Dr. Nicolás Velázquez LimónChihuahua, Chih., 25 de Octubre 2010

Tecnologías de enfriamiento Tecnologías de enfriamiento sustentablessustentables

Centro de Estudio de las Energías RenovablesInstituto de Ingeniería Universidad Autónoma de Baja California

TECNOLOGÍAS DE REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

ACTIVADAS CON ENERGÍA TÉRMICA

AGENDA

• Introducción al curso

• Problemática energética, ambiental y económica

• Fuentes renovables de energía y calor residual

• Fundamentos de los procesos de enfriamiento

• Tecnologías de enfriamiento térmico

• Integración de los sistemas energéticos

(cogeneración, trigeneración y poligeneración)

• Evaluación técnico/económica de los sistemas de

enfriamiento térmicos

Características del Sistema de Enfriamiento ideal.

Objetivos

• Crear conciencia sobre la problemática energética-ambiental y justificación de los proyectos sustentables.

• Presentar con un lenguaje sencillo una introducción a los principios fundamentales de los sistemas de enfriamiento térmicos activados con fuentes renovables de energía y CR.

• Analizar el potencial de las tecnologías de enfriamiento térmico como una alternativa para reducir el consumo de energía eléctrica de las empresas de la región y realizar una comparación de las diferentes opciones.

• Estudio de las tendencias de investigación y desarrollo tecnológico.

El crecimiento de la población a nivel mundial se ha disparado en las ultimas décadas.

Esto ha generado un incremento en la demanda de combustibles, energía eléctrica y paralelamente en la contaminación y cambio climático.Analizando nuestra

trayectoria como sociedad, y conscientes del daño medioambiental que estamos causando, podemos decir que:

“URGE TOMAR MEDIDAS”

800

600

400

200

01970 1990 2010 2030 2050

Projected

To Date

Year

Los países de economías industrializadas contienen aproximadamente el 25% de la población mundial, sin embargo esos mismos países consumen el 75% de la energía.

Los países en vías de desarrollo están aumentando su consumo y pretenden llegar al mismo nivel de vida.

(Quadrillion Btu)

La necesidad de garantizar el suministro de energía ha sido causa de varios conflictos bélicos.

¿CUAL ES EL PROBLEMA?

¿POR QUÉ BUSCAR NUEVAS TECNOLOGÍAS PARA LA GENERACIÓN ELÉCTRICA Y PRODUCCIÓN DE FRÍO?

¿Qué es el cambio climático?

NUESTRO PLANETA ABSORBE CADA VEZ

MÁS RADIACIÓN SOLAR Y SE ESTÁ CALENTANDO EN

FORMA ALARMANTE

(CO2)

Variaciones en la temperatura de la superficie de la Tierra: del 1000 al 2100Diferencias de temperatura con respecto a la de 1990 (ºC)

¿Como influyen los sistemas de enfriamiento en este

problema?

CAMBIO CLIMATICO

¿CUAL ES EL PROBLEMA?¿CUAL ES EL PROBLEMA?

Gas Fuente principal

Contribución al calentamiento

Dióxido de carbono(CO2)

Quema de combustibles fósiles (77%) Deforestación (23%)

55%

Clorofluorocarbonos (CFC) y gases similares (HFC y HCFC)

Gas para refrigeración, aerosoles, soventes, Agricultura intensiva

24%

Metano (CH4)

Minería de carbón, Fugas de gas, deforestación

15%

Óxido nitroso (NOx)

Agricultura y silvicultura intensiva, quema de biomasa y combustibles fósiles, uso de fertilizantes

6%

CONSECUENCIAS DEL CALENTAMIENTO GLOBAL(EVIDENCIAS)

• Derretimiento de masas de hielo polar y glaciares• Aumento del nivel del mar inundando zonas costeras• Extinción de especies•Olas de calor más frecuentes e intensas• Incendios forestales más frecuentes• Mayor incidencia de Huracanes e inundaciones

El calentamiento global provoca desastres naturales.

4 de Sept. 2007, primera vez que dos huracanes categoría 5 se presentan en dos océanos al mismo tiempo.

Descongelamiento de los glaciares.

Posible alteración de las corrientes marinas.

El caso de México

Futuro energético para México

CombustiblesFósiles

Geotérmia

Eólica, SolarBiomasa, H

Nuclear

Hidro

Educación

Recursos Humanos

Investigación

D. Tecnológico

Educación

Petr leo en M xico� �

A o�

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Mile

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pet

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or

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0

1000

2000

3000

4000

Produccion Consumo Cap. de Refinacion

El petróleo en México

Actualmente se extraen 3.76 millones de barriles de petróleo/día.

Al año se extraen 1.37x109 barriles de petróleo

Las reservas son 1.37x1010 barriles de petróleo

Si estas cifras se mantuvieran constantes implica que tenemos petróleo para los próximos 10 años

Petróleo Energía y Divisas

Fuente: Elaborado por el Centro de Estudios de las Finanzas Públicas de la H. Cámara de Diputados, con datos de la Secretaría de Energía, Agencia Internacional de Energía (EIA) y PEMEX.

Gas Natural en M xico�

A o�

1970 1980 1990 2000 2010

1E(6

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nel

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0

10

20

30

40

50

Producci n�Consumo

Carb n en M xico� �

A o�

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

1E(6

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1

2

3

4

5

6

7

8

9

Producci n�Consumo

0

50000

100000

150000

200000

250000

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Meses

Co

nsu

mo

elé

ctri

co (

MW

h)

Consumo de meses del año 2000 Consumo promedio

Figura 1.1 Consumo eléctrico mensual del sector residencial del municipio de Mexicali B.C. meses del año 2000 y promedio de 1990 a 2000.

En promedio por cada 5 grados centígrados que sube la temperatura, el consumo aumenta cerca de 40 GWh.

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004

Años

Consumos de febrero Consumos de agosto

Figura 1.2 Variación del consumo eléctrico en el sector residencial del Municipio de Mexicali, B.C. en los meses de febrero y agosto, para los años de 1990 a 2003.

En el futuro el consumo de energía se incrementará necesariamente y debemos reducir el impacto

ambiental de esta utilización masiva de energía.

CO

NS

UM

O M

EN

SU

AL

(M

W-h

)

Consumo de energía electrica

70000

100000

130000

160000

190000

220000

250000

1987 1990 1993 1996 1999 2002 2005

años

co

su

mo

me

dio

MW

h

`

Variación del consumo medio para el sector domestico en Mexicali, B. C.años de 1988 a 2005. Fuente: CFE, Estadísticas de venta

NUESTRO DESARROLLO COMO

SERES HUMANOS ESTA BASADO EN

PROCESOS INEFICIENTES Y

CONTAMINANTES

LOS PATRONES ACTUALES DE GENERACIÓN

ELÉCTRICA NO SON SUSTENTABLES DEBIDO A SUS GRANDES DAÑOS

AMBIENTALES.

¿PROCESOS NO SUSTENTABLES PREVIOS A LOS SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO CONVENCIONAL?

TERMOELECTRICAINDUSTRIA DEL PETROLEO

DOS GRANDES PROBLEMAS AMBIENTALES CALENTAMIENTO GLOBAL Y DAÑO A LA CAPA DE OZONO

SON PROBLEMAS TECNOLÓGICOS QUE REQUIEREN REINGENIERIA

EL OZONO AYUDA A FILTRAR LOS DAÑINOS RAYOS ULTRAVIOLETAS

UN ÁTOMO DE CLORO ES CAPAZ DE DESTRUIR HASTA 100.000 MOLÉCULAS DE OZONO

NUESTRO PLANETA ABSORBE CADA VEZ

MÁS RADIACIÓN SOLAR Y SE ESTÁ CALENTANDO EN

FORMA ALARMANTE

(CO2)

CAMBIO CLIMATICO

La demanda de acondicionamiento térmico de espacios tiene un fuerte impacto, tanto en el sector eléctrico como en nuestro ambiente y sociedad.

TECNOLOGIA ACTUAL NO SOSTENIBLE DEL SECTOR ENERGÉTICO Y A/C

Descripción de la problemática regionalDescripción de la problemática regional

- C o n t a m i n a c i ó n .- T e m p e r a t u r a M e d i a .- D e m a n d a E l é c t r i c a .- D e m a n d a d e R e f r i g e r a c i ó n y A i r e A c o n d i c i o n a d o .- C o s t o S o c i a l .

C O N T A M I N A C I Ó N( e f e c t o i n v e r n a d e r o )

( d a ñ o c a p a d e o z o n o )

G E N E R A C I Ó N D EE N E R G Í A E L É C T R I C A

D E M A N D A D E R E F R I G .Y A I R E A C O N D I C I O N A D O

C A L E N T A M I E N T OD E L A T I E R R A

a ) C í r c u l o v i c i o s o b ) E s p i r a l a s c e n d e n t e d e l a p r o b l e m á t i c a

Así como buscamos fuentes alternas de energía, también debemos buscar un estilo de vida alternativo

que tenga una relación armoniosa con la tierra y nosotros mismos.

FUENTES RENOVABLES DE ENERGÍA

• Se denominan FRE aquéllas cuyo recurso se renueva de manera cíclica en el corto plazo.

• Las FRE no se presentan únicamente como una alternativa tecnológica limpia, sino que proponen una nueva forma de entender la interacción con el entorno natural.

• Actualmente ya no se permite un desarrollo tecnológico sin restricciones, como en el pasado.

• Las empresas sucias tienen que soportar las legislaciones ambientales y las exigencias competitivas de los mercados y eso pone en riesgo su sobre vivencia.

¿QUÉ ALTERNATIVAS TENEMOS PARA CONTRARRESTAR EL PROBLEMA AMBIENTAL?

¿Podremos aprovechar los recursos inagotables de la naturaleza sin afectar su equilibrio?

Energías consideradas renovables:

• Solar (Fototérmica y fotovoltaica) ENERGIA MADRE

• Eólica• Geotérmica• Hidráulica y minihidráulica• Oceánica (Mareas y olas)• Biomasa (cultivos energéticos, biogas, etc.)• Calor residual

Hay un amplio espectro de opciones de tecnologías limpias que están disponibles comercialmente y otras en

investigación y desarrollo.

PROBLEMATICA

RENOVABLES

TIERRA DISPONIBLE

MERCADO POT.

UNIVERSIDAD

BIOMASA

GEOTERMICA E

HIDRAULICA

OCEANICA O

MARITIMA

EOLICA

SOLAR

SOCIAL

CLIMA EXTREMOSO

Y

DEPENDENCIA

COMBUSTIBLES FÓSILES

ECONOMICA

AMBIENTAL

ENERGETICA

RECURSOS

C.I.E.R.

CENTRO DE “I+D+I”Y PLAN ESTRATEGICO

OPORTUNIDADES

Este es el ejemplo de un Centro Solar. Nosotros podemos hacerlo más practico, pues se cuenta con un clima extremo y tenemos muchas más

fuentes renovables en el estado.

ENFRIAMIENTO TÉRMICO O SOLAR La producción de enfriamiento solar se puede realizar

utilizando energía solar térmica o electricidad solar para accionar una maquina de refrigeración o climatización.

Hay seis tipos básicos de tecnologías de enfriamiento solar:

1) Enfriamiento por absorción: Se utiliza la energía solar térmica para vaporizar o liberar el refrigerante de la solución absorbente.

2) Enfriamiento por adsorción: Se utiliza la energía solar térmica para regenerar el lecho sólido, con la adición de calor se vaporiza o libera el refrigerante del adsorbente.

3) Enfriamiento por desecante: Se utiliza la energía solar térmica para regenerar (secar) el desecante sólido o líquido.

4) Enfriamiento por eyecto compresión: Se utiliza la energía solar térmica para calentar el fluido de trabajo y evaporar el refrigerante.

5) Enfriamiento por compresión de vapor: Se utiliza energía solar térmica para activar un motor de calor de un ciclo Rankine (Turb./Comp.).

6) Enfriadores evaporativos, acondicionadores de aire y bombas de calor que se pueden accionar por los sistemas solares fotovoltaicos.

Características del SES idealCaracterísticas del SES ideal Mínimo de equipos, buscando el menor costo de la unidad

para que la inversión inicial se ajuste a la competencia del mercado residencial.

Alta eficiencia energética, que se traduzca en un bajo costo de operación del sistema.

Bajo costo de mantenimiento y una larga vida útil de la unidad.

Unidades pequeñas con gran capacidad de enfriamiento y sin riesgos de operación.

Fluido de trabajo seguro, no corrosivo, manejable, barato, estable, con propiedades térmicas adecuadas, no tóxico, no irritante, etc.

Ninguno o el mínimo de efectos secundarios al ambiente.

Puntos de referencia para el desarrollo tecnológico

DISPONIBILIDAD DEL RECURSO SOLAR Y NECESIDADES DISPONIBILIDAD DEL RECURSO SOLAR Y NECESIDADES DE ENFRIAMIENTO COINCIDEN EN EL MISMO TIEMPODE ENFRIAMIENTO COINCIDEN EN EL MISMO TIEMPO

RADIACIÓN SOLAR

ENFRIAMIENTO

¿SON LAS TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO SOLAR UNA ALTERNATIVA?¿SON LAS TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO SOLAR UNA ALTERNATIVA?

Disponibilidad del recurso

solar

Tecnologías de captación

solar térmica

Tecnologías de sistemas

térmicos de enfriamiento

Edificación: - Evaluación térmica del envolvente

Placa plana

Tubos al vacío

Tubos de calor

CPC (sin seguimiento)

Cilindros parabólicos

Absorción

Adsorción

Enfriamiento evaporativo con desecante

Criterios Bioclimaticos

SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO SOLAR

Producción de frío

Geometría solar.

Análisis horario, diario, mensual y anual de RS.

Análisis climático.

TECNOLOGIAS DE ENFRIAMIENTO SOLAR

UNIDADES INTEGRADAS

En estos sistemas la separación de refrigerante del fluido de

trabajo se efectúa directamente en el colector solar, actuando el

mismo como Separador o Generador

TECNOLOGIAS DE ENFRIAMIENTO SOLAR

TECNOLOGIAS DE ENFRIAMIENTO SOLAR

AIRE ACONDICIONADO SOLAR CON TECNOLOGÍA DE PLACA PLANAAIRE ACONDICIONADO SOLAR CON TECNOLOGÍA DE PLACA PLANA

Reflector FresnelReflector Fresnel

PSE linear Fresnel Process Heat Collector powering a NH3/H2O absorption chiller of Robur S.p.A. in Bergamo, Italy.

Adsorción

Absorción

Reacción química

Termoelectrico

Desecantes

Rankine

Eyecto compresor

Compresion de vapor

20°C

8°C

15°C

- 10 °C

0 °C

- 30 °C

CongelaciónCongelación

HieloHielo

ConservaciónConservación

AcondicionamientoAcondicionamientodede

espaciosespaciosCalorCalor

ElectricidadElectricidad

400 400

200 200

150 150

100 100

°C°C

Enfriamiento solarEnfriamiento solar

RESUMEN COMPARATIVO DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO SOLAR MÁS IMPORTANTES

TÉCNICA DEENFRIAMIENTO

RENDIMIENTOCOP = QEV/QGE

TEMPERATURA DE OPERACIÓN

(OC)

FLUIDO DETRABAJO

TIPO DE

CICLO

CAPACIDAD DE

ENFRIAMIENTO (kW)

COLECTORESSOLARES

(recomendados)APLICACIÓN OBSERVACIONES

ABSORCIÓN (sistemas continuos):•Simple efecto•Doble efecto•Triple efecto

•Simple efecto•Ciclos GAX•Ciclo Ramificado GAX(Existen varios ciclos de este tipo)

0.6 a 0.81.0 a 1.21.4 a 1.6

0.5 a 0.60.8 a 1.01.0 a 1.7

80 a 110130 a 160170 a 220

90 a 120170 a 220170 a 220

LiBr-H2OLiBr-H2OLiBr-H2O

NH3-H2ONH3-H2ONH3-H2O

CerradoCerradoCerrado

CerradoCerradoCerrado

≥ 35.2 ≥ 353.3 ≥ 353.3

≥ 10.6 ≥ 10.6

PP, TE, CPC, CPTE, CPC, CP, CF

CPC, CP, CF

TE, CPC, CP, CFCPC, CP, CFCPC, CP, CF

Enfriamientode agua

A/AA/AA/A

R y A/AR y A/AR y A/A

Unidades enfriadas con agua. El evaporador no puede trabajar a temperaturas menores de 4 oC.Unidades enfriadas con aire o agua. Requieren rectificador y el evaporador trabaja a bajas temperaturas.

ADSORCIÓN (sistemas intermitentes):•Ciclo con alternancia de dos lechos adsorbentes•Lecho sólido con reacción química

0.4 a 0.6

0.1 a 0.2

60 a 100(regeneración)

80 a 300(regeneración)

Silica gel-H2OCarbón-Metanol

NH3-SrCl2

BaCl2-NH3

Cerrado

Cerrado

50 a 430(o multiplos)

TE, CPC, CP, CF

TE, CPC, CP, CF

Enfriamientode agua

A/A

R y A/A

Estas unidades pueden utilizar colectores baratos por su baja temperatura de operación, pero aún son caras y de baja eficiencia.

ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO CON DESECANTE:•Desecante sólido•Desecante líquido

0.5 a > 1.0> 1.0

40 a 10045 a 70

(regeneración)

Silica gel-H2OCloruro de calcio-agua

AbiertoAbierto

20 a 350(por módulo)

PP, TE, CPC, CFPP, TE, CPC, CF

A/AA/A

Utilizan el proceso de deshumidificación de aire y enfriamiento evaporativo. Usa energía eléctrica FV y térmica solar.

EYECTO COMPRESIÓN:•Ciclo de eyecto refrigeración 0.3 a 0.8 80 a 150 Agua, butano,

R141b, etc.Cerrado PP, TE, CPC, CF A/A

Es fácil de diseñar e instalar. Tiene bajo costo de operación e instalación.

SISTEMA RANKINE:

•Ciclo de enfriamiento Rankine 0.3 a 0.5 120 Agua, R114,Tolueno.

Cerrado PP, TE, CPC, CF R y A/A

Es el acoplamiento del ciclo Rankine solar con el ciclo de compresión mecánica de vapor.

SISTEMAS DE ACTIVACIÓN ELÉCTRICA:•Compresión mecánica de vapor•Termoeléctricos•Stirling

3 a 50.53

Energía por 1 W de efecto de enfriam.

12 a 50 WUnos pocos W

3 a 17 W

R134a, R290, etc.

-He, H2, N2

CerradoCerradoCerrado

---

R y A/AR y A/AR y A/A

Estas unidades operan con energía eléctrica que es obtenida de un proceso previo, por lo que hay que considerar la eficiencia de dicho proceso al comparar.

POTENCIAL DE LOS SISTEMAS TÉRMICOS DE ENFRIAMIENTO

Disminución del consumo de energía eléctrica dentro y fuera del horario pico.

Puede utilizar fuentes de calor de bajo costo ( calor desecho, solar, geotérmico, vapor, agua caliente, etc.). !Energías renovables!

Incrementa la eficiencia de los sistemas de cogeneración al generar energía eléctrica, calorífica y frigorífica simultáneamente (trigeneración).

Requiere menos costo de mantenimiento.Operación con menos ruido y vibración.Protección del ambiente.Beneficios económicos para el usuario.Ventajas por tener condiciones especiales la empr.

ReflexionesReflexiones

La climatización en el sector residencial, comercial e industrial representa una clara oportunidad para la implementación de la energía solar térmica, puesto que los beneficios ambientales, económicos y energéticos son considerables.

De las opciones de enfriamiento termosolar que se tienen sobresalen en forma interesante los sistemas de absorción, adsorción y enfriamiento evaporativo con desecante y dado su potencial se espera que se consoliden en el corto plazo.

GRACIAS

Universidad Autónoma de Baja CaliforniaMaestría y Doctorado en Ciencias e Ingeniería

Eliminar en medida de lo posible los combustibles fósiles

Acudir a la energía renovable

LINEAS DE INVESTIGACIONLINEAS DE INVESTIGACION Desarrollo de nuevos ciclos. Nuevos fluidos de trabajo y aditivos. Equipo de transferencia de masa y calor

más eficiente y compacto. Una mayor integración energética

interna. Sistemas de control automático más

sofisticados y baratos. Nuevos materiales de construcción.

Tendencias de investigación y desarrollo tecnológico