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LAS MÁQUINAS DE ABSORCIÓN

INTRODUCCION

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INTRODUCCIONMODOS DE FUNCIONAMIENTO

Pag 2 INTRODUCCIÓN

Las máquinas frigoríficas de absorción se integrandentro del mismo grupo de producción de frío que lasconvencionales de compresión, ya que el efecto de"generación de frío", o absorción de calor a bajatemperatura, se consigue por evaporación de un líquidoa baja presión La diferencia entre estos dos métodosa baja presión. La diferencia entre estos dos métodosestriba básicamente en el procedimiento seguido parala recuperación de los vapores formados durante elpaso de líquido a vapor.

Pag 3 CICLOS ABSORCIÓN-COMPRESIÓNConfiguraciones básicas

Q

QK

Q

QK

Qo

Pc

COMPRESIÓN

Qo

Pb

ABSORCIÓN

QA QG

Pag 4 CICLOS ABSORCIÓN-COMPRESIÓNDiferencias básicas

En las máquinas de absorción, las funciones propias delcompresor se encomiendan a dispositivos independientes:

La aspiración de vapores de refrigerante, procedentes deevaporador, se produce como consecuencia de la afinidad quepor estos presenta una solución líquida almacenada en unrecipiente (absorbedor) conectado al evaporador. Como luegose verá, esta absorción tiene un carácter exotérmico en lasmezclas utilizadas en la práctica, lo que va a requerir unacesión de calor a un agente exterior.

El aumento de presión, hasta el nivel de condensación, tienelugar en una bomba que trasiega la solución líquida resultanteen absorbedor (rica en refrigerante). Dado que la compresiónse realiza sobre un fluido líquido, la potencia necesaria deaccionamiento es muy inferior a la que se precisa en elcompresor de una máquina ditérmica de compresión.

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Pag 5 CICLOS ABSORCIÓN-COMPRESIÓNDiferencias básicas

Resulta evidente que con los procesos descritos se obtiene una mezclalíquida (rica en sustancia refrigerante - pobre en sustancia absorbente)que no puede ser enviada hacia el condensador, sino que previamente debellevarse a efecto la separación del refrigerante para que puedaprocederse a su reutilización. Esta separación tiene lugar en eldenominado generador y se produce por adición de una potencia por víacalorífica, cuyas consecuencias son; por un lado la producción de unacorriente de vapores de refrigerante puro (o con una débil presencia deabsorbente), y en segundo lugar se origina una solución líquida pobre enrefrigerante (concentrada en absorbente) que es enviada al absorbedorrefrigerante (concentrada en absorbente) que es enviada al absorbedor,previa laminación, para reanudar la absorción de vapores de refrigeranteformados en evaporador.

Debemos hacer notar que la necesidad de introducir una potenciacalorífica, a nivel del generador de una instalación de absorción, es lo quele confiere sentido al concepto de sistema tritérmico, ya que la máquinainteracciona básicamente con tres fuentes térmicas externas; por un ladola fuente fría de utilización en caso de máquina frigorífica, en segundolugar el agente de condensación (que vamos a considerar se utiliza tambiénpara extraer calor del absorbedor), y por último la fuente de mayor niveltérmico utilizada en el generador.

Pag 6 LAS MÁQUINAS DE ABSORCIÓNEVOLUCION

La realización de la primera máquina de absorción, llevada a cabo por FerdinandCarré (1857), y su presentación en la exposición universal de Londres, provocó unagran conmoción, no sólo por el hecho de la "fabricación industrial del frío", sinotambién por la paradoja de utilizar calor en dicha producción. Posteriormente suhermano Edmond Carré ponía a punto una nueva máquina para el enfriamiento debebidas que seguía el mismo procedimiento. El apellido CARRE había entrado en lahistoria de la producción de frío como uno de sus pilares básicos, tanto por suaportación de un método de producción, como por ser los primeros en utilizaramoníaco como fluido refrigerante.

Sea por el hecho de su temprana, y relativamente fácil puesta a punto, o por lasd f l d ló d l ó d d l ó

p p y p p pdificultades tecnológicas asociadas a la construcción de compresores de utilizaciónfiable, la máquina frigorífica de absorción vivió una época de esplendor, rota por laintroducción en el mercado de instalaciones de compresión de mayores prestacionesenergéticas, lo que relegó a la absorción a dominios muy reducidos de aplicación o alespecíficamente propio de aprovechamiento de una fuente residual de bajo coste.

El olvido de la máquina de absorción, que no fué amortiguado ni siquiera por laspropuestas de mejora debidas a Altenkirsch, parece puede detenerse actualmente,no sólo en base a su utilización primigénia como máquina frigorífica, sino comosistema capaz de conseguir revalorizaciones energéticas.

LOS SISTEMAS TRITERMICOS

BASE TERMODINAMICABASE TERMODINAMICA

Pag 8 SISTEMAS TRITÉRMICOSInteracciones con el exterior

Fuente alta T. (TG)

QGFuente int. T. (Tm)

Q0

Fuente baja T. (T0)

QM = QK+QA

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Pag 9 SISTEMAS TRITÉRMICOSBase termodinámica

Primer Principio. Conservación de la energía.

se ha despreciado la potencia de la bomba decirculación de la solución rica en refrigerante al ser

0 Q + Q + Q MGo ≈

circulación de la solución rica en refrigerante, al seresta mucho menor a las de tipo calorífico puestas enjuego.

Segundo Principio

Δ uo

o

G

G

M

KS = -

QT

- QT

- QT

0≥

Pag 10 SISTEMAS TRITÉRMICOSComportamiento ideal

Suponiendo procesos reversibles, la combinación de ambosprincipios conduce a la expresión de la efectividad (COP) de lamáquina como "productor de frío", es decir:

MFo G K o=

QQ =

T - TT

T

T T ε

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

La efectividad se ha expresado como producto de dos factores,el primero de los cuales es el valor del rendimiento de una máquinageneradora de Carnot que evoluciona entre las temperaturas "TG"y "TK", por tanto inferior a la unidad. El segundo es el rendimientopropio de una máquina frigorífica ditérmica entre "TK" y "T0".

MFG G K oQ T T - T⎣⎢ ⎦⎥ ⎣⎢ ⎦⎥

Pag 11 SISTEMAS TRITÉRMICOSSubdivisión en máquinas ditérmicas

T

Q

M1P

G

G

Máquina generadora

Q'T

M

TQ

P

TQ"

M2

M

oo

Máquina frigoríficaditérmica

Pag 12 SISTEMAS TRITÉRMICOSSubdivisión en máquinas ditérmicas

T

TG

QGT

QG

P M1

TM

T0

S

Q0

QK QA

SISTEMA TRITÉRMICO

S

Q0

Q’ P M2

Q”

SUSBDIVISIÓN EN DITÉRMICOS

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Pag 13 EFICIENCIAComparación con compresión

De todo el análisis llevado a cabo se podría derivar como conclusión quela eficiencia de una máquina frigorífica de compresión siempre es superiora la de absorción que trabaje entre las mismas temperaturas decondensación y evaporación. Sin embargo, la validez de este razonamientoes discutible debido a dos razones fundamentales:

En primer lugar, no se ha considerado en ningún momento de ladiscusión el camino seguido en la obtención de la energía deaccionamiento del compresor de la máquina ditérmica. En este sentidodebemos recordar que si la energía proviene de una centralm q g pconvencional habría que considerar las pérdidas que en ella seproducen, y que los rendimientos en estas plantas se mueven en elorden del 40% sobre el potencial del combustible utilizado en elproceso de transformación de la energía calorífica a eléctrica, aménde otras pérdidas en transporte etc..

En segundo lugar, cabe considerar la posibilidad de utilización de unafuente gratuita de calor a temperatura suficiente para alimentaciónde generador, con lo que la eficiencia económica de la máquinaaumenta de forma considerable.

Pag 14

QG

QMQ0

3

SISTEMAS TRITÉRMICOSModos de funcionamiento

QGQG

QMQ0

2

QG

QMQ0

4

QM

1

1

1 1

QG

QMQ0

5

Pag 15 SISTEMAS TRITÉRMICOSModos de funcionamiento

Zonas “1”.- Funcionamiento imposible (ya que seincumple el 2º Principio).

Zona “2”.- Dos posibilidades:Máquina frigorífica.Bomba de calorBomba de calor.

Zonas “3” y “4”.- La máquina trabaja del modo dedegradación de energía.

Zona “5”.- Funcionamiento como sistema derevalorización de la energía desde un nivel bajo a otromayor. Transformador de calor.

Pag 16 LAS MÁQUINAS DE ABSORCIÓNCampos de aplicación

ABSORCIÓN

MAQ. FRIGORIFICA

CALOR DESHECHO

ENERGÍA SOLARCOGENERACIÓN

BOMBA CALOR

GRANDES AREAS

TRANSF. CALOR

REVALORIZACIÓN

5

Pag 17 FLUIDO REFRIGERANTERequerimientos

Presión de vapor baja, para altos niveles térmicos,para reducir espesor equipos.

Temperatura de congelación muy inferior a la mínimade la máquina.

Conductividad térmica elevada.Conductividad térmica elevada.Térmicamente estables.

Pag 18 ABSORBENTERequerimientos

Presión de vapor baja a alta temperatura, para lograruna buena separación.

Estable y no corrosivo.Viscosidad mínima.Bajo punto de congelaciónBajo punto de congelación.Permanecer en fase líquida.

Pag 19 MEZCLAS REFRIGERANTESRequerimientos

Alta desviación negativa respecto a la ley de Raoult.Gran afinidad por los vapores del fluido usado como

refrigerante.No inflamable, tóxico o corrosivo.

Pag 20 MEZCLAS REFRIGERANTESUso práctico

Resulta obvio señalar que ninguna de las mezclas, que se utilizanen las instalaciones industriales, cumple con la totalidad de losrequisitos enumerados, a pesar de la gran cantidad de pruebas quese han llevado a cabo con distintos componentes. No vamos areferenciar aquí todas las sustancias que potencialmente tienenaptitudes suficientes para asegurar unas prestaciones mínimas,sino los dos pares de mayor incidencia industrial, que correspondena:

La mezcla amoníaco (refrigerante) - agua (absorbente),solución utilizada especialmente en el dominio de lastemperaturas negativas.

La mezcla agua (refrigerante) - bromuro de litio(absorbente), solución cuyo uso se ve limitado al dominio de lastemperaturas positivas, ya sea como máquina frigorífica enacondicionamiento de aire, ya en unidades de bomba otransformador de calor. Es sobre este par que van a centrarselos desarrollos posteriores.

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Pag 23 LA MEZCLA BrLi-H2OVentajas

La utilización de agua como refrigerante es favorabledebido a su elevado calor latente de vaporización,superior al de cualquier otro fluido frigorígeno.

Su carácter de no tóxico, ni inflamable.No se hace necesaria una rectificación de los vaporesNo se hace necesaria una rectificación de los vapores

a la salida del generador, ya que durante la separaciónse genera una corriente prácticamente pura de vaporde agua.

Fuerte desviación negativa de la solución respecto alcomportamiento según la ley de Raoult.

Pag 24 LA MEZCLA BrLi-H2OInconvenientes

El inicialmente mencionado de restringir el dominio de aplicación al campo de lastemperaturas positivas, lo que no representa problema alguno en caso defuncionamiento como bomba o transformador de calor.

Altos volúmenes específicos del vapor de agua a bajas temperaturas, lo que noconstituye un gran inconveniente en sistemas tritérmicos, sí en los ditérmicas decompresión.

Con agua como refrigerante, excepto en alta temperatura, se correspondenpresiones inferiores a la atmosférica, lo que conduce a una necesidad imperiosa deestanqueidad en los elementos de la instalación para asegurar un correctofuncionamiento.

Existe el peligro de cristalización de la solución para ciertas condiciones deconcentración y temperatura, con los consiguientes problemas que de ello sederivan.

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AGUA. PUNTO DE EBULLICION

rere

212°F212°F[100°C][100°C]

rere

212°F212°F[100°C][100°C]

ature

ature

115°F115°F[46.1°C][46.1°C]

ature

ature

115°F115°F[46.1°C][46.1°C]

tempe

ratur

tempe

ratur

pressurepressure14.7 14.7 psiapsia[0.10MPa][0.10MPa]

tempe

ratur

tempe

ratur

pressurepressure14.7 14.7 psiapsia[0.10MPa][0.10MPa]

1.5 1.5 psiapsia[10.34 [10.34 kPakPa]]

0.15 0.15 psiapsia[1.034 [1.034 kPakPa]]

tempe

ratem

pera

pressurepressure

45°F45°F[7.2°C][7.2°C] 1.5 1.5 psiapsia

[10.34 [10.34 kPakPa]]0.15 0.15 psiapsia[1.034 [1.034 kPakPa]]

tempe

ratem

pera

pressurepressure

45°F45°F[7.2°C][7.2°C]

Diagrama de Duhring u Old-Ham

Un diagram de Duhring muestra la relación entre lapresión de vapor y la solución de la mezcla refrigeranterespecto a la presión, temperatura y concentración enel equilibrio.

LA MEZCLA BrLi-H2ODiagrama de Duhring u Old-Ham

LA MEZCLA BrLi-H2ODiagrama de Duhring u Old-Ham

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LA MEZCLA BrLi-H2ODensidad

LA MEZCLA BrLi-H2ODensidad

LA MEZCLA BrLi-H2ODiagrama h-x

LA MEZCLA BrLi-H2ODiagrama h-x

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LA MEZCLA BrLi-H2ODiagrama s-x

LA MEZCLA NH3-H2ODiagrama de Duhring u Old-Ham

LA MEZCLA NH3-H2ODiagrama h-x