refrigeraciónsolarporabsorción_amontero

REFRIGERACIN SOLAR POR ABSORCIN:

PRINCIPIOS Y REVISIN DE LAS TECNOLOGAS

Dr. Andrs Montero-Izquierdo

26-05-2015

Contenidos

1. Situacin energtica

2. Breve historia de la tecnologa de absorcin

3. Principios bsicos de la tecnologa de absorcin

4. Estado del arte de sistemas de refrigeracin solar por

absorcin

5. Simulacin de sistemas

Refrigeracin solar por absorcin: principios y revisin de las tecnologas

1. SITUACIN ENERGTICA

1.1 Consumo de energa por sectores

1971-2007: Crecimiento del 1,7% (transporte, edificaciones e industria)

2007-2050: Crecimiento del 1,3%

Transporte: 1,6%

Industria: 1,3%

Edificaciones: 1,1%


Nota: A partir del 2007 es una proyeccin

(escenario base: no se incorporan polticas

energticas ni de cambio climtico). Energy

Technology Perspectives 2010. IEA

OECD

1. SITUACIN ENERGTICA

1.2 Edificaciones


Mundo:

1971-2007: Crecimiento del 1,6%

Residencial: 1,4%

Servicios: 2,2%

Europa (EU-27): En 2007, el consumo de

electricidad en ambos sectores represent

el 55% del consumo total elctrico.

1999-2004: Servicios: 15,6%

Residencial: 14%

Energy Technology Perspectives 2010. IEA

Espaa: (valores estimados para el ao

2010)

17.3% 20.6%

22.0%

3.9%

3.3%27.4%

31.1%

47.1%

26.2%

1.0%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Services ResidentialF

ina

l e

ne

rgy c

on

su

mp

tio

n [

% ]

Refrigeration

Heating

Hot water

Lightning

Equipment

Plan de Ahorro y Eficiencia Energtica 2011-2020. IDAE 2011

2. BREVE HISTORIA: ABSORCIN

2.1 Tecnologa de absorcin*

El fundamento de la refrigeracin por absorcin se conoce desde hace muchos aos.

En 1777, el escocs Gerald Nairne experiment con cido sulfrico y agua para producir hielo.

En 1810, John Leslie, profesor de Matemticas y Fsica de la Universidad de Edimburgh, construy un aparato basado en este principio.

Aos ms tarde, el francs Edmond Carr tom estas ideas y desarroll un motor accionado por vapor que se produca en un equipo de absorcin funcionando con

una mezcla de agua y cido sulfrico.

En 1858, su hermano Ferdinand Carr patent la primera mquina de refrigeracin de amonaco/agua para la fabricacin de hielo. Entre las futuras aplicaciones se

encuentran:


o elaboracin de hielo

o aire acondicionado

o fabricacin de vino y cerveza

o desalinizacin de agua de mar

o concentracin de lquidos para la

congelacin y separacin del agua

o extraccin de parafinas a partir de petrleo

o concentracin de soluciones para la

obtencin de sales * Tomado: Fundamentos termodinmicos (A.Coronas)


2.1 Tecnologa de absorcin

A partir de 1880 los equipos de compresin de vapor inventados por el alemn Carl von Linde empezaron a reemplazar a las de absorcin, y a finales de siglo,

prcticamente ya no quedaba ninguna aplicacin con mquinas de absorcin.

En los aos 1920 (despus de la Primera Guerra Mundial) renace el inters por las mquinas de absorcin debido al encarecimiento y escasez de la energa. Edmond

Altenkirch sent en esta poca las bases de la transformacin del calor.

Entre 1920 y 1925, Borsig Company en Berlin (Alemania) construy diferentes mquinas segn los diseos de Altenkirsh (la mayor mquina de refrigeracin de la

poca de ms de 4MW para refrigerar a -20C).

Rpidamente, aparecen nuevos fabricantes en Gran Bretaa, Holanda, Blgica, Italia (Maiuri Corporation), Rusia.




En 1922, dos jvenes estudiantes de ingeniera, Baltzar von Platen y Carl Munters del Royal

Institute of Technology en Estocolmo,

presentaron un proyecto final de estudios que

despert mucho inters. Se trataba de una

mquina de refrigeracin de absorcin que

funcionaba con calor procedente de electricidad

o combustin de gas, propano o keroseno .

En 1923 se crean dos empresas que comienzan a desarrollar el nuevo producto.

Al poco tiempo Electrolux se interes rpidamente por el nuevo producto, compr las

dos empresas y en 1925 introduce el primer

frigorfico en el mercado. El primer modelo con

una capacidad de 91 litros utilizaba agua para

disipar el calor.




En 1927, se asocia con la empresa americana SERVEL para construir y comercializar estos frigorficos en Estados Unidos.

En 1930 se introduce la primera unidad condensada por aire. En 1936 Electrolux ya haba fabricado el primer milln de equipos convirtiendo el

equipo en habitual en los hogares de la clase media.

En 1950 los refrigeradores mejoran de forma significativa y funcionan con un 30% menos de energa. La competencia de la tecnologa de refrigeracin por

compresor se endurece. Se presenta el primer refrigerador para caravanas.

Para 1960 la refrigeracin por absorcin ve un renacimiento debido al aumento de la demanda de refrigeradores para caravanas. AB Electrolux funda una filial en

los EE.UU. Dometic Sales Corporation para comercializar refrigeradores para

caravanas y otros equipos recreativos bajo la marca Dometic.

En 1980 se da una gran demanda de refrigeradores para vehculos de recreo tras la primera crisis del petrleo.



2.2 Tecnologa de absorcin para climatizacin*

En 1929, el Dr. Taylor para Servel realiza estudios acerca de las propiedades ms favorables de la combinacin refrigerante-absorbente.

En 1937, el Dr. Zellhoeffer de Williams Oil-O-Matic Corporation extiende la bsqueda de fluidos potencialmente interesantes para los sistemas de absorcin.

En 1941, la American Gas Association con apoyo industrial lanz el primer programa de I&D en aire acondicionado a gas. Empresas fabricantes pioneras: Servel, Carrier, Mills,

Williams. El primer equipo operando con BrLi se instal en 1949 construido por SERVEL.

CARRIER construye el primer equipo de gran capacidad para aplicaciones de aire

acondicionado a gas del sector comercial.

En los aos 60 las plantas enfriadoras de agua por absorcin haban ganado una buena cuota de mercado en el mbito residencial, situacin que se mantuvo durante una dcada.

La "crisis energtica" de los aos 70 llev al gobierno de los EE.UU. a limitar el uso del gas natural como combustible debido a los esperados dficits de suministro. Aunque dichas

previsiones nunca se materializaron, el dao a la industria de la absorcin ya estaba hecho.

Las tres compaas norteamericanas constructoras de mquinas de absorcin vieron como

su negocio se hunda y la produccin de equipos de absorcin se redujo a menos del 10 %

de los niveles de produccin anteriores.


* Tomado: Fundamentos termodinmicos (A.Coronas)


2.2 Tecnologa de absorcin para climatizacin

Japn, a diferencia de EE.UU., apost por la climatizacin por absorcin debido al elevado costo

de la energa elctrica. Japn promocion la

utilizacin del gas natural e inici un agresivo

programa para estimular la investigacin en

absorcin.

En los aos 1960, los fabricantes japoneses fueron los primeros en desarrollar e introducir las

enfriadoras de doble efecto de llama directa

(1967) , que hoy en da contabilizan la mayora de

las ventas de enfriadoras de agua a absorcin en el

mundo.

Las compaas japonesas instalaron enfriadoras de agua por absorcin en complejos de oficinas,

hospitales, centros recreativos, distritos y escuelas.

Las enfriadoras de agua por absorcin fueron

consideradas rpidamente como unos sistemas de

acondicionamiento de aire de calidad.


Fuente: History of U.S. market in chillers


2.2 Tecnologa de absorcin para climatizacin

En los aos 70 y 80, se comercializaron en los Estados Unidos las enfriadoras de agua de amonaco-agua y los equipos del tipo bombas de calor.

Entre los aos 80 y 90, tuvo lugar un gran auge de esta tecnologa debido a: o un fuerte impacto de la problemtica medioambiental (CFCs).

o la instalacin de plantas de cogeneracin en la industria y el sector

terciario.

o la utilizacin de calor residual para accionar equipos de absorcin.

Tambin en estos ltimos aos el gran crecimiento econmico que de forma continuada est experimentando China, y la falta de energa elctrica

suficiente, explican el gran auge que ha tenido esta tecnologa con la

implantacin masiva de las mquinas de refrigeracin por absorcin en el

sector de la climatizacin de edificios as como en el industrial.


3. PRINCIPIOS BSICOS: ABSORCIN

3.1 Ciclo de compresin mecnica de vapor

El ciclo de compresin mecnica de vapor se basa en el principio de enfriar mediante

la evaporacin de un fluido refrigerante (efecto frigorfico) que tiene lugar en el

evaporador gracias al calor extrado del medio a enfriar; estos vapores de refrigerante

son a continuacin presurizados de forma que puedan ser condensados en el

condensador cediendo el calor al medio ambiente.


QC

C G

QE

Vapor

refrigerante

Vapor

refrigerante

Lquido

refrigerante

Solucin

concentrada

E A

Solucin

diluida

VE ICS

B

QG

QA

QC

C

QE

Lquido

refrigerante

E

VE CMW

Compresor

mecnico

Compresor trmico


3.2 Ciclo de absorcin

En el ciclo de absorcin, el compresor mecnico es reemplazado por un compresor

trmico, el cual consta de un generador (G), un absorbedor (A), un intercambiador de

calor de solucin (ICS), una bomba de solucin (B) y una vlvula de expansin. El

intercambiador de calor de solucin se requiere para mejorar la eficiencia energtica

de forma que la solucin procedente del absorbedor es precalentada por la solucin

que sale del generador con el consiguiente ahorro de energa en la energa trmica

consumida en el generador y la disminucin de la disipacin de calor en el

absorbedor.


QC

C G

QE

Vapor

refrigerante

Vapor

refrigerante

Lquido

refrigerante

Solucin

concentrada

E A

Solucin

diluida

VE ICS

B

QG

QA

QC

C

QE

Lquido

refrigerante

E

VE CMW

Compresor

mecnico

Compresor trmico

QC

C G

QE

Vapor

refrigerante

Vapor

refrigerante

Lquido

refrigerante

Solucin

concentrada

E A

Solucin

diluida

VE ICS

B

QG

QA

QC

C

QE

Lquido

refrigerante

E

VE CMW

Compresor

mecnico

Compresor trmico

Ciclo de compresin

Ciclo de absorcin H2O/LiBr

Balance de energa

+ = +

Coeficiente de operacin

=


3.3 Clasificacin: equipos de refrigeracin por absorcin

Mtodo de activacin o Directa o de llama directa

o Indirecta

Fluido de trabajo (ms utilizados) o Agua / Bromuro de litio

o Amoniaco / Agua

Configuracin o Simple efecto

o Doble efecto

o Triple efecto

Mtodo de condensacin o Por aire

o Por agua

Capacidad o Alta potencia (> 500 kW)

o Media potencia (>50 kW y < 500 kW)

o Baja potencia (< 50 kW)


Fuente: Solar-powered systems for cooling,

dehumidification and air-conditioning. Grossman, 2002.


3.4 Propiedades de los fluidos de trabajo


Propiedad Agua/Bromuro de Litio Amoniaco/Agua

Refrigerante

Alto calor latente Excelente Buena

Presin de vapor moderada Demasiado baja Demasiado alta

Baja temperatura de congelacin Aplicacin limitada Excelente

Baja viscosidad Buena Buena

Absorbente

Presin de vapor baja Excelente Baja

Baja viscosidad Buena Buena

Mezcla

No llega a solidificarse Aplicacin limitada Excelente

Baja toxicidad Buena Baja

Alta afinidad entre refrigerante y

absorbente Buena Buena


3.5 Configuraciones: Doble efecto (H2O/LiBr)


Doble efecto, flujo en paralelo Doble efecto, flujo en serie Doble efecto, flujo en serie invertido

QC

C

QE

E A

VE ICSB

B

QA

CA GA

VE ICSA

B

QG

QC

CB

QE

E A

VE

B

QA

G

VE

QG

GB

ICSB

CA

ICSA

GB CB

E A

VE ICSB

B

QA

CA GA

VE ICSA

B

QG

GB


3.6 Configuraciones: Triple efecto (H2O/LiBr)


ED SHX

ED SHX

HC

QC LC

EQE

P

P

A QA

QGHG

LG

ED SHX

MG

P

MC


3.7 Configuraciones: Simple efecto (NH3/H2O)


SHX

E A

C

1

10

2 5

6

48

9

14

17

16

15

13

12

11

7

3 G

Rectifier


3.8 Configuraciones: GAX (NH3/H2O)


Generator Absorber heat eXchanger QC

EQE

C R

P

G QG

A

RHX

QA

QINT


3.9 Configuraciones: Parmetros


Parmetros / Fluidos H2O / LiBr NH3 / H2O

Efecto SE DE TE SE GAX

Capacidad frigorfica

nominal [kW] 4,5-7000 17-20000 530-1400 12-1000 10-250

COPth 0,60-0,75 1,10-1,30 1,40-1,70 0,50-0,70 0,70-0,90

Rango de temperatura

de activacin [C] 70-120 120-170 200-250 70-140 150-220

Fuente: Modelling of small capacity absorption chillers driven by solar thermal energy or waste heat. JLabus, 2011

4. ESTADO DEL ARTE: RSA

4.1 Enfriadoras de absorcin para refrigeracin solar


Fabricante Pas Tipo Fluido de

trabajo

Capacidad

nominal

[kW]

COP

Fuente

activacin

[C]

Aplicacin

AGO Alemania SE NH3-H2O 50 0,61 HW/95 R

Pink Austria SE NH3-H2O 10/12 0,63 HW/85 AC/R

Robur Italia SE NH3-H2O 17,7/12,8 0,70/0,53 PHW AC/R

Solarice Alemania SE NH3-H2O 25/40 0,60 HW/80 R

Climatewell Suecia SE+ALM H2O-LiCl 10 0,68 HW/110 AC

EAW Wergcall Alemania SE H2O-LiBr 15/30 0,75 HW/90 AC

Sonnenklima Alemania SE H2O-LiBr 10 0,78 HW/75 AC

Thermax India SE H2O-LiBr 17,5/35 0,70 HW/90 AC

Yazaki Japn SE H2O-LiBr 17,6/35 0,70 HW/88 AC

Broad China DE H2O-LiBr 16/115 1,20 PHW/160 AC

Broad China DE H2O-LiBr 174 1,34 PHW/180 AC

Thermax India TE H2O-LiBr 100 1,70 PHW/210 AC


4.2 Sistemas de refrigeracin solar para edificios


Sitio Capacidad

instalada [kW]

Tipo de

chiller

rea apertura

[m2]

Captador

solar Aplicacin Ao

Raleigh (EE.UU.) 176 DE 470 PTC Oficina 2002

Dalaman (Turqua) 140 DE 180 PTC Hotel 2004

Gebze (Turqua) 260 DE 324 PTC Oficina, aulas 2006

Sevilla (Espaa) 174 DE 352 LFC Oficina, aulas 2008

Pittsburg (EE.UU.) 16 DE 52 PTC Experimental 2008

Brisbane (Australia) 295 DE 570 PTC Hospital 2008

Long Island (EE.UU.) 348 DE 348 PTC Industria 2009

Masdar (UAE) 176 DE 334 | 132 PTC | LFC Oficina 2010

Lusail (Qatar) 750 DE 1408 LFC Estadio 2011

Gurgaon (India) 100 TE 288 PTC Experimental 2011

Antalaya (Turqua) 250 DE 423 PTC Supermercado 2008

Hermosillo (Mxico) 291 SE 1536 PTC Oficina 2013


4.2 Sistemas de refrigeracin solar para edificios


5. SIMULACIN DE SISTEMAS

5.1 Software


EBSILON Professional

INSEL

TRNSYS


5.2 Simulacin


Ubicacin: Sevilla (Espaa)

Coordenadas: 37.4N, 5.9W

DNI: 7.5 kWhm-2da-1 (Mayo-Octubre)

DNI: 5.5 kWhm-2da-1 (anual)

Parmetros Compon. Valor Unidades

Coef. de transf.

de calor

Pared ext. 0,82

Wm-2K-1 Techo 0,45

Piso 0,52

Ventanas

(30%) 4,43

Parmetros geomtricos

Dimensiones

Longitud 48 m

Ancho 24 m

Altura 6 m

Factor

geometra 2,8 m3m-2

Nmero de

pisos 2 -

rea til 2304 m2

Tasa de cambio

de aire 0,4 h-1


5.2 Simulacin


0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

ETC+SE/AC LFC+DE/AC PTC+DE/AC CS

Ele

ctri

city

co

nsu

mp

tio

n [

kW

h ]

Cooling system's configurations - Seville

CT fan Pump 1 Pump 2 Pump 3 Pump 4 Pump 5 Chiller_comp

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0

10

20

30

40

50

60

70

80

ETC+SE/AC LFC+DE/AC PTC+DE/AC

CO

P /

So

lar

fra

ctio

n

An

nu

al

them

al

ener

gy

co

nsu

mp

tio

n [

MW

h ]

Solar cooling configurations - Seville

Solar system Auxiliar system COP Solar fraction

Type

1288

Colle

ctor

Type709

Pipe

Type709

Pipe

Type110

Pump1

Type91

Heat

exchanger

Type709

Pipe

Type81X

Abs. chiller

Type709

Pipe

Type709

Pipe

Type4a

Tank 1

Type110

Pump2

Type11h

Tee piece

Type110

Pump3

Type6

NG boilerType709

Pipe

Type110

Pump5 Type510

Cooling tower

Type110

Pump4

Type4a

Tank 2

Type709

Pipe

Type709

Pipe

Type110

Pump

Type682

Cooling

load

Type11f

Flow

diverter

refrigeraciónsolarporabsorción_amontero

Documents