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REFRIGERACION POR ABSORCION

J.M.Arroyo Rosa Pgina 1

Sistema de refrigeracin por absorcin

Funcionamiento de una mquina deaire acondicionado a absorcin

Desde hace ms de veinte aos, las mquinas comercializadas de ms rendimiento

(japonesas o construidas bajo licencia en los Estados Unidos) son o bien las de tipo

amonaco / agua, o "de efecto simple", o bien mquinas agua / bromuro de litio, o "de

doble efecto".

Refrigeracin con Amonaco

El amonaco tiene un coeficiente de transferencia de calor mayor que el R-22,por sus propiedades termodinmicas y de transporte

La refrigeracin es un proceso conocido de mucho tiempo atrs.

En el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriaragua; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autorescomo Boyle, Faraday
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(con sus experimentos sobre la vaporizacin del amonaco) hacen los primerosintentos prcticos de produccin de fro.

En 1834, Perkins desarrolla su patente de mquina frigorfica de compresin deter y en 1835 Thilorier fabrica nieve carbnica por expansin; Tellier construyla primera mquina de compresin con fines comerciales, Pictet desarrolla unamquina de compresin de anhdrido sulfuroso.

El Amonaco fue el primer refrigerante utilizado en plantas de refrigeracin pormedio de compresin mecnica en 1876 por Carl von Linde.

Desde entonces, se ha venido utilizando en grandes plantas de refrigeracincomo son lecheras, cerveceras, rastros y otros lugares con gran-desdemandas de enfriamiento.

Al da de hoy, el amonaco permanece como el refrigerante ms utilizado ensistemas de refrigeracin industrial para procesar y conservar la mayora de losalimentos y bebidas.

El amonaco ha estado en el liderazgo de los avances de la tecnologa en refri-geracin, siendo parte esencial del procesamiento, almacenamiento y logsticade distribucin de los alimentos.

Clasificado por ASHRAE con R-717, dentro del grupo de refrigerantes natura-les, no destruye la capa de ozono y no contribuye al efecto invernadero asocia-do al calentamiento global.

De hecho el amonaco, es un compuesto encontrado en la naturaleza comn-mente.

Es esencial en el ciclo del nitrgeno de la tierra y su liberacin a la atmsferaes inmediatamente reciclada.

Esto lo hace consistente con los acuerdos internacionales respecto a la reduc-cin del calentamiento global y destruccin de la capa de ozono.

Una adecuada evaluacin del impacto ambiental de los refrigerantes y los sis-temas de refrigeracin requiere la consideracin tanto de su impacto directocomo indirecto en el calentamiento global.

Directamente los sistemas de refrigeracin contribuyen al calentamiento glo-bal, a travs del efecto invernadero causado por las fugas de gases refrigeran-tes.

Indirectamente contribuyen al calentamiento global por la produccin de emi-

siones de dixido de carbn como resultado de la conversin de combustiblesfsiles en la energa requerida para operar los sistemas de refrigeracin.

El impacto total equivalente de calentamiento o TEWI, es definido como lasuma de estas contribuciones directas e indirectas.

El valor TEWI del amonaco es muy bajo, ya que por s mismo no contribuye alcalentamiento global. Debido a sus caractersticas termodinmicas favorables,los sistemas de refrigeracin con amonaco emplean menos energa que losotros refrigerantes comunes.

Como resultado, hay un beneficio indirecto al calentamiento global debido a lasmenores emisiones de CO2de las plantas generadoras de electricidad.
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Propiedades del Amonaco Temperatura de autoignicin: 690C (1274 F)Lmite Inferior de Inflamabilidad (LII): 16%Lmite Superiorde Inflamabilidad (LSI): 25%

-El Amonaco es un combustible moderado, y considerado por expertos dentrodel sector qumico industrial relativamente como no combustible.

La energa de combustin del amonaco es menor que su energa de auto-ignicin, esto significa que el amonaco no puede mantenerse encendido por smismo sin una fuente externa de ignicin, aunque la misma fuente haya inicia-do el fuego.

El Amonaco en altas concentraciones es extremadamente txico,pero su fuer-te olor es una excelente alarma.

La concentracin de amonaco donde su olor no puede ser soportado (alrede-

dor del 0.03% en volumen), no es daino, siempre y cuando se est expuesto al slo por un periodo de tiempo limitado (an despus de ms de una hora, nohay efectos negativos notorios en la salud de las personas).

El costo del amonaco es mucho menor que cualquier refrigerante sinttico, demanera general cuesta de un 10 a un 20% menos en instalacin.

Termodinmicamente, el amonaco es de 3 a 10% ms eficiente que los otrosrefrigerantes; como resultado, un sistema de refrigeracin de amonaco tienemenor consumo elctrico.

El costo del amonaco por s mismo es significativamente menor que el de los

otros refrigerantes, y se requiere de una menor cantidad para la misma aplica-cin que otros refrigerantes y al ser una sustancia natural, no tiene una fechalmite en que se pueda producir o usar, a diferencia de otros refrigerantes sint-ticos cuyo uso o produccin est limitada a una cierta cantidad de aos.

Tabla 1: Propiedades Termodinmicas (-8C)PROPIEDAD AMONACO R-22Calor especfico (KJ/Kg C) 4.65 1.15Conductividad trmica

(W/m C)

0.55 0.10

Viscosidad (cP) 0.20 0.25

-

Tabla 2: Coeficiente de Transferencia de Calor (W/m2 C)AMONACO R-22

Condensando en el exterior de los tubos 3500-7000 1000-2000Condensando en el interior de los tubos 2500-6000 1000-1800Evaporando en el exterior de los tubos (Circula-cin con bomba)

600-6000 300-3500

Evaporando en el interior de los tubos (Circula-cin con bomba)

1000-6000 450-1800
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Tabla 3: Coeficiente de funcionamiento o de efecto frigorfico*COP TERICO (+30/-15 C)

COP =Capacidad de enfria-mientoConsumo deenerga

= kWkW

Amonaco R-223.37 3.18

*La cantidad de refrigeracin obtenida de una mquina dividida

entre la cantidad de energa que se requiere aportar para conseguir

esta refrigeracin (ASHRAE, 1993)

El amonaco tiene un coeficiente de transferencia de calor mayor que el R-22,

principalmente por sus propiedades termodinmicas y de transporte.Los valores para estas propiedades en relacin con el R-22 son las si-

guientes:

Calor especfico de lquido y vapor: 4 a 1

Calor latente en la vaporizacin: 6 a 1

Conductividad lquida termal: 5.5 a 1

Viscosidad: 0.8 a 1

Densidad liquida: 0.5 a 1

La tasa de flujo de la masa para una capacidad de refrigeracin dada de amon-aco es de 1/7 menos que el R-22, lo que tiene un efecto significante sobre eltamao de las tuberas y sobre la circulacin del lquido.

Esto significa que slo 1/7 del lquido necesita ser bombeado para una capaci-dad de refrigeracin dada, resultado de esto, es una bomba de menor tamaoque utiliza menos potencia, y en tuberas de menor tamao.

Plantas de Refrigeracin con Amonaco

Las plantas de refrigeracin por compresin (ver figura 1)constan de un evapo-rador, en el que se evapora el refrigerante (amonaco) produciendo fro; un sis-tema de compresin para transportar el vapor a baja presin del evaporador alcondensador a alta presin; y el condensador en el que condensa el refrigeran-te disipando el calor generalmente mediante torres de refrigeracin.


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Figura 1. Refrigeracin por compresin

Las plantas de refrigeracin por absorcin (ver figura 2)precisan de un fluidorefrigerante y un fluido absorbente.

Los pares de fluidos refrigerante/absorbente ms usados son el par

agua/bromuro de litio y el par amonaco/agua.

En las plantas que usan el primer par, el refrigerante es el agua por lo que es-tas plantas se usan para aplicaciones a temperaturas por encima de 0C, uti-lizndose principalmente para la climatizacin.


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Figura 2. Refrigeracin por absorcin

Las plantas de refrigeracin con amonaco/agua lo usan como refrigerante y

tienen el campo de aplicacin desde 0C hasta -70C.

En plantas de refrigeracin por absorcin el compresor mecnico es sustituidopor un compresor qumico o trmico.

El vapor de baja presin procedente del evaporador, en vez de ser comprimidopor un compresor mecnico, es absorbido por una solucin diluida de amona-co y agua en el absorbedor.

La solucin cuya concentracin ha aumentado es bombeada al desorbedor,donde ser calentada hasta su ebullicin.

Siendo el amonaco la componente ms voltil en el desorbedor se produce

vapor de amonaco, que condensa en el condensador cerrando as el ciclo derefrigeracin.

El calor producido en el condensador y en el absorbedor suele ser disipadomediante torres de refrigeracin, mientras que el calor aportado en el desorbe-dor es calor residual procedente, por ejemplo de una planta de cogeneracin.

El amonaco como refrigerante tiene la gran ventaja de poder producir refrige-racin a temperaturas de hasta -70C.

Para alcanzar estas temperaturas hacen falta sistemas de compresin de va-rias etapas, por lo que dichas plantas son relativamente complejas.

As la operacin en continuo de dichas plantas es una problemtica, puesprcticamente no existen aceites compatibles con el amonaco, que tengan


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cualidades lubricantes a la temperatura de los compresores y una baja viscosi-dad a -60C.

El aceite que suele acumularse en evaporadores nicamente puede decantarsesi se eleva temporalmente la temperatura.

Todo ello encarece las plantas de compresin y hace necesario un manteni-miento muy riguroso para poder garantizar la fiabilidad necesaria.

Especialmente a estas temperaturas las plantas de refrigeracin por absorcintienen grandes ventajas comparadas con las de refrigeracin por compresin.

Por una parte pueden alcanzar temperaturas de hasta -70C en una simpleetapa y por otra parte no precisan aceites lubricantes por lo que pueden operaren continuo sin necesidad de paradas.

Tradicionalmente siempre se han empleado plantas de refrigeracin por absor-cin con amoniaco en los sectores industriales en los que se precisa refrigera-cin a bajas temperaturas y en los que la disponibilidad de refrigeracin conti-

nua es de gran importancia; en estos sectores generalmente puede aplicarse latrigeneracin.

En las plantas de trigeneracin el calor producido por los sistemas de cogene-racin se usa para cubrir los consumos de calor y para propulsar una planta derefrigeracin por absorcin y as cubrir tambin la demanda de fro.

Estas plantas, al combinar el suministro de calor y de fro, tienen una granflexibilidad, consiguindose una ptima utilizacin del calor generado en la co-generacin.

En general las demandas de refrigeracin a bajas temperaturas suelen serrelativamente constantes y suelen tener una gran inercia trmica.

La planta de refrigeracin por absorcin puede regularse de tal forma que con-suma todos los excedentes de calor (generalmente vapor) dando prioridad alconsumo directo de vapor, consiguindose as un elevado aprovechamiento delcalor producido en la cogeneracin.

Es un compuesto esencial en el ciclo del nitrgeno de la tierra, y su liberacin ala atmsfera es inmediatamente reciclada.

Refrigeracin por Absorcin: Inters Energtico e Impacto Am-biental

El cada vez ms acelerado desarrollo tecnolgico unido a las crecientes nece-sidades de la poblacin mundial ha conducido a un desenfrenado e irracionaluso delos recursos energticos, siendo los sistemas de refrigeracin y aireacondicionado los principales consumidores de sta.

Estos sistemas en gran nmero de empresas gastan de 40 a 70 % del consu-mo total de energa elctrica.

Los sistemas de refrigeracin y acondicionamiento de aire, principalmente losde compresin, son una irona tcnica, pues envan ms calor al planeta quefro a las necesidades de las personas.

Esto supone que si seguimos utilizando los sistemas convencionales conti-

nuar el acelerado calentamiento del planeta y el deterioro de la capa de ozo-no.
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Existen hoy en da algunos mtodos con tecnologa nueva que hacen de lasnecesidades de refrigeracin una opcin menos contaminante.

Los ciclos de absorcin (ver figura 1) por ejemplo, se basan fsicamente en lacapacidad que tienen algunas sustancias, tales como el agua ysales como elBromuro de Litio, para absorber, en fase lquida, vapores de otras sustanciascomo el Amoniaco y el agua, respectivamente.

A partir de este principio es posible concebir una mquina en la que se produceuna evaporacin con la consiguiente absorcin de calor, que permite el enfria-miento de un fluido secundario en el intercambiador de calor que act-acomo evaporador, para acto seguido recuperar el vapor producido disol-viendo una solucin salina o incorporndolo a una masa lquida.

El resto de componentes e intercambiadores de calor que configuran una plan-ta frigorfica de absorcin se utilizan para transportar el vapor absorbido y re-generar el lquido correspondiente para que la evaporacin se produzca demanera continua.

En estos ciclos hablamos siempre de agente absorbente, designando as a lasustancia que absorbe vapores, y de agente refrigerante, o agente frigorfico, ala sustancia que se evapora y da lugar a una produccin frigorfica aprovecha-ble.

Seran absorbentes el agua y la solucin de Bromuro de Litio, y refrigerantes elAmoniaco y agua destilada, en los ciclos de absorcin Agua-Amoniaco y Bro-muro de Litio-Agua, respectivamente.

Consideraciones sobre operacin y mantenimiento

Uno de los rasgos caractersticos de la maquinaria frigorfica de absorcin hasido siempre su hermeticidad y dificultad de comprensin para los operadores.

Por principio, la necesidad de confinar sustancias de cierto riesgo como elAmoniaco, y de mantener depresiones relativas muy altas en su interior, para
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conseguir la evaporacin de refrigerantes, tales como el agua, a temperaturaslo suficientemente bajas para hacerlas utilizables en procesos de refrigeracines algo complejo.

Los tcnicos frigoristas que se encuentran por primera vez delante de una plan-ta enfriadora por ciclo de absorcin, tardan bastante tiempo en comprender quela mayora de los criterios de servicio y reglas del arte vlidas en la refrigera-cin convencional, no son de aplicacin inmediata a las mquinas de absor-

cin.

El comportamiento de los fluidos interiores de la mquina de absorcin, refrige-rante y absorbente, durante el proceso de funcionamiento del ciclo est direc-tamente condicionado por la evolucin energtica de los fluidos exteriores a lamquina; agua a enfriar en el evaporador, agua de la torre de recuperacin, yagua caliente o vapor aportado al concentrador.

El equilibrio energtico entre todos los intercambiadores de calor de la mquinaes el que condiciona la estabilidad del ciclo.

Desde el punto de vista de su operacin y mantenimiento (ver figura 2), lasmquinas de absorcin requieren intervenciones especficas que no son deaplicacin en otro tipo de circuitos frigorficos.

Criterios Actuales de Diseo

Cuando las primeras plantas de absorcin aparecieron en el mercado la tecno-loga electrnica estaba en sus albores.

Hoy en da estas dificultades de acceso e interpretacin se han eliminadoprcticamente, y es mucho ms sencillo e inmediato analizar el comportamien-to de un equipo en unas condiciones dadas.

Este gran avance se debe, fundamentalmente al desarrollo y perfeccionamien-to de las aplicaciones de la microelectrnica al control y gestin de la maquina-ria en general, que tambin se ha hecho patente en las mquinas frigorficas enlos ltimos aos.


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La aplicacin de dispositivos de control basados en microprocesadores, permi-te la utilizacin de todo tipo de sensores de temperatura, presin y concentra-cin, y la utilizacin de lgicas de control que por una parte ponen al alcancede los operadores, de manera inmediata, una informacin importantsima e im-prescindible para el manejo de la mquina, cuya obtencin era como mnimo,

muy laboriosa con los controles utilizados anteriormente; y por otra, facilitan unfuncionamiento ms estable y seguro de las mquinas.

En materia de seguridad y estabilidad de funcionamiento se han aportadograndes mejoras.

As por ejemplo, se ha conseguido que los procesos de entrada en carga,puesta en rgimen y parada de las mquinas, se desarrollen de manera equili-brada y sin riesgo de que se produzcan fenmenos perturbadores.

Desde el punto de vista de resistencia mecnica tambin se han conseguidomejoras importantes.

La utilizacin de aceros aleados de alta resistencia en la fabricacin de las en-volventes permite una construccin ms ligera, y el empleo de tubos de mate-riales inoxidables o de alta resistencia a la corrosin, como el cupronquel, en lafabricacin de haces tubulares de intercambiadores de calor, facilita mejoresrendimientos en la transmisin de calor al tiempo que alarga la vida til de lasmquinas.

Inters Energtico

En todo proceso de definicin de las posibles soluciones a un determinado pro-blema de aprovechamiento de energa consumida, los considerandos que msfuertemente influyen en la decisin tanto de proyectistas como de las propieda-

des se relacionan principalmente como consideraciones de ndole econmica,fundamentalmente por el impacto producido en el ambiente.

El coste inicial de una planta frigorfica de absorcin es superior a la inversinhecha en un equipo de compresin mecnica de la misma capacidad.

La razn para esta diferencia est basada directamente en la muy superiorcantidad de materiales metlicos que son necesarios para la fabricacin de losintercambiadores de calor, en equipos que se basan en procesos termodinmi-cos donde es menor o donde prcticamente no existe aportacin del equivalen-te trmico del trabajo mecnico.

Sin embargo, cuando se analizan los costes de explotacin a partir del valor de

las energas consumibles, la balanza puede desplazarse a favor de los equiposde absorcin, si se dan las condiciones de partida necesarias.

Por otra parte, el concepto de COP (Coefficient of Performance) en refrigera-cin, es sinnimo de Eficiencia Energtica en el evaporador. COP que se defi-ne oficialmente como:

La cantidad de refrigeracin obtenida de una mquina dividida entre la canti-dad de energa que se requiere aportar respectivamente para conseguir estarefrigeracin (de acuerdo con la ASHRAE).

En este cmputo no se incluyen los consumos auxiliares de energa elctricanecesarios para que se realice el funcionamiento de bombas y ventiladores.


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Los COPs esperables de los ciclos de absorcin son tambin muy bajos com-parados con los de los ciclos de compresin mecnica.

En mquinas de absorcin de una etapa, con Bromuro de Litio, no se superanCOPs de 0,7.

En ciclos de baja temperatura Amoniaco / Agua se consiguen valores de COPsde 0,5 y pueden alcanzarse mximos de 0,8.

Los sistemas de absorcin (ver figura 3) adems de permitir utilizacin deenergas trmicas que serian evacuadas a la atmsfera de no utilizarse estossistemas para su recuperacin y aprovechamiento, evitan el consumo de

energas ms caras, fsiles o elctricas, dando lugar a un doble ahorro; uno porla recuperacin de energas desechables y otro por la reduccin de consumosprimarios en la produccin de energa elctrica, para produccin de fro.

Descripcin del ciclo de absorcin

Los ciclos termodinmicos de enfriamiento, tanto el de compresin como el deabsorcin, permiten sacar calor del espacio que quiere enfriarse y llevarlo aotro lugar donde se disipa.

Para hacerlo, ambos sistemas aprovechan la necesidad de un fluido, utilizadocomo refrigerante, de obtener calor del entorno para pasar del estado lquido al

de vapor al ser introducido en un espacio a ms baja presin.

Mientras que en el ciclo de compresin la diferencia de presiones se obtienecon un compresor mecnico, en el de absorcin se consigue aportando calor auna mezcla del refrigerante y otra sustancia que se caracteriza por tener unagran afinidad con aquel y absorberlo fcilmente.

En el generador donde se aporta el calor, el refrigerante se separa del absor-bente por ebullicin y, por la presin generada, recorre el circuito de alta pre-sin donde se condensa (como en el ciclo de compresin) hasta evaporarse denuevo en la zona de baja presin, donde se asocia con el absorbente para

volver juntos y en estado lquido al generador


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.


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El ciclo de absorcin no es un descubrimiento reciente, ya que el primer ante-cedente es el experimento realizado por el escocs William Cullen en el ao1755, cuando consigui obtener una pequea cantidad de hielo en una campa-na mantenida a una presin reducida.

Pero, de hecho, fue el francs Ferdinand Carr quien en 1890 construy la pri-mera mquina de absorcin para la fabricacin de hielo.

En la evolucin del ciclo de absorcin se han experimentado diversas parejasde refrigerante/absorbente, pero comercialmente hay nicamente dos: la for-mada por el agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente, y laque utiliza el amonaco como refrigerante y agua como absorbente.

Cada una de estas dos tcnicas tiene sus peculiaridades.

Mientras la utilizacin del agua como refrigerante limita la temperatura de eva-poracin por encima de 0C, permite, en cambio, una mayor eficiencia energ-tica que la que se consigue con el ciclo de amonaco que, por su parte, presen-ta la ventaja de poder bajar las temperaturas muy por debajo de 0C y conden-sar a temperaturas ms altas.

Plantas de absorcin con energa solar


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Fuente de energa y eficiencia en los equipos de absorcin

Para hacer funcionar los equipos de refrigeracin por ciclo de absorcin, seutiliza calor que puede proceder de muy diversas fuentes.

Hay unidades conocidas como a llama directa, que consumen combustiblesgaseosos o lquidos, mientras que otras utilizan el calor aportado por agua ca-liente, sobrecalentada o vapor.

Este agua caliente o vapor puede ser residual de procesos industriales, deequipos de cogeneracin (motores trmicos o turbinas), de pilas de combusti-ble, de calderas de biomasa o, incluso, calentadas con energa gratuita y reno-vable como la solar.

En todo caso, el hecho de utilizar energa primaria en lugar de la electricidadque ya ha sufrido unas prdidas de produccin y transporte hace que la efi-

ciencia energtica o COP no pueda compararse directamente.

En los procesos a ms alta temperatura que utilizan el ciclo de doble efectocon la mezcla de agua y bromuro de litio, se consiguen eficiencias de hasta 1,2con respecto a la energa consumida, mientras que con baja temperatura y enel ciclo de amonaco/agua es del orden del 0,7.

Ahorros y ventajas ambientales

La utilizacin de equipos de refrigeracin por ciclo de absorcin permite aho-rrar, en primer lugar, la energa primaria que habra hecho falta para producir laelectricidad necesaria para hacer funcionar los equipos convencionales quesustituyen.Cuando el calor utilizado por la mquina de absorcin es de origen gratuito oresidual, el ahorro es absoluto, mientras que en los casos de aplicacin de lla-ma directa este depender de la energa primaria y las caractersticas de pro-duccin de la electricidad sustituida.

Este aspecto es particularmente importante, tanto econmica como estratgi-camente, en pases como el nuestro en que en la produccin elctrica depen-

demos mayoritariamente de la importacin de combustibles de origen fsil

Adems, esto tambin permite la reduccin de las emisiones de CO2 a laatmsfera y, por lo tanto, permite acercarnos al cumplimiento de los acuerdosde Kyoto.

En cuanto a los fluidos utilizados en los ciclos de absorcin, son totalmenteinocuos para el medio ambiente, lo que afianza el carcter ecolgico de losequipos de absorcin.


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Refrigeracin por absorcin utilizando energa solar trmica

Principales aplicaciones

Los equipos de refrigeracin por ciclo de absorcin pueden ser usados de ma-nera tan amplia como cualquier otra planta refrigeradora de agua convencional,y las aplicaciones para aire acondicionado son las ms usuales.

Actualmente, se est intensificando el uso en instalaciones del sector terciarioque disponen de campos de captadores solares trmicos para produccin deagua caliente sanitaria y calefaccin, y estas instalaciones, en verano, cuandoes mayor la disponibilidad de radiacin solar, en lugar de disipar los sobrantes,los aprovechan para obtener refrigeracin gratuita.

La otra utilizacin clsica de estos equipos es en procesos industriales, sobretodo en los que tambin se utiliza una fuente de calor residual como energapara hacer funcionar el equipo


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