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• Eduardo Sejas Olguin

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SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN Como su nombre lo indica son sistemas que implican la absorción de un refrigerante por medio de un transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como el refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte. Otros sistemas de refrigeración por absorción son los de agua bromuro de litio y el de agua-cloruro de litio, en los que el agua sirve como refrigerante. Los últimos dos sistemas están limitados a aplicaciones como el acondicionamiento de aire, en las que la temperatura mínima queda por arriba del punto de congelación del agua. La máquina de refrigeración de amoniaco-agua fue patentada por el francés Ferdinand Carre en 1859. En unos cuantos años, las máquinas basadas en este principio se empezaron a construir en Estados Unidos, principalmente para fabricar hielo y almacenar alimentos. Se puede observar inmediatamente de la figura que este sistema es muy similar al sistema por compresión de vapor, excepto que el compresor se ha sustituido por un complicado mecanismo de absorción compuesto por un absorbedor, una bomba, un generador, un regenerador, una válvula y un rectificador.

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

APLICACIONES Los equipos de refrigeración por absorción pueden ser usados de manera tan amplia como cualquier otra planta refrigeradora de agua convencional y las aplicaciones para el aire acondicionado son las más usuales, actualmente se está intensificando el uso de instalaciones del sector terciario que disponen de campos captadores de luz solares. En cuanto a las plantas basadas en el ciclo de amoniaco/agua como refrigerante/absorbente, pueden utilizarse además, en la cadena de preparación de alimentos, procesos avícolas, tratamiento de lácteos y preparaciones farmacéuticas.

TAMAÑO Si la capacidad frigorífica de la maquina es inferior a 30 kW se consideran máquinas de pequeña potencia. Si se encuentran entre 30 kW y 100 kW, son máquinas de mediana potencia, y superiores a 100 kW se consideran máquinas de alta potencia.

FUENTES DE ENERGÍA La fuente de calor que alimenta al generador en el ciclo de refrigeración por absorción puede tener diferente origen y distintos niveles de temperatura. Puede ser:       

Agua caliente procedente de captadores solares (energía solar) Energía geotérmica Calderas de biomasa Procesos industriales con excedentes de agua caliente Se puede obtener de gas natural o de gases licuados de petróleo contenidos en depósitos. (cuando tiene costos bajos) De procesos industriales con excedentes de vapor de agua o agua sobrecalentada También de gases de escape procedentes de motores o procesos industriales

Dependiendo de si existe o no un intercambiador de calor entre la fuente y el generador, el modo de alimentación se dice que es indirecto y directo respectivamente.

FLUIDO DE TRABAJO Como sabemos en todo ciclo de refrigeración se utiliza un fluido de trabajo, este es el encargado de refrigerar el calor del espacio que queremos refrigerar. Por ejemplo como se mencionó anteriormente en un ciclo de refrigeración por compresión el fluido de trabajo es

un refrigerante, pero el fluido de trabajo en un ciclo de refrigeración por absorción no es solo un refrigerante, sino que también va acompañado de un absorbente, formando así una solución binaria. El refrigerante va ser quien retire el calor del espacio refrigerado, y el absorbente va ser el que transporte a este refrigerante.

REFRIGERANTE FLUIDO DE TRABAJO

SOLUCION BINARIA

ABSORBENTE

Los dos pares refrigerante/absorbente más empleados en las máquinas de absorción son:  

Amoniaco- agua Agua- bromuro de litio

El primero de ellos, en aplicaciones preferentemente de refrigeración, y el segundo, en climatización y bombas de calor por lo general.

PROPIEDADES QUE SE REQUIERE PARA EL REFRIGERANTE 

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Comportamiento indiferente frente a los materiales utilizados. El refrigerante no debe combinarse o reaccionar con los materiales utilizados para la construcción de la máquina frigorífica. Estabilidad química. El refrigerante no debe de sufrir ningún tipo de transformación química, dentro del dominio de temperaturas y presiones de operación. Ausencia de toxicidad. Es importante que el refrigerante no tenga efectos nocivos sobre la salud, ni sobre el medio. No todos los refrigerantes satisfacen esta condición.

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No debe ser explosivo ni inflamable. Por motivos de seguridad se exige que el refrigerante esté operando fuera de los dominios de peligrosidad, en lo referente a los riesgos de explosión e inflamabilidad. Fácil detección de fugas. Por aspectos de seguridad, operación y economía, es necesario que la circulación del refrigerante se realice en conductos herméticos y que las fugas en caso de ocurrir deben ser inmediatamente detectadas, prefiriéndose aquellos refrigerantes que tengan un olor penetrante. Ningún efecto sobre el lubricante. Si en el circuito del ciclo de refrigeración se utiliza algún tipo de lubricante, el refrigerante no le debe ocasionar ningún cambio químico, ni influir en sus propiedades lubricantes. La presión de evaporación debe ser superior a la presión atmosférica. En el caso de la refrigeración por vaporización, la presión de evaporación del refrigerante, debe ser dentro de lo posible, algo superior a la presión atmosférica. De esta manera se evita la introducción de aire al interior del sistema. Baja presión de condensación. La generación de altas presiones de condensación, requiere de estructuras que soporten esta presión, aumentando el costo. Se sugiere trabajar el refrigerante a condiciones de operación Diseño de un refrigerador por absorción para uso didáctico 40 no muy próximas del punto crítico, con el objeto de realizar más fácilmente la condensación. Gran potencia frigorífica específica. Entre mayor sea su capacidad o potencia de enfriamiento, se requerirá una menor cantidad de refrigerante en circulación para una potencia de enfriamiento determinada. Costo y disponibilidad. El refrigerante no debe ser muy costoso y debe estar disponible en el mercado, sobre todo si se requiere de un abastecimiento continuo, como en el caso de los ciclos de refrigeración abiertos. Existen refrigerantes inorgánicos como el agua y el amoniaco y refrigerantes orgánicos como los hidrocarburos

.PROPIEDADES

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QUE SE REQUIEREN DEL ABSORBENTE

La presión de vapor a la temperatura requerida en el generador debe ser despreciable o muy baja, en comparación con la presión de vapor del refrigerante. Con el fin de evitar la rectificación. El absorbente debe permanecer en estado líquido durante todo el ciclo, para evitar el problema de cristalización; la estabilidad química debe ser buena y no debe ser corrosivo ni tóxico.

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El calor específico debe ser bajo para evitar las pérdidas, la conductividad térmica debe ser lo más alta posible, la viscosidad y la tensión superficial deben ser bajas para facilitar la transmisión del calor y la absorción. El absorbente debe ser menos volátil que el refrigerante, para facilitar su separación en el generador. Si esto no es posible, se requerirá la integración de un rectificador para llevar a cabo esta separación en forma de vapor.

PARA LA SOLUCIÓN REFRIGERANTE- ABSORBENTE 

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Alta desviación negativa respecto a la ley de Raoult, cuando mayor sea este menor será la tasa de caudal en el circuito de la solución por unidad de caudal de refrigerante. Gran solubilidad del refrigerante en la solución para las condiciones de trabajo del absorbente para la separación en el generador. Proceso de absorción de vapores y de aproximación de la solución en estado de equilibrio. No inflamable, toxica y no corrosiva.

COMPONENTES Los elementos de un sistema de absorción son: generador, absorbedor, condensador y evaporador.

GENERADOR En este componente se aplica la energía térmica para obtener vapor de refrigerante. La fuente de energía normalmente agua caliente, fluye a través de tubos inmersos en una solución de refrigerante y absorbente. Esta solución absorbe calor de la fuente de agua o vapor a alta temperatura causando la evaporación de la solución y separando al refrigerante del absorbente al hacerlo evaporar y recuperar parte del absorbente al separarlo de la solución líquida.

ABSORBEDOR Uno de los componentes más importantes de estas máquinas de absorción, este dispositivo tiene como objetivo poner en contacto dos corrientes. Dentro del absorbedor el vapor de refrigerante es absorbido por el absorbente y como es un proceso exotérmico Este es evacuado al agua de enfriamiento que circula a través de los tubos en el interior del absorbedor.

CONDENSADOR

En el condensador el vapor refrigerante procedente del generador se condensa en un intercambiador de calor, pasando a la fase liquida para luego ser enviado a través de una válvula de expansión hacia el evaporador.

EVAPORADOR Este equipo es un intercambiador de calor en el cual el refrigerante cambia de fase y enfría el espacio a refrigerar. Los evaporadores para refrigeración pueden ser clasificados de acuerdo al método de alimentación como expansión directa o por inundación. En el primer caso, la salida del evaporador es un vapor ligeramente sobrecalentado que se alimenta en cantidades pequeñas para asegurar la vaporización completa al final del equipo. En el caso del evaporador por inundación, la cantidad de refrigerante excede la cantidad evaporada. La decisión depende del diseño. Un evaporador de expansión directa generalmente se utiliza en sistemas pequeños con diseños compactos y requiere de equipo de control de flujo con una válvula de termo expansión o un tubo capilar.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Figura a) cámara de la izquierda: donde contiene el refrigerante ejemplo amoniaco; cámara de la derecha: donde contiene una solución binaria (refrigerante y absorbente) ejemplo agua y amoniaco. El refrigerante va obtener calor del medio el cual va hacer que este refrigerante se evapore, los vapores del refrigerante pasaran así a la cámara de la derecha donde van a ser absorbidos por el agua, esta absorción es una reacción y amoniaco. En la figura b pasa el proceso inverso dondea la solución binaria se le añade un calor para

exotérmica por lo cual se va liberar calor. Entonces así el agua va contener al refrigerante. Figura b) cámara de la izquierda: donde contiene el refrigerante ejemplo amoniaco; cámara de la derecha: donde contiene una solución binaria (refrigerante y absorbente) ejemplo agua

evaporar al refrigerante, y los vapores del refrigerante puro pasen a la cámara de la izquierda liberando calor.

Estos son los dos principios de funcionamiento básicos en un ciclo de refrigeración por absorción, pero estos dos principios no pueden ejercerse de forma simultánea con solo dos cámaras, por lo cual un ciclo de refrigeración por absorción combina estos dos principios. En la siguiente figura se expresa:

Fuente de calor TRABAJO de la bomba

Espacio refrigerado

En la parte superior se da un proceso de separación del refrigerante añadiéndole calor a la solución binaria y liberando así el refrigerante puro, mientras que en la parte inferior se da un proceso de absorción en donde tenemos al lado derecho al refrigerante puro y al lado izquierdo el absorbedor donde encontramos el agua con el refrigerante. El ciclo inicia en el evaporador donde el refrigerante en estado puro absorberá calor del espacio refrigerado, el espacio donde queremos refrigerar; este calor otorgado del espacio refrigerado ocasionara que el refrigerante se evapore y al aumentar la presión debido a los vapores del refrigerante existe una diferencia de presión entre el evaporador y el absorbedor, esta diferencia de presiones ocasionara que el refrigerante en estado vapor viaje hacia el absorbedor siendo absorbido por el líquido absorbente, esta absorción generará una reacción exotérmica liberando calor. El absorbedor es un punto crítico de los ciclos de refrigeración por absorción debido a que el absorbente para que pueda tener la capacidad de absorber un refrigerante tiene que estar a una temperatura controlada. La disolución de un gas dentro de un líquido se da siempre mayor a menor temperatura, mientras mayor sea la temperatura del líquido, el gas es poco absorbido por el líquido; entonces si aumenta la temperatura en el absorbedor lo que ocasionara es que el líquido absorbente absorba muy poco o casi nada de los vapores de refrigerante, por lo tanto la temperatura del absorbedor debe estar controlada para que el refrigerante pueda ser diluido en el absorbente. Luego la solución binaria refrigerante absorbente será bombeada hacia el generador de vapores de refrigerante puro, para generar estos vapores tenemos que adicionarle una fuente de calor. Le adicionamos una fuente de calor para evaporar la solución de agua y refrigerante y así separar al refrigerante por su menor punto de ebullición. Una vez generados los vapores de refrigerante puro pasaran estos vapores al condensador y por una liberación de calor cambiaran al estado líquido y estos regresaran al evaporador por medio de una válvula de expansión disminuyendo la presión para poder así evaporar al refrigerante nuevamente absorbiendo calor del espacio refrigerado. El líquido absorbente que quedo en el generador pasara otra vez al absorbedor para absorber más refrigerante y así seguir un ciclo. El absorbedor y el generador es el remplazo del compresor de lo que sería en un ciclo de refrigeración por compresión. La diferencia principal es que en el compresor tenemos que aumentar la presión de un gas, sin embargo en un ciclo de absorción aumentamos la presión de un líquido mediante el transporte del refrigerante por el absorbente.

CICLO DE REFRIGERACIÓN AMONIACO – AGUA

La fuente de calor que se da al generador viene de la energía solar mediante un flujo de agua que es calentado por esta energía, y es otorgado así el calor hacia el generador, el cual tiene la mezcla de amoniaco-agua y hará que se separe el amoniaco del agua pasando por un rectificador el cual es un equipo donde separa también el agua del amoniaco pero en estado vapor, debido a que cuando calentamos la solución y al ser las dos soluciones volátiles al evaporar el amoniaco también se evapora agua. La función del rectificador es separar en estado vapor precipitando el agua en estado líquido y pasando otra vez al generador. De esta manera amoniaco puro pasara al condensador donde se volverá en estado líquido, pasará a través de una válvula de expansión hacia el evaporador disminuyendo su presión y punto de ebullición del refrigerante, así el refrigerante puro con una disminución de su punto de ebullición absorberá rápidamente calor del espacio refrigerado y se evaporara, estos vapores del refrigerante pasan al absorbedor siendo absorbidos por el agua, el absorbedor tiene que tener un enfriamiento debido a que es una reacción exotérmica y además tiene que estar a una temperatura controlada para que el agua sea capaz de diluir al amoniaco en estado gaseoso. Esta solución amoniaco-agua va ser transportada por una bomba y pasara por un intercambiador de calor para aumentar su temperatura y llegar al generador con un aumento de temperatura para aumentar la eficiencia del generador. El intercambio de calor es simple, es entre el líquido que viene del absorbedor y el líquido que cae del generador a una temperatura más alta. Y de esta manera se vuelve a repetir todo el proceso.

COP

El COP de sistemas de refrigeración por absorción se define como:

El COP máximo de un sistema de refrigeración por absorción se determina suponiendo que el ciclo completo es totalmente reversible (es decir, el ciclo no incluye irreversibilidades ni ninguna transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperatura). El sistema de refrigeración sería reversible si el calor de la fuente (Q generador) se transfiriera a una máquina térmica de Carnot, y la salida de trabajo de esta máquina térmica (W = ɳ tér, rev *Q generador) se suministrara a un refrigerador de Carnot para extraer calor de un espacio refrigerado. Observe que QL = W *COP(R, rev) = ɳ tér, rev *Q generador *COP(R, rev). Entonces, el COP total de un sistema de refrigeración por absorción en condiciones reversibles es

Donde T, T0 y T son las temperaturas termodinámicas del espacio refrigerado, el ambiente y la fuente de calor, respectivamente. Cualquier sistema de refrigeración por absorción que reciba calor de una fuente a Ts y extraiga calor del espacio refrigerado a TL mientras opera en un ambiente a T0 tendrá un COP menor cuando la fuente está a 120 °C, el espacio refrigerado está a _10 °C y el ambiente se encuentra a 25 °C, el máximo COP que un sistema de refrigeración por absorción puede tener es 1.8. El COP de sistemas de refrigeración por absorción reales por lo común es menor que 1. Los sistemas de acondicionamiento de aire basados en la refrigeración por absorción, llamados enfriadores por absorción, se desempeñan mejor cuando la fuente de calor puede suministrar calor a una temperatura elevada con poca caída de temperatura. Los enfriadores por absorción generalmente están diseñados para una temperatura de entrada de 116 °C (240 °F). Ellos funcionan a temperaturas más bajas, pero su capacidad de enfriamiento disminuye abruptamente con la disminución de la temperatura de la fuente, aproximadamente 12.5 por ciento por cada 6 °C (10 °F) de reducción en la temperatura de la fuente. Por ejemplo, la capacidad caerá a 50 por ciento cuando la temperatura del agua de suministro baje a 93 °C (200 °F). En este caso, uno necesita duplicar el tamaño (y por consiguiente, los costos) del enfriador para lograr el mismo enfriamiento.

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN CON UNA FUENTE DE CALOR DE GAS

En primer lugar, tenemos un depósito con una disolución fuerte de gas amoníaco en agua. No debemos confundir esta disolución con el amoníaco habitualmente empleado en limpieza que tiene una concentración mucho menor. Un quemador de gas, muy parecido a la llama piloto de un calentador de gas, genera calor a un calentador fijado al depósito de amoníaco. Junto a este calentador, hay otros del tipo eléctrico (resistencia) que funcionan a 12v, 125v, o 220v cuando la nevera funciona a red y no a gas. El calor generado, evapora el amoníaco del agua, el cual pasa por un sifón a

partir del cual cualquier resto de agua o vapor de la misma vuelve al depósito, mientras que el gas de amoníaco sigue su curso. El amoníaco gaseoso, entra en el CONDENSADOR, este es un tubo fino y bien refrigerado por el aire circundante (aire del ambiente), en esta situación, el vapor de amoníaco se CONDENSA (de ahí su nombre), debido a la presión dentro del condensador y a la reducción de temperatura, por tanto en este elemento el amoníaco gaseoso pasa a estado líquido (amoníaco puro licuado).A continuación el amoníaco, pasa al evaporador, que se encuentra dentro de la nevera o congelador. Este elemento es sencillamente un tubo de gran sección donde el amoníaco puede evaporarse fácilmente. Para facilitar esta operación, el amoniaco se mezcla con un poco de gas hidrógeno, lo cual disminuye su temperatura de evaporación. Es en este lugar donde se genera frío, al absorber el amoníaco el calor necesario para su evaporación. El amoniaco evaporado, junto con el hidrógeno, pasan al ABSORBEDOR, donde el amoníaco es absorbido (de ahí su nombre) en agua, la cual cae por gravedad al depósito mencionado al inicio, y todo el proceso vuelve a repetirse. El hidrógeno, es una pequeña cantidad de gas que se inyecta en la fabricación del aparato, y que circula libremente entre el condensador y el absorbedor. Tanto el CONDENSADOR como el ABSORBEDOR son elementos que generan calor y por tanto deben estar bien ventilados, pues de lo contrario se pierde rendimiento.

DIFERENCIAS ENTRE EL CICLO DE REFRIGERACION POR COMPRESION Y EL CICLO DE REFRIGERACION POR ABSORCION

Comparaciones

Ventajas

Desventajas

Aplicaciones

Refrigeración por compresión de vapor Las máquinas de compresión al estar muy estudiadas y comercializadas, obtienen unos valores de COP muy elevados, entre 2 y 4, por lo que producen entre 2 y 4 veces más energía frigorífica que la energía eléctrica (o mecánica) que consume. Esto hace que las máquinas de compresión resulten muy competitivas y económicas. Las instalaciones de producción de frio suponen un alto porcentaje de consumo energético, pueden suponer un alto impacto económico y medio ambiental. - Aire acondicionado automotor. - Industriales. - Refrigerador nevera o frigorifico. - Enfriador de agua. - Tanque de leche.

Refrigeration por absorción - Permite ahorrar la energía primaria. - Los fluidos utilizados son totalmente inocuos para el medio ambiente. - Los costos del amoniaco son relativamente bajos en comparación a otros. - Pueden trabajar a temperaturas bajo 0. - Mas ruidosas. - no permite su utilización en automóviles.

- Aires acondicionados. - Plantas refrigeradoras convencionales de agua. - A bajas

- Camara de refrigeracion.

Niveles de temperatura Costos Fluidos de trabajo

Temperaturas bajas Mas costoso R-11, R-12 , R-22 , R-13A , R-410 , R-404A

temperaturas cadena de preparación y conservación de alimentos, procesos vinícolas, tratamiento de lácteos, preparación farmacéuticas, etc. Dependiendo del fluido de –0°C a 200°C. Mas economico NH3-H2O H2O-LiBr H20- LiCl

BIBLIOGRAFIA   

http://ri.ues.edu.sv/1772/1/Dise%C3%B1o_de_un_refrigerador_por_absorci%C3%B 3n_para_uso_did%C3%A1ctico.pdf http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5070/fichero/CAPITULO+3%252FCAP%C3% 8DTULO+3.0+MAQUINAS+DE+ABSORCION.pdf Yunus A. Çengel, Michael A. Boles. (2015). Termodinámica. Octava edición. McGraw-Hill Education