se enfría y la otra se calienta.

Estas placas están unidas por cerámicas semiconductoras especiales que tienen un marcado efecto Peltier. Cuando se hace circular corriente continua en una dirección, el calor se transporta de una placa a la otra, como se muestra, pero si se invierte la polaridad, se invierte también la dirección del tránsito del calor.

Esta posibilidad de intercambiar la placa fría y caliente, hace que las neveras construidas con refrigeración Peltier, funcionen lo mismo como calentadores que como refrigeradores con solo invertir la polaridad de la alimentación eléctrica.

Los componentes de un sistema de refrigeración por Peltier con energía solar son los siguientes:

- Tarjeta electrónica: está conectada a las placas solares y es la encargada de proporcionar energía a la celda Peltier y a los ventiladores.

- Celda Peltier: las placas cerámicas que están dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que permiten unir los semiconductores eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Por una lado se produce frío y por el otro, calor.

- Disipador de calor: se utiliza para eliminar el exceso de calor que se produce en una de las caras de la celda.

- Ventiladores externos: se emplean para aumentar la transferencia de calor entre la cara caliente de la celda y el aire, en este caso, para refrigerar.

- Disipador del lado frío: transfiere el frío que se produce en una de las caras de la celda disipándolo al aire que se encuentra contenido en el termo de la nevera.

- Ventilador interno: se utiliza para aumentar la circulación de aire dentro de la nevera, básicamente para refrescar.



Figura 11. Diagrama de funcionamiento de una nevera Peltier no convencional con energía solar.

Físicamente un módulo Peltier son bloques de 1 mm. cúbico conectados

eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, por tanto a primera vista, los aparatos refrigeradores basados en el efecto Peltier parecen más sencillos y silenciosos que los basados en el ciclo de Carnot, que son a la fuerza mecánicamente más complejos.

En la siguiente fotografía se muestran 2 módulos Peltier comerciales de unos 30 mm. x 30 mm. x 2 mm. de tamaño. En el módulo que está de perfil, se pueden observar bloquecitos semiconductores de color metálico. Un módulo puede contener decenas de estos pares n-p entre las 2 placas. Los módulos se venden de diferentes tamaños y potencia de bombeo calórico, para que uno pueda armar su propia máquina térmica. Los módulos que aquí se muestran son de una sola etapa, pero también hay de dos etapas, eléctricamente en serie pero puesta una lámina sobre la otra, térmicamente también en serie.

Figura 12. Módulos Peltier comerciales.



Normalmente el principio utilizado en neveras y refrigeradores se basa en el Ciclo de Carnot, mediante el que se traslada la energía calorífica de una cámara de refrigeración al exterior, utilizando un circuito cerrado con un gas, que eleve su temperatura a base de comprimirlo en el exterior de la cámara, haciendo posible disipar el calor al ambiente exterior. Mientras que una vez enfriado, el gas comprimido se le retorna a una cámara de expansión situada en el interior de la zona de refrigeración, y al bajar su temperatura, roba energía calorífica de la cámara, enfriándola.

Ambos sistemas, el basado en el efecto Peltier y en el Ciclo de Carnot, consiguen el mismo resultado por medios diferentes, enfriar en un punto y disipar el calor en otro. El módulo Peltier es una bomba de calor estática, sin gas ni partes móviles, entre la zona fría y la caliente solo están los semiconductor, no existe el complejo circuito cerrado refrigerador, con un sistema de compresión del fluido refrigerante. Una de las ventajas de los sistemas de refrigeración por Peltier es que no se utiliza refrigerante.

En la realidad, los aparatos basados en el Ciclo de Carnot demostraron ser más eficaces a la hora de disipar grandes cantidades de energía, por ello la inmensa mayoría de los elementos refrigeradores de neveras, acondicionadores y deshumidificadores, existentes en el mercado, llevan asociado un compresor, fuente inevitable de ruidos y vibraciones. Lo que lleva en consecuencia a que en estos aparatos, una de las características que más eleva el precio de los modelos, sea precisamente el menor ruido producido.

3.3.2. Principio de funcionamiento: efecto termoeléctrico Peltier.

Este método de lograr frío está siendo utilizado más recientemente para pequeñas neveras que han comenzado a aparecer en el mercado, para uso doméstico. Se basa en la utilización del enfriamiento que se produce en uno de los extremos del termopar, sometido a la circulación de corriente eléctrica continua. Este método de refrigeración se llama refrigeración Peltier en honor a su descubridor. Una propiedad termodinámica descubierta en 1834 por Jean Peltier, consiste en utilizar como bomba de calor una corriente eléctrica que atraviesa dos semiconductores diferentes conectados entre sí, o lo que es lo mismo, utilizar una corriente eléctrica para transferir el calor de un extremo de un semiconductor, (tipo-n), a otro y viceversa, (tipo-p), y, por tanto, poder enfriar en un extremo a base de calentar en el otro.

Desde, aproximadamente, 1960 los módulos Peltier se fabrican con Te3-Bi2 (telurio 3 - bismuto 2) tipo-p, y con Te3-Bi2 tipo-n. Son bloquecitos de 1 mm. x 1 mm. x 2 mm. conectados alternadamente en serie, tipo-n - tipo-p - tipo-n - tipo-p - etc., y térmicamente en paralelo, de modo tal que todas las uniones donde la corriente va del p al n estén en contacto térmico con la misma cara del módulo donde se liberará calor, y todas las uniones donde la corriente va del n al p, estén en contacto térmico con la otra cara, que absorberá calor. Los electrones que se dirigen hacia el material tipo p, pierden energía en forma de



calor, mientras que para ir hacia el material tipo n, los electrones deben absorber calor.

Figura 13. Módulo Peltier.

Este método está basado en el fenómeno que tiene lugar al pasar la corriente eléctrica por un circuito compuesto por dos conductores distintos, unidos por un par de soldaduras. Al pasar la corriente eléctrica por el circuito, una de las uniones se enfría, pudiéndose utilizar como fuente fría, mientras que la otra se calienta. Jean Peltier descubrió que el pasaje de una corriente eléctrica I a través de una unión A de dos conductores similares X e Y en una cierta dirección produce enfriamiento hasta la temperatura Tc (ver Figura 14). Hay un calentamiento, hasta la temperatura Th (ver Figura 14), muy distinto al efecto Joule, cuando la corriente pasa por la unión B.

Figura 14. Circuito Efecto Peltier.



Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 25º C, mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º.

El calor (Q), transferido es proporcional a una coeficiente, (K), característico de la pareja de semiconductores, y de la intensidad,(I),de la corriente eléctrica y el tiempo (t) de funcionamiento Q = K·I·t.

La razón de este efectos termodinámico, está en que los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes del paso de la corriente, por lo que en un punto los electrones tratan de ganar energía tomándola del material de la soldadura, mientras que en el otro expulsan el exceso. Es un efecto inverso al efecto Seebeck, donde se genera una corriente eléctrica a partir de un diferencial de temperaturas.

En el efecto Peltier al paso de la corriente se absorbe la energía de un conector y se desprende en el otro. Si invertimos la polaridad, también cambia la dirección de la transferencia y donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía el calor lo desprenderá.

Hasta hace muy poco tiempo el efecto Peltier se utilizaba solo para la fabricación de termopares de medición y en algunos casos para la producción de electricidad a baja escala en aplicaciones especiales, pero con el desarrollo de cerámicas semiconductoras capaces de generar frío considerable al circular por ellas la electricidad, se ha abierto un nuevo capítulo en el uso del efecto Peltier en la construcción de refrigeradores, capaces de competir con los tradicionales.

3.3.3. Ventajas e inconvenientes.

A continuación, se indican las principales ventajas e inconvenientes de los refrigeradores Peltier: Ventajas: - Pequeño tamaño de las celdas Peltier. Inconvenientes: - Considerable consumo de energía eléctrica de los módulos Peltier. - Los refrigeradores Peltier tienen un bajo rendimiento.



3.3.4. Eficiencia refrigerador Peltier. Un refrigerador Peltier tiene un rendimiento del 5-10% del máximo

teórico (el de un refrigerador de Carnot, refrigerador ideal), mientras que los sistemas convencionales de ciclo de compresión tienen un rendimiento del 40-50% del maximo teórico. Es decir, que los refrigeradores Peltier son unas 6-8 veces menos eficaces que los de compresión. Dada su relativa poca eficiencia, la refrigeración termoeléctrica suele utilizarse sólo en entornos en los que importa más la naturaleza de estado sólido (sin partes móviles) que la eficiencia.

Los refrigeradores Peltier son útiles en muchas situaciones: por ejemplo, pequeñas neveras para acampada (pues un Peltier ocupa muy poco sitio) o sistemas de refrigeración de circuitos electrónicos (por la misma razón). También se emplea en naves espaciales y satélites para enfriar la parte del aparato que recibe la luz solar (la parte caliente del circuito se sitúa en la cara oscura de la nave, para que irradie calor al espacio).

El rendimiento del refrigerador termoeléctrico de Peltier es función de la temperatura ambiente, la eficiencia de los intercambiadores de calor de las partes fría y caliente, la carga térmica, la geometría del módulo Peltier y sus parámetros eléctricos.

En cualquier caso, desarrollos recientes demuestran que los módulos de efecto Peltier podrían pronto superar a los motores de combustión interna tanto en eficiencia como en densidad de potencia para generadores basados en combustible.

3.3.5. Estado del arte.

Debido al considerable consumo de energía eléctrica de los módulos Peltier, los termo-refrigeradores/calentadores no se suelen utilizar en los hogares. Por el contrario, se usan donde se requiera no tener partes móviles o invertir el sentido del flujo de calor (es decir, que pueda calentar o enfriar en ambas direcciones), como en los pequeños portamuestras de algunos espectrofotómetros utilizados en laboratorios biomédicos).

También se utilizan dentro de automóviles, campings u oficinas, donde sea conveniente tener un refrigerador pequeño y liviano, y no sea importante un alto consumo eléctrico.

En la siguiente fotografía, se muestra un termo-refrigerador/calentador Este aparato funciona con 220 Vrms de la red alterna de 50 Hz, o con baterías de 12 V como las de un automóvil. En el lateral derecho tiene la llave conmutadora que invierte el sentido de la corriente eléctrica, para que el aparato bombee calor de adentro hacia fuera ("refrigerador termoeléctrico"), o de fuera hacia dentro ("calentador termoeléctrico"). Cuatro tornillos en el centro de la pared interior, sujetan el módulo Peltier.



Figura 15.

En la fotografía de la derecha, se puede observar en el lateral derecho un disipador de calor, de aluminio, y en la tapa, a la izquierda, hay un ventilador que favorece la transferencia de calor por convección forzada, entre el ambiente y el disipado. El radiador de calor está atornillado con las aletas colocadas verticalmente, para que la convección sea más eficiente.

El módulo Peltier se coloca en la pared de intercambio calórico del refrigerador y se encuentra dentro de una pieza plástica gris. La pasta blanca es un tipo de grasa siliconada para llenar espacios de aire y así mejorar el contacto térmico entre el módulo y el disipador.

3.4. Adsorción. 3.4.1. Descripción. La refrigeración por adsorción se basa en el fenómeno por el cual un cuerpo sólido de adsorción, bajo la liberación de una determinada cantidad de energía en forma de calor, adsorbe o atrapa en su superficie una cantidad de materia gaseosa. Este material sólido adsorbe el refrigerante, a la vez que libera el refrigerante bajo la entrada de calor.

En las máquinas de adsorción para aire acondicionado y refrigeración, en vez de un absorbente líquido se utiliza un adsorbente sólido. Los sólidos microporosos tienen la capacidad de adsorber reversiblemente gases. Esta propiedad permite el establecimiento de ciclos alternativos de adsorción-desorción. 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.

La pareja adsorbente-sustancia adsorbida constituida por carbón activo y metanol es uno de los sistemas más importantes en la producción de frío solar.

El rango de potencia de los equipos que utilizan la tecnología de adsorción se encuentra entre 50 y 430 kw lo cual permite su uso en buena parte de las ocasiones, aunque su instalación en paralelo hace que se pueda suministrar refrigeración en instalaciones de mayor demanda.

Los COP´s de estos equipos están entre 0,3 y 0,7, y los rangos de temperatura para introducir en el sistema (a aportar por la instalación solar) entre 45 y 90º C.

Todo ello permite utilizar estos sistemas en muchas ocasiones y acoplar buena parte de los sistemas solares, ya que una instalación de captadores planos conectados en serie puede suministrar perfectamente la temperatura del agua requerida. De igual forma se podrán utilizar sistemas solares térmicos con captadores de vacío.

En contra, el COP bajo de estas instalaciones y la falta de fabricantes, convierten a estos sistemas en poco rentables y caros.

3.4.2. Funcionamiento de las máquinas de adsorción.

Se explica en este apartado el funcionamiento de las máquinas de

adsorción con adsorbentes sólidos, por ser el más utilizado. Los sistemas de adsorción tienen una o más unidades cámaras de

adsorción donde se acumulará el material adsorbente. Además de estas cámaras disponen de un evaporador y un condensador que se conectan a fuentes de calor intermedio.

El ciclo en la cámara se desarrolla en cuatro etapas: 1. Calentamiento e incremento de presión. En este periodo, la cámara de adsorción, donde se acumula el material adsorbente, permanece estanca mientras se introduce energía que procede del sistema solar. De esta forma se consigue que la temperatura del adsorbente aumente y al permanecer estanca aumenta su presión con respecto a las otras dos partes del sistema: el condensador y el evaporador. Este proceso de incremento de presión es análogo a la compresión en los sistemas de refrigeración mecánica por bomba de calor. 2. Calentamiento y desorción. En esta etapa, el paso de la cámara de adsorción con el condensador se abre, de manera que la presión de trabajo se mantiene constante mientras, como consecuencia de mantener el aporte de energía solar térmica, la temperatura del adsorbente aumenta, produciéndose la desorción, es decir, la separación del agua del material sólido. Como consecuencia de la desorción, se produce la condensación del vapor y por tanto una cesión de calor en el sistema, que se transfiere al agua de



refrigeración de la fuente de temperatura media. Esta transferencia es necesaria para permitir que siga produciéndose la condensación. 3. Enfriamiento y despresurización. En esta etapa, en la que la cámara de adsorción permanece cerrada, el adsorbente se enfría como consecuencia de que ya no recibe energía solar térmica y se sigue refrigerando. Esta bajada de temperatura genera una disminución de la presión, de manera que es el evaporador el que impone su presión de trabajo. Esta etapa es equivalente a la expansión en el ciclo de compresión mecánica. 4. Enfriamiento y adsorción. Por último, en la cuarta etapa se abre la válvula que conecta la cámara con el evaporador, produciéndose una cesión de energía desde la primera hacia el evaporador. La disminución progresiva de la temperatura y la presión que se consigue en esta etapa produce la adsorción del vapor generado en el evaporador, de manera que se permite evaporar una mayor cantidad de fluido. Esa evaporación adsorbe una cantidad de energía que es suministrada por la fuente de temperatura a baja temperatura que es el líquido a enfriar.

Figura 16. Esquema de una enfriadora de adsorción.

Este sistema, que es análogo a la refrigeración por compresión

mecánica convencional presenta el problema de generar frío sólo en la cuarta etapa de un proceso no continuo, a diferencia de los sistemas de compresión.

Esto hace que la generación de calor sólo se produzca en una etapa de cuatro, y por tanto no sea una generación de frío continuada. El desarrollo de estos sistemas, abandonados durante tiempo por la evolución de los sistemas de compresión mecánica, está permitiendo desarrollar sistemas que generan frío de forma continua como consecuencia de operar varias cámaras desfasadamente.

En cuanto al adsorbente más extendido, éste es el silica gel ya que tiene una temperatura de regeneración sensiblemente menor a la de otros materiales



por lo que los requisitos de temperatura son fácilmente alcanzables por el sistema de energía solar. Como sorbato se utiliza el agua ya que es un elemento con alta entalpía de vaporización, disponible e inocuo.

La obtención de sistemas autónomos capaces de producir eficientemente frío solar por adsorción requiere el diseño y la optimización de todos los elementos involucrados en este proceso: los subsistemas de captación, generación, condensación, evaporación, refrigeración y regulación.

La mejora del proceso de producción de frío solar por adsorción, se puede conseguir a través de dos caminos: la utilización de sistemas de captación selectivos con concentración que trabajan en vacío, y la selección de carbones activos más eficientes.


A continuación, se indican las principales ventajas e inconvenientes de las máquinas de refrigeración solar por adsorción: Ventajas: - Simplicidad mecánica de las máquinas frigoríficas de adsorción y su consecuente robustez. - No existe riesgo de cristalización, por tanto, tampoco hay límites en las temperaturas de disipación de calor. - No se necesita bomba para la solución interna, con lo que el consumo eléctrico es mínimo. Inconvenientes: - Volumen y peso comparativamente elevado. - Puesto que la producción de las máquinas frigoríficas de adsorción es pequeña, su precio es actualmente elevado. Como se prevén grandes e importantes mejoras en los procesos de intercambio de calor de los compartimentos de adsorbedores, se puede asumir que las máquinas frigoríficas de adsorción de futuras generaciones tendrán un volumen y un peso notablemente inferior.



3.4.4. Estado del arte. Hasta la fecha, sólo producen enfriadoras de adsorción unos pocos

fabricantes de Japón, China y Alemania; una fábrica alemana lanzó en 2007 al mercado una pequeña unidad de 5.5 kW de capacidad, aumentándola hasta la versión mejorada de 7.5 kW (modelo de 2008). Los típicos valores COP de enfriadoras de adsorción son 0.5-0.6. Una ventaja de las enfriadoras está en sus bajas temperaturas generadoras, empezando desde 60°C, la ausencia del bombeo de una solución y un funcionamiento relativamente libre de ruido. La Figura 17 muestra un ejemplo de dos enfriadoras de adsorción.

Figura 17. Ejemplos de enfriadoras de adsorción.

Izquierda: Enfriadora con 70 kW de capacidad del fabricante japonés Nishiyodo. El fabricante japonés Mayekawa también ofrece enfriadoras de adsorción similares de capacidad media. Derecha: Enfriadora de adsorción de tamaño pequeño con capacidad aproximada de 7.5 kW del fabricante SorTech, Alemania.

● Centro tecnológico de FESTO en Esslingen (Alemania).

Sistema de aire acondicionado asistido por energía solar en el centro

tecnológico de FESTO en Esslingen, Alemania, con 1218 m² de colectores de tubo de vacío y 3 máquinas de refrigeración de adsorción (Mayekawa ADR-100).



Figura 24. Sistema de aire acondicionado asistido por energía solar en el centro tecnológico de FESTO en Esslingen (Alemania).

● Edificio del centro de investigación EURAC en Bolzano (Italia).

Sistema de aire acondicionado asistido por energía solar en el edificio del centro de investigación EURAC en Bolzano, Italia, con 615 m² de colectores de tubo de vacío y una máquina de refrigeración de adsorción de 300 kW (THERMAX – THW LT 14).

Figura 18. Sistema de aire acondicionado asistido por energía solar en el edificio del centro de investigación EURAC en Bolzano (Italia).



● Universidad de Burgos, Escuela Politécnica Superior (Departamento de Física): Grupo de energía solar y medio ambiente atmosférico.

Objetivo del proyecto:

Diseñar y construir un refrigerador que funcione con energía solar térmica.

Características generales del proyecto:

El refrigerador solar diseñado aprovecha el fenómeno de la adsorción. Consiste en la fijación de moléculas de un fluido (metanol) a la superficie de un sólido poroso (carbón activado). La aplicación de la adsorción a la refrigeración se basa en el hecho de que en presencia de una fuente de calor las moléculas de metanol abandonan la superficie del carbón activado, y tienden a regresar a ella cuando la temperatura desciende.

Características distintivas del prototipo:

- Colector tipo “CPC”, más eficiente que los colectores planos comunes.

- Sustrato cilíndrico de carbón activado.

- Condensador tipo “tubo y carcasa” refrigerado por agua.

Resultados obtenidos en el verano de 2004:

Producción de frío equivalente a 2 kg. de hielo por día y m2 de superficie de colector (un congelador doméstico típico produce en torno a 6 kg. por día).

Objetivos para 2005:

- Nuevo diseño para el colector y para el evaporador.

- Reducción de tamaño (mejor portabilidad).

- Producción de frío cercana a 5 kg. de hielo por m2 y día.



Figura 19. Esquema de refrigerador solar.

Figura 20. Etapas de funcionamiento del refrigerador.



Figura 21. Prototipo.

● Proyecto HYDROSOLAR 21. Colaboradores: - Grupo de Energía Solar y Medio Ambiente Atmosférico (Departamento de Física) de la Universidad de Burgos. - Grupo AMIDO (Investigación en Hidrógeno) de la Universidad de Burgos.

En el proyecto HYDROSOLAR 21 se desarrollará, a partir de un prototipo de laboratorio, un sistema de refrigeración de edificios mediante la adsorción de metanol por carbón activo. El proceso es completamente limpio y funciona, en principio sin conexión a la red eléctrica; su nivel tecnológico es medio y por lo tanto será adecuado en caso necesario para la transferencia tecnológica a países en desarrollo con amplias capas de sus poblaciones sin acceso a la infraestructura eléctrica. En la Figura 22 se ilustra el diagrama del sistema de producción de frío solar por adsorción



Figura 22. Refrigeración solar por adsorción.

Un frigorífico solar por adsorción consta de un captador que absorbe

energía solar y calienta el generador del sistema. Este elemento consiste en un tubo metálico recubierto de una pintura selectiva o negra en su caso y en cuyo interior hay carbón activo. El sistema se completa, en esencia, con un condensador, un evaporador y una cámara de frío.

En la Figura 23 se ilustra el funcionamiento del frigorífico solar. Cuando el carbón activo embebido en metanol se calienta en la fase diurna por efecto de la radiación solar, comienza a desorber (expulsar) el metanol en estado gaseoso, este vapor se condensa a su paso por el condensador y gotea en la cámara de frío. Al llegar la noche, la presión y la temperatura descienden en el circuito.



Figura 23. Refrigeración solar por adsorción.

Se crean así las condiciones para la evaporación del metanol y su

consiguiente adsorción por el carbón activo. El proceso de evaporación absorbe calor de la cámara fría refrigerándola. Se tiene por lo tanto un sistema que produce frío durante el periodo nocturno y que regenera el carbón activo en el diurno. El proceso es cíclico y se repetirá mientras se mantengan las condiciones de estanqueidad en el circuito y el nivel de radiación solar. En la Figura 24 se ilustra es prototipo de laboratorio del año 2005 que sirve de modelo para la fabricación del prototipo preindustrial del proyecto.



Figura 24. Prototipo del frigorífico solar de 2005.

3.5. Sistemas de refrigeración evaporativa con desecante.

3.5.1. Descripción.

Los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante utilizan agua como refrigerante en contacto directo con el aire. El ciclo de refrigeración térmico es una combinación de refrigeración evaporativa y deshumidificación del aire gracias a un desecante, es decir, un material higroscópico. El aire se deshumidifica y luego se le da la temperatura deseada. Para tal fin, se pueden emplear sustancias líquidas o sólidas. El refrigerante del sistema después de proporcionar el efecto frigorífico no se recupera, y se suministra nuevo refrigerante en un circuito sin retorno. Por consiguiente, sólo se puede utilizar agua como refrigerante dado que se produce un contacto directo con la atmósfera. La tecnología comúnmente aplicada hoy en día emplea deshumidificadores rotativos, que utilizan gel de sílice o cloruro de litio como material sorbente.

Los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante tienen un gran interés en edificios situados en zonas húmedas o en los que la humedad relativa, por la actividad realizada sea alta, en los que la carga de calor latente para el acondicionamiento de aire se puede reducir usando sustancias que presentan gran avidez por el vapor de agua y que, por tanto, desecan el aire.



En los climas cálidos y húmedos, la mayor carga deshumidificadora sobre la rueda requiere una mayor temperatura de regeneración. En este caso, si se quiere trabajar con temperaturas de regeneración moderadas, puede ser más ventajoso dedicar el desecante a combatir preferentemente la carga latente local, dejando la carga sensible a un sistema convencional que funcionaría en mejores condiciones al no tener que combatir carga latente, o al menos, hacerlo en mucha menor proporción. Normalmente la deshumidificación se consigue mediante un rotor que contiene material desecante (gel de silicio o clorido de litio), pero ahora cada vez se aplican más procedimientos con desecantes líquidos (clorido de litio). En estos sistemas, el calor solar se utiliza para la regeneración de la unidad de absorción/adsorción. Actualmente, el COP de estos sistemas se encuentra entre 0,5 y 2,58.

Todos los componentes necesarios son estándares y se vienen usando desde hace muchos años en aplicaciones de aire acondicionado y de secado de aire para edificios o fábricas. Sin embargo, la combinación adecuada de los componentes para formar un sistema evaporativo con rueda desecante (DEC), que es el más habitual el sistema de ciclo abierto de accionado solar, precisa de especial experiencia y atención.

3.5.2. Principio de funcionamiento.

El aire es una mezcla de diferentes gases y vapor de agua. El cambio de estado del aire puede ser consecuencia de la transferencia de calor sensible al calentar o refrigerar y la transferencia de calor latente a causa de la humidificación o la deshumidificación. Por este motivo el estado del aire debería expresarse mediante la energía interna llamada entalpía (h) en lugar de la temperatura del aire. Se pueden demostrar los cambios de los estados del aire en un diagrama T-x.

Durante la humidificación del aire, las gotas de agua dispersas en el aire se transforman en moléculas de vapor de agua con asistencia de la energía interna del aire. Por lo tanto, el aire se enfría. Este tipo de refrigeración natural es muy eficiente, aunque tiene el efecto secundario de aumentar el contenido de humedad del aire y su humedad relativa, que puede exceder los niveles adecuados, definidos mediante el confort térmico.



Figura 25.

El proceso de refrigeración evaporativa se hace a entalpía constante. La temperatura del aire cae, pero al mismo tiempo aumentan el contenido de humedad de aire (x) y la humedad relativa (φ).

Figura 26.



El proceso de secado por sorción (10 - �9) también se hace a entalpía constante. La temperatura del aire aumenta mientras que el contenido de humedad (x) y humedad relativa (φ) disminuye.

La deshumidificación es el proceso de retirar el vapor de agua contenida

en el aire, llamada también humedad. Existen diferentes procesos para remover la humedad del aire, estos son: - Deshumidificación por enfriamiento: el aire puede deshumidificarse con sistemas de aire acondicionado convencionales de compresión de vapor. Estos enfrían el aire a una presión constante hasta una temperatura por debajo de la temperatura del punto de rocío, ocurre que se condensa parte del vapor de agua presente en el aire. Este tipo de deshumidificación es el más utilizado en los equipos de aire acondicionado comercial y residencial. Para realizar este proceso el evaporador, del sistema de compresión de vapor, debe operar a una temperatura más baja que la que es requerida para extraer la carga de calor sensible de enfriamiento del espacio acondicionado, esto hace que el sistema tenga bajos coeficientes de operación. Además, algunas veces es necesario recalentar el aire para evitar un excesivo enfriamiento sensible del espacio acondicionado. - Deshumidificación por incremento de la presión: en este proceso la deshumidificación ocurre cuando se comprime el aire atmosférico hasta lograr la condensación del vapor de agua contenido en él. - Deshumidificación por desecantes: en el caso de la deshumidificación con desecantes no es un proceso de enfriamiento propiamente dicho, se considera que es opuesto a un enfriamiento evaporativo. En este caso, la humedad del aire migra hacia el desecante, impulsado por la diferencia en las presiones de vapor entre el aire y el desecante.

Un desecante es una sustancia química que tiene una gran afinidad por la humedad, es decir, es capaz de extraer o liberar vapor de agua del aire, en cantidades relativamente grandes con relación a su peso y volumen. El proceso físico que permite la retención o liberación de la humedad es la diferencia en la presión de vapor entre la superficie del desecante y el aire ambiente.

Los desecantes pueden ser sólidos o líquidos: - Desecantes sólidos:

Los adsorbentes son materiales sólidos con una gran área de superficie por unidad de masa.

Los adsorbentes atraen la humedad debido al campo eléctrico en la superficie del desecante. Este campo no es uniforme en su fuerza o carga, así



atrae las moléculas de agua que tienen una carga neta opuesta sobre sitios específicos de la superficie del desecante

El comportamiento de la adsorción de los sólidos depende de los siguientes factores: el área total de su superficie, el volumen total de sus capilares y el rango en el diámetro de sus capilares.

Dentro de los sólidos adsorbentes están: el gel sílice, las zeolitas, las zeolitas sintéticas, la alúmina, el carbón activado y los polímeros sintéticos. - Desecantes líquidos:

Los desecantes líquidos son substancias higroscópicas que tienen como característica principal una baja presión de vapor.

Los desecantes líquidos comúnmente usados son las soluciones acuosas de: bromuro de litio, cloruro de litio, cloruro de calcio, mezclas de esas soluciones y trietilenglicol.

En los sistemas de refrigeración convencionales el aire se deshumidifica mediante el enfriamiento por debajo del punto de rocío, que resulta en la condensación del vapor de agua. La segunda opción para secar el aire es usar materiales especiales con capacidad de eliminar por sorción las moléculas de vapor de agua del aire. Estos materiales son por ejemplo gel de sílice o cloruro de litio. El primero es sólido, el segundo es líquido; en cualquier caso, el cloruro de litio también se emplea en estructuras impregnadas, en forma de unidades compactas de sorción. Un efecto secundario de este proceso es un aumento de la temperatura del aire y la humidificación del material, que absorbe el vapor de agua del aire. Al calentar el material de sorción por encima de 60 a 70°C se libera vapor de agua y puede repetirse el proceso. En sistemas de refrigeración solar evaporativos con rueda desecante, este calor de regeneración se obtiene mediante un captador solar térmico.

La deshumidificación del aire con desecantes ocurre cuando la presión de vapor de la superficie del desecante es inferior a la del aire ambiente. En la Figura 27 se observa que cuando la presión del vapor de agua en la superficie del desecante es más baja que en el aire entonces el desecante absorbe vapor de agua del aire. Cuando el vapor de agua es absorbido la presión de vapor en el desecante se incrementa hasta experimentar el equilibrio. Este se logra cuando la presión de vapor en el desecante como en el aire son iguales.

Para poder reusar el desecante es necesario regenerarlo, es decir, quitarle la humedad. Se logra la regeneración del desecante calentándolo para que incremente su presión de vapor, seguida por el contacto con una corriente de aire que tiene una presión de vapor de agua más baja.



Figura 27. Presión de vapor vs. temperatura y contenido de agua para los desecantes y el aire.

3.5.3. Clasificación y variantes. ● Refrigeración evaporativa con sorbente sólido y deshumidificadores rotativos. La tecnología más extendida es la de ruedas desecantes rotativas, utilizando como material sorbente silica gel. Los elementos desecantes convencionales son el silica gel, la alúmina, las sales de cloruro de litio y el cedazo molecular. El método de las ruedas desecantes consiste en hacer pasar la corriente de aire a tratar a través de un contenedor de material adsorbente de elevada afinidad por el vapor de agua. En este tránsito, el vapor de agua queda adsorbido en el desecante sólido y el aire aumenta su temperatura por la energía liberada en la adsorción.



Figura 28. Esquema de un sistema evaporativo con rueda desecante (DEC), usando sorción rotativa y ruedas de recuperación de calor (Fuente: Fraunhofer

ISE).

Un sistema de acondicionamiento por deshumidificación está conformado principalmente por una rueda con una sustancia que remueve la humedad por adsorción o absorción, una rueda recuperadora de calor o un intercambiador compacto, un par de humidificadores y un calentador de aire.

En estos sistemas, la deshumidificación se lleva a cabo en un equipo rotatorio con un lecho desecante. El equipo tiene forma de rueda y sólo una parte de ella se utiliza para deshumidificar, mientras que el resto se utiliza para regenerar el lecho, permitiendo así una operación en forma continua.

Para llegar a una pureza y humedad adecuadas del aire, los sistemas que utilizan ruedas deshumidificadores presentan menores costos de operación, mantenimiento e inversión respecto a los sistemas convencionales, principalmente por la presencia de compresores que incrementan la demanda de energía eléctrica. La disposición de los equipos puede verse en la Figura 29. El aire entra a la rueda deshumidificadora directamente de la atmósfera, donde se le reducirá la humedad causando un aumento de la temperatura, tanto por la pérdida de humedad como por la liberación del calor de adsorción.



Figura 29. Esquema de un sistema de refrigeración evaporativa con desecante con energía solar.

Los sucesivos procesos que se producen en el sistema de refrigeración evaporativa con desecante se detallan a continuación: 1-2: deshumidificación por sorción del aire de entrada; el proceso es casi adiabático y el aire se calienta por acción del calor de la adsorción, liberado en la matriz de la rueda de porción. 2-3: preenfriamiento del suministro de aire en el contraflujo hasta el aire expulsado del edificio. 3-4: refrigeración evaporativa del suministro de aire hasta la humedad deseada mediante un humidificador. 4-5: el serpentín de calentamiento es usado sólo en la estación de calentamiento para precalentar el aire. 5-6: pequeño aumento de la temperatura, causado por el ventilador.



6-7: aumento de la temperatura y humedad del suministro de aire, a causa de las cargas internas. 7-8: el aire expulsado del edificio se enfría usando el enfriamiento evaporativo cercano a la línea de saturación. 8-9: el aire expulsado se precalienta en el contraflujo hacia el suministro de aire por medio de un intercambiador de calor aire-aire de alta eficiencia, por ejemplo una rueda de recuperación de calor. 9-10: la regeneración de calor se provee por ejemplo a través de un sistema de captador solar. 10-11: el aire caliente desorbe el agua de los poros del material desecante de la rueda deshumidificadora. 11-12: el aire de extracción se expulsa hacia el ambiente por medio de ventilador de expulsión de aire. A) Caso de refrigeración.

El aire cálido y húmedo del exterior entra en el tambor de deshumidificación que gira despacio y es deshumidificado por la adsorción de agua (1-2). Como el proceso de adsorción calienta el aire, se le hace pasar por un tambor de recuperación de calor (2-3), lo que produce una refrigeración previa importante de la corriente de aire de suministro. Posteriormente, en un humidificador controlado, este aire se humidifica y con ello se enfría aún más (3-4) según la temperatura y humedad deseada de aire de suministro. El aire de renovación extraído de las estancias se humidifica (6-7) en un grado cercano al punto de saturación para explotar todo el potencial de refrigeración y obtener, de este modo, una recuperación de calor efectiva (7-8).

Finalmente, hay que regenerar el tambor de adsorción (9-10) mediante la aplicación de calor a una temperatura relativamente baja que va de los 50ºC a los 75ºC con el fin de que el proceso de deshumidificación sea continuo. B) Caso de calefacción.

En periodos con baja demanda de calefacción, puede que baste con recuperar calor del aire de renovación por medio de un deshumidificador rotativo en modo de giro rápido. Si aumentase la demanda, se aplicaría calor de los colectores térmicos solares y, si fuese necesario, de una fuente de calor de apoyo (4-5).

Normalmente, en los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante se pueden utilizar como sistema de calefacción colectores solares térmicos de placa plana. El sistema solar puede estar compuesto por colectores en los que el fluido sea agua y por un depósito de agua caliente para aumentar el uso del sistema solar. Esta configuración necesita un intercambiador de calor agua/aire adicional para conectar el sistema solar al circuito de aire. Una solución alternativa, con un coste de inversión bajo, es el suministro directo del calor de regeneración por medio de colectores solares de aire.



Cuando las condiciones exteriores son extremas, por ejemplo, en zonas costeras de la región Mediterránea, el ciclo de deshumidificación deberá tener un diseño especial. En tales casos, y debido a la alta humedad del aire ambiental, un ciclo con configuración estándar no es capaz de reducir la humedad a un nivel suficientemente bajo como para emplear la refrigeración evaporativa directa. Este problema se puede solucionar con una máquina frigorífica evaporativa con desecante para acondicionamiento de aire de diseño más complejo que emplee, por ejemplo, otro intercambiador térmico rotativo o máquinas frigoríficas adicionales alimentadas con agua fría. ● Refrigeración evaporativa con sorbente líquido.

Un nuevo avance, que próximamente se introducirá en el mercado, son los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante donde la sustancia de sorción es una solución líquida de agua/cloruro de litio.

Este tipo de sistemas presenta varias ventajas como, por ejemplo, mayor deshumidificación del aire con la misma gama de temperatura de foco caliente que los sistemas de refrigeración con desecante sólido. También tienen mayor capacidad de almacenar energía almacenando solución concentrada.

Esta tecnología es una opción futura prometedora para incrementar la utilización de sistemas térmicos solares en el sector del aire acondicionado. Esta tecnología todavía no está en el mercado pero pronto lo estará; se están llevando a cabo varios proyectos demostrativos para probar la aplicabilidad de esta tecnología de aire acondicionado de generación solar. A día de hoy, existe muy poca investigación realizada sobre los sistemas de enfriamiento que usan desecantes líquidos.

La Figura 30 muestra un posible esquema general de un sistema de enfriamiento de líquido desecante.

Figura 30. Esquema general de un sistema de refrigeración desecante líquido.



El suministro de aire se deshumidifica en una zona especial de rocío configurada en el absorbente, donde una solución de sal concentrada es diluida por la humedad del suministro de aire. La eficacia de proceso aumenta por el rechazo de calor del calor de sorción, por ejemplo, mediante la refrigeración evaporativa indirecta del aire devuelto y la recuperación de calor. Si es necesario, puede aplicarse una refrigeración evaporativa del suministro de aire (la recuperación de calor y la refrigeración evaporativa no se muestran en la imagen). En un regenerador, el calor, por ejemplo de un captador solar, se aplica para concentrar de nuevo la solución. La solución concentrada y diluida puede ser almacenada en altos almacenajes de energía, permitiendo así una separación entre la refrigeración y la regeneración hasta un cierto punto.

Figura 31. Sistema de refrigeración evaporativa con desecante líquido, instalación del nuevo “Solar Building Innovation Center (SOBIC), Friburgo-

Alemania.

En general, los sistemas desecantes de refrigeración son una opción

interesante si se usan sistemas de ventilación centralizados. En lugares con altas cargas de refrigeración latentes y sensibles, el proceso de aire acondicionado puede ser dividido en deshumidificación mediante proceso desecante de ciclo abierto y un sistema adicional de agua refrigerada para mantener las cargas sensibles mediante, por ejemplo, techos enfriados con temperatura de agua refrigerada relativamente alta, para aumentar la eficacia de la producción de agua enfriada. Hasta la fecha, los equipos de refrigeración por desecantes disponibles han sido considerados muy caros comparados con los equipos de refrigeración mecánica.




Ventajas: - En estos sistemas, los componentes necesarios son estándares. - Trata por separado la carga latente y sensible, hecho que permite un control muy preciso de las condiciones de confort. - Esta tecnología es óptima para el aprovechamiento solar, tanto con captadores planos de agua como de aire. Inconvenientes: - Este tipo de sistemas requieren de la instalación de conductos para la entrada y salida del aire exterior.

3.6. Absorción.

3.6.1. Descripción. Los equipos de absorción pueden ser considerados como la alternativa

actual más ecológica para el aire acondicionado y producción de frío. Cabe destacar el desarrollo que están experimentando las máquinas de

absorción funcionando con energía solar y su importancia de cara al futuro. El tipo de captadores óptimos son los planos selectivos, de concentrador

(CPC) o de vacío. Es posible adaptar colectores de placa plana para funcionar con ciclos

frigoríficos de absorción. La influencia de los límites de temperatura sobre el funcionamiento de los colectores de placa plana, hace que sólo se puedan considerar máquinas comerciales con sistemas de bromuro de litio-agua, Li-Br-H20, que requieren agua de refrigeración para enfriar el absorbedor y el condensador, por lo que su empleo puede llegar a requerir el uso de una torre de refrigeración.

El rango de potencia de los equipos se encuentra entre 5 y 5.000 kw, por lo que casi todas las instalaciones que demanden refrigeración entrarán dentro del rango de estas máquinas. El desarrollo de máquinas de menos de 100 kw se ha producido recientemente, como consecuencia de la necesidad de equipar a pequeñas instalaciones de este tipo de tecnología.



Los COP´s de estos equipos varían del valor 0,3 de los de efecto medio, 0,7 para sistemas de simple efecto al valor de 1,2 para sistemas de doble efecto. De igual forma, las temperaturas requeridas también varían desde los 50 – 70ºC para los primeros, 80-110ºC para sistemas de simple efecto a los 130-160ºC para los de doble efecto.

Estos rangos de temperatura hacen que los sistemas solares convencionales tengan problemas para ser acoplados en sistemas de doble efecto y en algunos de simple efecto ya que es difícil asegurar estas temperaturas. Para ello pueden usarse conexiones en serie de tres y cuatro captadores en los que se aumenta significativamente la temperatura pero disminuye el rendimiento, o captadores solares de vacío en los que las temperaturas obtenidas son mayores. De cualquier modo, en estos sistemas es fundamental el correcto diseño del sistema de captación y de acumulación para garantizar la temperatura requerida en cada momento. Se han desarrollado equipos de efecto medio (Half Effect) son adecuados para la conexión de sistemas solares convencionales por los requisitos de temperatura dentro del rango típico de estos sistemas.

Si las exigencias de la refrigeración, más que las cargas de calefacción, fijan el tamaño de la superficie colectora, resulta ventajoso diseñar enfriadores con un COP más alto de lo acostumbrado; por ejemplo, para disminuir las exigencias de entrada de energía se pueden utilizar evaporadores de doble efecto, lo que implica que tango las condiciones como las restricciones para el funcionamiento con energía solar, pueden dar lugar a diseños de refrigerantes distintos a los utilizados para funcionar con combustibles en sistemas convencionales. Un cálculo de costes indica que el funcionamiento de estos sistemas resulta competitivo con el clásico de compresión que funciona eléctricamente.

3.6.2. Principio de funcionamiento.

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.



Figura 32. Fluidos y componentes del ciclo de absorción simple.

Para aplicaciones de absorción, el par usado es principalmente el de

Agua-Bromuro de Litio (H2O – BrLi), aunque también es utilizado el par Amoniaco-Agua (NH3-H2O) en aplicaciones en las que es necesaria una temperatura menor de 0ºC, o el par amoniaco-agua-hidrógeno.

En las máquinas que utilizan el par agua-bromuro de litio, el agua actúa como refrigerante, y por tanto la refrigeración se limita a temperaturas por encima de 0ºC. En cambio, para aplicaciones en las que sea necesario disponer de una temperatura por debajo de 0ºC, el par utilizado normalmente es el de amoniaco-agua, ya que la temperatura de congelación del refrigerante, en este caso el amoniaco, es de -77ºC.

Figura 33. Sistema de refrigeración por absorción solar.



Cuando la radiación solar no es suficiente para calentar el agua a la temperatura requerida por la máquina de absorción, se utiliza una caldera de apoyo para completar la demanda energética necesaria.

Para el funcionamiento de enfriadores de absorción, por energía solar, se pueden utilizar técnicas como las que se proponen a continuación:

a) Utilizar enfriadores continuos, similares en su construcción y funcionamiento a las unidades convencionales de gas o de fluidos condensables; la energía se suministra al generador desde el sistema (colector solar-almacenamiento auxiliar), siempre que las condiciones dentro del edificio indiquen la necesidad de refrigeración.

b) Utilizar enfriadores intermitentes, similares a los empleados en la refrigeración de alimentos, comercializados desde hace años en zonas rurales, antes de que se extendiese a la refrigeración por compresión y la electrificación. No se utilizan enfriadores intermitentes para acondicionamiento de aire, ni tampoco se han hecho grandes estudios que aconsejen su posible aplicación al acondicionamiento de aire por energía solar.

● Ciclo de simple efecto. - Descripción general.

La concepción habitual de una máquina de absorción es la de aquella que desarrolla un ciclo frigorífico aprovechando la capacidad que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales como el bromuro de litio, para absorber en fase líquida vapores de otras sustancias tales como el amoníaco y el agua, respectivamente.

A partir de este principio es posible concebir una máquina en la que se produce una evaporación con la consiguiente absorción de calor, que permite el enfriamiento de un fluido secundario en el intercambiador de calor que actúa como evaporador, para acto seguido recuperar el vapor producido disolviendo una solución salina salina o incorporándolo a una masa líquida. El resto de componentes e intercambiadores de calor que configuran una planta frigorífica de absorción, se utilizan para transportar el vapor absorbido y regenerar el líquido correspondiente para que la evaporación se produzca de una manera continua.

En los ciclos de absorción hablamos siempre de agente absorbente, designando así a la sustancia que absorbe los vapores, y de agente refrigerante, o agente frigorífico, a la sustancia que se evapora y da lugar a una producción frigorífica aprovechable. Serían absorbentes el agua y la solución de Bromuro de Litio, y refrigerantes el Amoniaco y el agua destilada, en los ciclos de absorción Agua-Amoniaco y Bromuro de Litio-Agua, respectivamente.



Para conseguir una mejor compresión del funcionamiento de un ciclo de absorción, haremos una comparación entre este y un ciclo de refrigeración por compresión mecánica, de uso más extendido y, por tanto mas conocido a todos los niveles técnicos.

Figura 34. Comparación entre el compresor de una máquina de absorción (térmico) y el de una máquina de compresión mecánica.

En un ciclo de compresión mecánica, los vapores del agente frigorígeno

que se producen en el evaporador de la máquina dando lugar a la producción frigorífica, son aspirados por un compresor que ejerce las funciones de transportar el fluido y de elevar su nivel de entalpía.

El vapor comprimido a alta presión y con un elevado nivel térmico se entrega a un intercambiador de calor, el condensador, para que ceda su energía a otro fluido, que no es utilizable para la producción frigorífica, y cambie de estado, pasando a ser líquido a alta presión y temperatura, y por lo tanto tampoco utilizable para la producción frigorífica.

Este líquido relativamente caliente se fuerza a pasar a través de un dispositivo en el que deja parte de la energía que contiene, por fricción mecánica fundamentalmente, y a partir del cual entra en una zona del circuito frigorífico en la que la presión se mantiene sensiblemente mas baja, debido a que el compresor está aspirando de ella, que la presión de saturación que correspondería en el equilibrio a la temperatura a la que se encuentra el agente frigorígeno en estado líquido.

Este desequilibrio entre las presiones y temperaturas de saturación y las reales a las que el refrigerante se encuentra, origina la evaporación parcial del líquido, que toma el calor latente de cambio de estado de la masa del propio líquido, enfriándola hasta la temperatura de saturación que corresponde a la presión a la que se encuentra, punto en el que la evaporación se interrumpe. El refrigerante en estado líquido a baja temperatura entra en el evaporador, donde se evaporará, cerrando así el ciclo frigorífico.

En las máquinas de absorción el tradicional compresor mecánico es sustituido por un conjunto denominado compresor térmico (Figura 34), formado



por dos intercambiadores de calor y masa (generador y absorbedor), un recuperador de calor, una bomba y una válvula de expansión.

El fluido de trabajo de la máquina de absorción es una disolución. En el caso de la disolución de LiBr/H2O el absorbente es el bromuro de litio y el refrigerante el agua.

El funcionamiento de una máquina de absorción es posible mediante el intercambio de calor con cuatro focos: generador, absorbedor, condensador y evaporador.

Figura 35. Enfriamiento por absorción: ciclo de simple efecto.

Una máquina de absorción se puede dividir en dos estados de presión: el de baja presión, donde operan el evaporador y el absorbedor; y el de alta presión, donde trabajan el condensador y el generador o desorbedor.

La generación de frío comienza con el bombeo del líquido desde el absorbedor (baja presión) al generador (alta presión). En este elemento se le suministra energía térmica a la temperatura marcada por la máquina. Ese incremento de temperatura provoca, además de un aumento de la presión, la ebullición y evaporación del componente más volátil, el agua en el caso del par agua-bromuro de litio.

Este vapor generado como consecuencia del incremento de temperatura fluye al condensador, mientras que la solución líquida que queda (no se produce la evaporación total, sino una evaporación parcial) vuelve al absorbedor en forma de solución más concentrada. Esta solución más



concentrada, que ha recibido energía térmica de nuestra fuente de calor externa cede calor, mediante un intercambiador, a la solución diluida de agua-bromuro de litio que a su vez pasa del absorbedor al generador.

La solución concentrada de agua-bromuro de litio que sale del absorbedor, la cual ha cedido energía en su zona de alta presión es una solución concentrada y subenfriada, por lo que a su paso por la válvula de regulación sufrirá una disminución de la presión y en consecuencia una evaporación de agua de la solución. De esta manera tenemos en el absorbedor una solución muy concentrada de bromuro de litio, y por tanto con gran capacidad de absorber vapor de agua que procede del evaporador.

El vapor de agua obtenido en el generador o desorbedor es condensado en el condensador, con la correspondiente cesión de energía al exterior, disponiendo entonces de un líquido caliente a alta presión, que se evaporará al disminuir la presión a su paso por la válvula de expansión de camino al evaporador. Esa evaporación es la que genera el frío que perseguimos con el proceso, y sólo es posible si el absorbedor es refrigerado a su vez por un sumidero externo, como una torre de refrigeración. Ese sumidero de calor suele ser común para el absorbedor y el condensador.

Después de esa absorción, la solución concentrada que procedía del generador recupera los niveles de concentración para reiniciar el ciclo. - Componentes de una máquina de absorción.

Generador:

El generador es un intercambiador de calor que se ocupa, como su propio nombre indica, de generar vapor refrigerante. Sobre este componente se suministra energía en forma de calor, qG, suministrada por el foco que se encuentra a una temperatura TG.

Este calor puede proceder de la combustión de combustibles fósiles, calores residuales, o incluso calor renovable obtenido de la conversión de la energía solar, la biomasa, el calor de origen geotérmico,etc. Esta transferencia de calor al circuito de la disolución de LiBr/H2O provoca la ebullición de una parte del agua contenida en ella.

Absorbedor:

El absorbedor es el componente crítico de la máquina, ya que es el correcto funcionamiento de la máquina depende de su buena capacidad para absorber el vapor refrigerante procedente del evaporador. Para ello debe optimizarse conjuntamente la transferencia de masa y de calor, ya que la capacidad de absorción de refrigerante está íntimamente ligada a la temperatura de absorción.



Recuperador de calor de la disolución:

Este componente se utiliza para precalentar la disolución antes de acceder al generador aprovechando la mayor temperatura de la disolución concentrada que retorna del generador. El recuperador produce dos efectos beneficiosos: además de acercar la disolución diluida al punto de ebullición que alcanzará en el generador, enfría la disolución concentrada en su retorno al absorbedor.

Válvula de estrangulamiento:

En esta válvula se efectúa la reducción de presión de la disolución concentrada desde la presión en el generador a la presión del absorbedor. Es asimismo una reducción isoentálpica.

Condensador:

El condensador es el componente donde se efectúa al cambio de fase del vapor refrigerante procedente del generador.

Válvula de expansión:

En esta válvula se efectúa la transformación del refrigerante en estado líquido saturado a la salida del condensador en una mezcla bifásica a la presión y temperatura de evaporación. Este proceso es isoentálpico e irreversible, lo cual implica un aumento en la entropía del fluido. Esta irreversibilidad provoca que parte del refrigerante se transforme en vapor; vapor que pierde su capacidad de producir frío.

Evaporador:

A este intercambiador accede la mezcla bifásica procedente de la válvula de expansión. A través de él circulan conjuntamente el vapor, que no produce efecto frigorífico alguno, y el líquido que, al hervir a la presión de evaporación transfiere su calor latente al fluido exterior que circula por el evaporador.



Bomba de disolución:

La misión de esta bomba es hacer circular la disolución desde el absorbedor hasta el generador - Fluidos de trabajo.

Los dos pares refrigerante/absorbente más empleados en las máquinas de absorción son NH3/H2O y H2O/LiBr; el primero de ellos, en aplicaciones preferentemente de refrigeración, y el segundo, en climatización y bombas de calor en general.

H2O/LiBr. Se ha elegido el par H2O/LiBr porque presenta varias ventajas frente al

NH3/H2O: ○ EL NH3 por su carácter tóxico necesita utilizar sistemas indirectos. ○ El ciclo de H2O/LiBr tiene un coeficiente de operación mayor que el de NH3/H2O. ○ No necesita torre de destilación (el LiBr no se evapora en las condiciones de trabajo por su elevado punto de fusión y ebullición).

Además no existen máquinas de NH3/H2O de doble efecto ya que las presiones que se originarían en el generador serían excesivamente elevadas.

Las principales desventajas que presenta la tecnología de refrigeración por absorción con H2O/LiBr son la disipación de calor con agua de torres de refrigeración, cristalización, corrosión, alto vacío, etc.

Ciclos de simple

efecto Ciclos de doble

efecto Ciclos de triple

efecto COP 0,7 1-1,2 1,5

Temperatura de activación

� 85 ºC � 150 ºC � 200 ºC

(COP = frío / energía térmica de activación)

Tabla 1. Comparativa prestaciones máquinas de refrigeración por absorción

con H2O/LiBr.



NH3/H2O. La tecnología de refrigeración por absorción con NH3/H2O se utiliza en

aplicaciones de refrigeración industrial y en enfriadoras de agua de llama directa para aplicaciones de aire acondicionado de pequeña potencia (18 kW).

Ciclos de simple

efecto Ciclo GAX (en

desarrollo) COP 0,6 1,0

Temperatura de activación

� 90 ºC � 160 ºC

Tabla 2. Comparativa prestaciones máquinas de refrigeración por absorción con NH3/H2O.

La principal ventaja de utilizar el par NH3/H2O es que no existen problemas de cristalización; sin embargo, el principal inconveniente, es la alta toxicidad del amoníaco, la cual limita su utilización.

- El refrigerante.

El agua es el líquido con mayor calor latente de evaporación y condensación que existe en la naturaleza. Esta característica es especialmente relevante en instalaciones de climatización de gran tamaño, ya que el caudal de refrigerante que circula por el sistema es menor que cuando se utiliza cualquier otro refrigerante. Tiene el inconveniente de que la temperatura de evaporación debe ser superior a 0ºC, lo cual le impide trabajar en refrigeración. Por esta razón las máquinas de absorción de LiBr/H2O trabajan con temperaturas de evaporación superiores a 0ºC, entre 4 y 10ºC. Como la presión de vapor absoluta a estas temperaturas está comprendida entre 400 y 900 Pa, el volumen específico en el evaporador es muy grande, del orden del 200 m3/kg. Por el contrario el condensador trabaja con presiones absolutas entre 4.000 y 10.000 Pa, lo cual implica que el volumen específico del refrigerante es unas cinco veces inferior al del evaporador. - Inconvenientes de la disolución de LiBr/agua: Existe un límite de cristalización por encima del cual no es recomendable trabjar, ya que se forman cristales en la disolución.

Esta zona está comprendida entre el 65 y 70% de concentración de bromuro de litio y para temperaturas comprendidas entre 48 y 105 ºC. La



máquina se diseña para trabajar fuera de esta zona para evitar la formación de cristales en la disolución.

Estas disoluciones son muy corrosivas en presencia de oxígeno. Esta corrosión se atenúa durante las condiciones normales de funcionamiento del ciclo: 600-900 Pa en el evaporador, y 4-10 kPa en el condensador. Por ello es necesario añadir a la disolución algún inhibidor de corrosión.

● Ciclo de doble efecto. - Descripción general.

Una máquina de absorción de doble efecto se compone de dos generadores de vapor (el de alta y el de baja temperatura), dos recuperadores de calor de la disolución, un condensador y un subenfriador de líquido, dos válvulas de expansión, el evaporador y el absorbedor. Los ciclos de doble efecto, como poseen dos generadores, realizan dos separaciones de vapor a partir de un aporte inicial de calor externo, de manera que se consigue un aumento notable en el COP de la máquina respecto a las de simple efecto.

Pero ello implica un nivel térmico superior a las de simple efecto en el generador de alta temperatura, con el fin de que el vapor producido en este generador sea a su vez capaz de producir vapor refrigerante en el generador de baja temperatura.

El rango de temperaturas con el que trabaja el generador de alta temperatura en el ciclo de doble efecto se encuentra entre 150 y 180ºC. Su valor dependerá de la temperatura ambiente, de la carga térmica a cubrir y del tipo de condensación con el que opere: por agua o por aire.

El hecho de que la máquina de doble efecto utilice para su funcionamiento otra fuente de calor de más elevado nivel térmico (~150ºC ), tiene como consecuencia un aumento del COP en un sumando igual a , que no es otro que el efecto útil resultado de emplear un segundo generador.

En la Figura 36 se muestra un esquema de una máquina de absorción de doble efecto condensada por agua con todos los componentes que intervienen en su funcionamiento.



Figura 36. Esquema de una máquina de absorción de LiBr/H2O de doble efecto

condensada por agua.

A partir de este esquema se describe a continuación su funcionamiento:

La disolución contenida en el absorbedor (absorber) es aspirada por la bomba (low temp generator pump) y transportada, en primer lugar, hacia el generador de baja temperatura. Una vez allí, la disolución hervirá debido al calor transferido por el vapor refrigerante producido en el generador de alta temperatura. A continuación, parte de la disolución concentrada será transportada por otra bomba al generador de alta temperatura donde se producirá el vapor refrigerante a alta temperatura. El resto retornará al absorbedor, pasando previamente por el recuperador de calor de baja temperatura (low temp hx), donde se enfriará la disolución antes de su entrada al absorbedor. Por tanto, está maquina tiene una distribución de la disolución serie: en primer lugar, la disolución circula a través del generador de baja temperatura (low temperature generator) y, a continuación, por el de alta. El generador de alta temperatura (high temperature generator) es aquel que recibe el calor del foco térmico de alta temperatura (qCOND , TCOND).

El vapor refrigerante producido en el generador de alta es el causante de la ebullición de la disolución en el generador de baja. El efecto en el generador de baja temperatura es doble, ya que este vapor procedente del generador de alta temperatura, al transferir el calor al de baja temperatura se condensa. Por tanto, el generador de baja es generador y condensador al mismo tiempo. El vapor refrigerante, producido en el generador de baja temperatura, circula después hacia el condensador, donde cede su calor latente al agua de refrigeración (cooling water) y cambia de estado.

El refrigerante producido en los dos generadores, ya en estado líquido, es conducido hasta el evaporador (evaporator) donde es rociado mediante



unos sprays sobre un intercambiador de tubos. Por el interior de estos tubos circula agua (chilled water) que cede calor sensible al refrigerante, qEVAP, y provoca su ebullición a la presión y temperatura de evaporación (TEVAP, PEVAP). Ya en estado de vapor saturado, el refrigerante vuelve al absorbedor donde entra en contacto con la disolución concentrada procedente de los dos generadores, resultando absorbido por la misma, diluyéndola (calor de dilución) y transformándose en estado líquido (condensación). El calor de absorción es la suma de estos dos calores: el de dilución más el de condensación. - Clasificación de las máquinas de absorción de doble efecto.

A continuación, se presenta una clasificación de las máquinas de absorción de doble efecto, en base a dos criterios de los cuales han derivado 4 tipos distintos:

○ Por la distribución del caudal de la disolución hacia los dos generadores:

Las opciones que se presentan son básicamente dos: flujo paralelo y flujo serie. ○ Por el sistema de condensación empleado:

En este caso las dos opciones son: condensación por agua y condensación por aire. Flujo paralelo.

Una de las más importantes decisiones a tomar cuando se trata de diseñar una máquina de absorción de doble efecto es el modo de distribuir la disolución que circula desde el absorbedor hacia los dos generadores. En este tipo de configuración, la disolución procedente del absorbedor se divide en dos circuitos; uno hacia el generador de alta temperatura y otro hacia el de baja. Las sucesivas investigaciones realizadas conllevan a confirmar que las máquinas de doble efecto con distribución de flujo paralelo desarrollan un COP mayor que las de flujo en serie. Este tipo de configuración presenta mayores beneficios desde el punto de vista termodinámico y de transferencia de calor que la configuración serie, si bien necesita mayor complejidad en el sistema de control.



Figura 37. Esquema del ciclo de una máquina de absorción de doble efecto con

distribución de flujo paralelo.

Flujo serie.

En la configuración serie todo el caudal de disolución es conducido, en primer lugar, al generador de alta temperatura y, posteriormente, al de baja temperatura.

Por otro lado el generador de alta temperatura debe alcanzar una temperatura lo suficientemente elevada para proporcionar el calor necesario al generador de baja el cual haga hervir la disolución.

Por otra parte, tanto las máquinas de doble efecto paralelo como las de distribución en serie se pueden dividir en dos tipos según el sistema de condensación: condensadas por agua y condensadas por aire.



Figura 38. Esquema del ciclo de una máquina de absorción de doble efecto con

distribución de flujo serie. Condensadas por agua.

Las máquinas condensadas por agua son aquéllas que utilizan el agua para condensar el vapor refrigerante producido en el generador de baja temperatura, así como para refrigerar la disolución en el absorbedor. Este tipo de sistema de condensación lleva asociado una torre de enfriamiento donde se evacua a la atmósfera el calor absorbido.

La condensación por agua es la mayoritariamente empleada por las máquinas de absorción hasta la fecha, por sus buenas prestaciones. Si bien en los últimos años, debido a la estricta reglamentación sobre las torres de refrigeración, cada vez están apareciendo más trabajos de investigación sobre máquinas condensadas por aire.



Condensadas por aire.

Las torres de refrigeración, aparte del problema de su ubicación debido a su gran volumen, presentan el inconveniente de su exhaustivo mantenimiento ya que en ellas es muy frecuente la aparición de la bacteria denominada Legionella (la legislación al respecto es muy estricta). Además son unas de las principales responsables de que la tecnología de la absorción no haya conseguido implantarse en el mercado doméstico.

Los sistemas condensados por aire presentan la gran ventaja de poder funcionar prescindiendo de la torre de refrigeración. Esta es la razón por la cual cada vez más la investigación en su desarrollo se está convirtiendo en un tema de máximo interés.

En términos de funcionamiento, la máquina de absorción de LiBr/H2O de doble efecto condensada por aire se comporta de modo similar a una condensada por agua. Precisamente es esta característica, el modo en que se lleva a cabo la condensación del refrigerante, donde radica su principal diferencia.

En este tipo de sistemas el aire es el fluido que extrae el calor en el condensador y en el absorbedor. El uso del aire como fluido refrigerador conlleva un aumento en las temperaturas de condensación, lo cual repercute a su vez en una mayor temperatura de ebullición en los generadores. Esto se debe a que los sistemas condensados por aire operan a la temperatura de bulbo seco mientras que los condensados por agua utilizan torres de refrigeración para el intercambio de calor, gobernadas por la temperatura de bulbo húmedo.

3.6.3. Clasificación de las máquinas de absorción.

Las máquinas de frío basadas en ciclo de absorción utilizan una fuente de calor para separar el vapor de agua de una disolución de sal que previamente la absorbió a baja presión.

Los principales criterios a la hora de clasificar las máquinas de absorción son los siguientes: ► En función del número de efectos (o generadores): - De simple efecto: máquina de absorción con un solo generador. - De doble efecto: máquina de absorción con dos generadores. - De triple efecto: máquina de absorción con tres generadores.



► En función del par refrigerante/absorbente utilizado por la máquina: - H2O/LiBr: el refrigerante es agua y el absorbente, bromuro de litio. - NH3/H2O: el refrigerante es amoníaco y el absorbente, agua. - LiNO3/H2O: el refrigerante es nitrato de litio y el absorbente, agua. - NaSCN/H2O: el refrigerante es tiocianato sódico y el absorbente, agua. Las combinaciones refrigerante/absorbente más utilizadas en la prática son: H2O/LiBr y NH3/H2O. ► En función del número de etapas (o absorbedores): - De simple etapa: máquina de absorción con un absorbedor. - De doble etapa: máquina de absorción con dos absorbedores. - De triple etapa: máquina de absorción con tres absorbedores. (Nota: Aclaración de los términos “efecto” y “etapa”: - Efecto: hace referencia al generador de la máquina; dispositivo donde se produce el vapor refrigerante mediante ebullición. Por ejemplo: simple efecto = 1 generador; doble efecto = 2 generadores; etc. - Etapa: hace referencia al absorbedor de la máquina; elemento donde se produce la absorción del vapor refrigerante. Por ejemplo: simple etapa = 1 absorbedor; doble etapa = 2 absorbedores; etc. ► En función del sistema de condensación: - Condensada por agua: el fluido que provoca la condensación del refrigerante es agua. Llevan asociadas una torre de refrigeración. - Condensada por aire: el fluido que provoca la condensación del refrigerante es aire. ► En función la fuente de calor que suministra la potencia calorífica a la máquina: - De tipo directo o “llama” directa: utilizan el calor aportado por los productos de la combustión, para calentar la disolución procedente del absorbedor y llevarla al punto de ebullición. Se utiliza, para tal fin, un quemador de un combustible fósil (líquido o gaseoso). - De tipo indirecto: reciben el calor necesario a través de un elemento intermedio: un intercambiador de calor. El fluido caliente puede proceder de un fluido térmico, de la recuperación de calor de una fuente residual, de una instalación de energía solar, o de una caldera de gas.



Un caso particular es el de las máquinas de absorción de efecto mitad,

que presentan dos generadores y dos absorbedores; pero que se denominan de este modo (efecto mitad) porque su COP es aproximadamente la mitad del de las máquinas de simple efecto. Si se denomina α al COP en simple efecto, resulta que el COP de la máquina de efecto mitad es: COP = α·(1- α0,5) / (1- α).

Señalar que se suelen combinar los diferentes criterios para describir con mayor precisión la máquina de absorción. Por ejemplo: máquina de absorción de llama directa (Gas-fired) de H2O/LiBr de doble efecto condensada por agua.

Tabla 3. Comparativa sistemas basados en máquinas enfriadoras de absorción accionadas por calor solar.

Tabla 4. Tecnología de absorción en función del tipo de ciclo y la energía suministrada al generador.

Las máquinas de efecto simple son aquellas en las que por cada unidad de masa del refrigerante evaporado en el evaporador, una unidad de masa del refrigerante debe ser absorbido de la solución refrigerante-sorbente en el generador. Sin embargo, las máquinas de doble efecto tienen dos generadores trabajando a diferente temperatura y operando en serie, en donde el calor del condensador del primer generador es usado para el calor del segundo generador.



Las máquinas de efecto simple, bajo condiciones normales de trabajo, necesitan una temperatura del líquido de 80-100 ºC; sin embargo, en las máquinas de doble efecto son necesarias temperaturas más elevadas (140-160 ºC).

La diferencia entre el ciclo de simple efecto y el de doble efecto radica en la eficiencia, determinada por el COP (Coeficient of Performance) o cociente entre el frío generado y la energía térmica consumida por la máquina. Son valores medios habituales un COP = 0.6- 0.7 para simple efecto y COP = 1-1.2 para doble efecto.

3.6.4. Ventajas de los sistemas de refrigeración por absorción.

Las ventajas de los sistemas de refrigeración por absorción con respecto a la compresión son las siguientes:

- Utilizan refrigerantes naturales (no utilizan CFC’s ni HCFC’s).

- Pueden utilizar diferentes fuentes térmicas de activación: calor residual, termosolar, combustión, proceso, etc. Utilizan directamente energía primaria (gas o solar).

- Flexibilidad de alimentación: vapor, agua caliente o llama directa a gas.

- Permiten potenciar la aplicación de tecnologías de ahorro energético al complementarse con la cogeneración y renovables como los captadores solares térmicos.

- Reducción de la potencia eléctrica a contratar y la ET e instalación eléctrica.

- Eficiencia casi constante a carga parcial.

- Silenciosa. Únicas partes móviles bombas de solución y refrigerante.

- Menor mantenimiento, aunque éste debe ser muy especializado.

- Fiabilidad y flexibilidad de funcionamiento (mantienen prestaciones a carga parcial).

- Tecnología ampliamente conocida y desarrollada. Utilizada en todo tipo de aplicaciones (refrigeración y aire acondicionado) y en diferentes sectores (industrial y de servicios).

- Disponible comercialmente en toda la gama de potencias.



3.7. Comparación de sistemas de refrigeración por absorción y adsorción.

A parte de los rendimientos obtenidos y del evidente análisis de disponibilidad, coste y servicio que hay que realizar, existen unas características de cada sistema de refrigeración que le aportan unas ventajas e inconvenientes generales.

Una de las ventajas más importantes de los sistemas de adsorción, fundamental para su aplicación con energía solar, es que pueden funcionar con temperaturas de la fuente de calor más bajas (hasta de 60 ºC), además de necesitar temperaturas del agua de refrigeración más bajas.

En cambio, se tienen rendimientos menores que con la tecnología de absorción y el coste económico suele ser más elevado, como consecuencia de que hay menos fabricantes que generen esta tecnología y las máquinas con más grandes, pesadas y con un diseño y control elevados para solucionar el problema de la generación de frío discontinua.

A continuación se muestra una tabla que comparan los COPs de las distintas tecnologías según la temperatura de la fuente de calor externa. Se comprueba que para el rango de temperaturas que es capaz de suministrar un sistema de energía solar, la tecnología de adsorción es la mejor hasta los 75ºC que comienza a destacar la absorción de efecto simple.

Figura 39. Comparación de rendimientos de distintas tecnologías según

la temperatura de la fuente de calor externa. Fuente: Situación Actual de las Tecnologías de Refrigeración Solar. Alberto Coronas. Jornadas de la

Universidad de Comillas.

3. estado del arte de las distintas...

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