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LOS SISTEMAS TRITERMICOS MAQUINAS ADSORCION

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PRINCIPIOS BASICOS I

• La base del método es similar al de las máquinas deabsorción, radicando la diferencia en que ahora losvapores generados en evaporador son captados poradsorción por un sólido, en lugar de una mezcla liquida.

• La adsorción es un fenómeno superficial que tiene lugarentre un solido el absorbente que presenta una gran

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entre un solido, el absorbente, que presenta una gransuperficie por unidad de masa y un vapor con afinidadquímica con el sólido.

• Materiales porosos como el carbono activo, los silicagelsy las zeolítas pueden ser utilizadas como sólidosabsobentes. Así, se utizan pares tales como carbonoactivo - metanol, silicagel – agua, o zeolita – agua.

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PRINCIPIOS BASICOS II

• La adsorción es exotérmica, es decir se acompaña siempre de calor,cuya cantidad depende de la magnitud de las fuerzas de van derWaals presentes, de los cambios de fase y de los enlaces químicos. Abajas temperaturas, las fuerzas moleculares hacen que los gases seadhieran a la superficie para después adentrase en la estructuracristalina del sólido, este fenómeno de adsorción crea un gradientede presión y calor El proceso puede invertirse adicionando calor

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de presión y calor. El proceso puede invertirse adicionando calorque provoca la desorción del vapor a alta presión y temperatura, elcual circula hacia el condensador, expansor y evaporador, en dondeproduce el efecto útil de enfriamiento.

• Las máquinas de adsorción son intermitentes, un sólido se estácargando con vapor refrigerante a baja presión y temperatura, perocuando finaliza esta fase, este material debe regenerarse (desorción)a alta presión y temperatura, por lo tanto para conseguir unenfriamiento continuo deben disponerse un par de conjuntosmateriales, con fases desfasadas en el tiempo, de modo que mientrasuno esta produciendo el efecto útil, el otro esta en proceso deregeneración.

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MEZCLAS

• En el momento presente existen vías deinvestigación referentes a posibles pares demateriales a utilizar en máquinas de adsorción,sin embargo las tecnologías existentes se

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sin embargo las tecnologías existentes seencuentran limitadas a los siguiente pares:▫ Sílica gel/Agua▫ Zeolita/Agua▫ Carbón activo/Amoníaco▫ Carbon activo/Metanol▫ Hidruros metálicos/Hidrógeno

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MEZCLAS

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Silicagel Zeolita Carbono activo

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MÁQUINAS CON ADSORCIÓN DE VAPOR

• Estas máquinas precisan una serie de factores esenciales,tales como:▫ El adsorbente debe ser capaz de adsorber los vapores fácilmente,

sin cambios estructurales ni variaciones significativas devolumen.El d b d b d d b l l d

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▫ El adsorbente debe ser capaz de desorber el vapor almacenadocon los cambios de temperatura, pudiéndose repetir este procesorepetidamente.

▫ En caso de trabajar con agua como refrigerante, casos de agua-silicagel y agua-zeolita:

El proceso de evaporación puede desarrollarse a baja temperaturamanteniendo una presión por debajo de la atmosférica, es necesarioconseguir vacíos el orden de 13 a 26 mbar.El proceso de evaporación mejora si el agua es enviada en forma deducha.

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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

• La máquina frigorífica de adsorción se componefundamentalmente de un adsorbedor que seconecta, para trasiego de fase vapor,alternativamente a un condensador y a un

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alternativamente a un condensador y a unevaporador. Y energéticamente a una fuente decalor a alta temperatura, a otra de disipación atemperatura intermedia y por último a la fuentede baja temperatura donde produce el efecto útilcomo máquina de producción de frío.

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TRANSFORMACIONES

• Compresión a volumen constante (A-B), durante la cual, el adsorbedor seaisla del resto de la instalación, y se pone en comunicación con la fuente amayor nivel térmico TG. La desorción del gas que se produce en el volumenlibre del adsorbedor se traduce en un aumento de presión. Esta fase depresurización finaliza cuando la presión llega a ser al menos igual a la delcondensador (punto B).

• Desorción a presión constante (B-C), con el adsorbedor conectado ald d “T ” E t f l t ll d ió

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condensador a “Tm”. Esta fase, generalmente es llamada regeneración, puesdeja al adsorbedor listo para una nueva fase de producción de frío. Finalizacuando la temperatura del adsorbedor alcanza la TG (punto C).

• Despresurización a volumen constante (C-D). Al contrario de la primerafase, el adsorbedor se enfría con el foco de disipación a Tm. Debido a quese encuentra aislado del resto de la instalación, la adsorción que tiene lugaren el volumen libre se acompaña con una caída de presión. Esta etapafinaliza cuando llega a ser inferior a la de evaporador (punto D).

• Adsorción a presión constante (D-A). Etapa de producción de frío a “T0”.Evaporación del fluido.

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TRANSFORMACIONES

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TRANSFORMACIONES. COMPRESION

• Compresión a volumenconstante (A-B), durante lacual, el adsorbedor se aisla delresto de la instalación, y sepone en comunicación con laf i l é i

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fuente a mayor nivel térmicoTh. La desorción del gas que seproduce en el volumen libredel adsorbedor se traduce enun aumento de presión. Estafase de presurización finalizacuando la presión llega a ser almenos igual a la delcondensador (point B).

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TRANSFORMACIONES. DESORCION

• Desorción a presiónconstante (B-C), con eladsorbedor conectado alcondensador a Tm. Estafase, generalmente

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, gllamada regeneración,pues deja al adsorbedorlisto para una nueva fasede producción de frío.Finaliza cuando latemperatura deladsorbedor alcanza la Th(point C).

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TRANSFORMACIONES. EXPANSION

• Despresurización a volumenconstant (C-D). Al contrario de laprimera fase, el adsorbedor seenfría con el foco de disipación aTm. Debido a que se encuentraaislado del resto de la instalación,la adsorción que tiene lugar en el

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la adsorción que tiene lugar en elvolumen libre se acompaña conuna caída de presión. Esta etapafinaliza cuando llega a ser inferiora la de evaporador (point D).

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TRANSFORMACIONES. ADSORCION

• Adsorción a presión constante(trajet D-A). Etape de producciónde frío a Tb. Evaporation delfluido.

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TRANSFORMACIONES DIAGRAMA DE CLAPEYRON Ó DÜHRING

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• Las fases a volumen constante (A-B y C-D) son con composición constante y siguenuna isotítrica (X=Cte en la que X es la cantidad de fluido adsorbido).

• La potencia (QG) a suministrar al sistema es la necesaria en el adsorbedor para pasardel punto A al C. La producción frigorifica (Q0) es debida a la vaporización del fluido(D-A).

• Además de las potencias enumeradas, existe la disipación a nivel intermedio debido ala condensación (QK) que proviene de adsorbedor en la fase de regeneración por unlado, y al paso del adsorbedor del punto C al A (QA) de otro.

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PAR ADSORTIVO AGUA – SILICAGEL

• El silica gel (SiO2.xH2O) tiene como base la sílice puraen la cual se conservan trazas de agua (del orden del 5%),si es sobrecalentado y pierde ese agua su capacidad deadsorción se resiente, por lo que es válido para trabajaren aplicaciones por debajo de los 200ºC. Se encuentra

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p p jdisponible con diferentes tamaños de sus poros, cuantomenor es ese tamaño mayor es la superficie por unidadde masa. El silica gel posee una gran capacidad deadsorción del vapor de agua, sobre todo a altas presionesde vapor por lo que es utilizado en procesos dedeshumectación. El calor generado en la adsorción delvapor de agua se debe principalmente al calor decondensación del agua.

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PAR ADSORTIVO AGUA – SILICAGEL

• En el arranque toda la máquina se pone en vacío con unabomba.

• El ciclo en funcionamiento dura de 5 a 7 minutos y siguelos pasos:

l d f i d l

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▫ Paso1.- El agua presente en evaporador se evapora enfriando lacarga.

▫ Paso2.- El agua evaporada se absorbe, por le silicagel, en eladorbedor.

▫ Paso3.- Se separa el agua por adición de potencia térmica engenerador.

▫ Paso 4.- La corriente de vapor de agua obtenida se envía alcondensador para que sea licuada, y el ciclo se cierra enviandolade nuevo al evaporador.

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PAR ADSORTIVO AGUA – SILICAGEL

CondensadorAgua

disipación Intercambiadores

CondensadorAgua

disipación Intercambiadores

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Evaporador

Agua fría

Agua calienteSilicagel

Válvulas

Adsorbedor

Generador

Evaporador

Agua fría

Agua calienteSilicagel

Válvulas

Adsorbedor

Generador

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PAR ADSORTIVO AGUA – SILICAGEL

• El diagrama de Dühring se obtiene en base a unaecuación modificada de Dubinin–Astakhov,según la cual:

⎥⎤

⎢⎡

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛

np

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• En la que “x0 ≈ 0.301”, “D ≈ 2.26 10-2” y “n ≈1.08” son constantes para el par adsortivo, y“psat” la presión de saturación, mientras que “p”es la presión del adsorbente.

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= sat

ppTDxx lnexp0

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PAR ADSORTIVO AGUA – SILICAGEL

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CONTINUIDAD DEL CICLO

• El ciclo descrito es discontínuo (tratamientoalternativo); para conseguir un funcionamientopr´cticamente contínuo se trabaja en dos ciclosen oposición. Con esto, además, se consigue un

j é i d d

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mejora energética dado que se recupera unaparte de la potencia de regeneraciónsuministrada al mayor nivel térmico.

• Cuando se trabaja con dos ciclos en oposición sehabla de ciclo de doble efecto con recuperación.

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PLANTA DE ADSORCION

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PRESTACIONES DE CATALOGO

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PAR ADSORTIVO AGUA – ZEOLITA

• Grupo de minerales de una clase de aluminosilicatoscristalinos con canales y cavidades bien definidas, quepueden retener moléculas huéspedes móviles yreemplazables. La fórmula general de la composición del lit M / [AlO2) (SiO2) ] H2O d d l

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las zeolita es Mx/n[AlO2)x(SiO2)y].mH2O, donde loscationes M (Na+, K+, etc.) de valencia “n” neutralizan lascargas negativas del esqueleto estructural delaluminosilicato. Existen más de 40 zeolitas naturales yalrededor de 150 artificiales. Las zeolitas puedenutilizarse como agentes deshidratantes, comointercambiadores de iones, como adsorbentes; siendo sudensidad de alrededor de 800 kg/m3.

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PAR ADSORTIVO AGUA – ZEOLITA

• Los procesos de adsorción y desorción, que constituyenel ciclo de funcionamiento en este caso, no difieren de losestablecidos para las máquinas de adsorción, quedandoreflejados esquemáticamente sobre la figura

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COMPARACION ABSORCION-ADSORCION

• En la figura se observa que con bajos valoresde temperatura en el foco caliente el COP dela máquina de adsorción es superior al de lade absorción, lo que puede hacer masconveniente a las máquinas de adsorción decara al aprovechamiento de efluentestérmicos de baja calidad, incluso la pone enmejor situación para la utilización deenergía solar. En el capítulo de ventajas delas máquinas de adsorción también puede

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las máquinas de adsorción también puedecomentarse el hecho de no necesitarinhibidores de la corrosión, ni tenerproblemas de cristalización.

• Por lo que respecta a desventajas, frente a laabsorción, pueden destacarse su mayorcoste, el hecho de funcionar de formadiscontinua, su bajo desarrollo actual (sólohay tres fabricantes en el mercado) y sumayor tamaño para igual potenciafrigorífica. Por supuesto su menor COP contemperaturas habituales en el foco caliente.

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ADSORCION. SENSORES MAQUINA

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ADSORCION. SENSORES

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ADSORCION. 1ª Fase

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ADSORCION. 2ª Fase

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ADSORCION. 3ª Fase

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ADSORCION. 4ª Fase

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Máquina de Adsorción

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Aprovechamiento Calor Residual

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Máquina de adsorción de 5.5. kW

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Instalación hidráulica

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Esquema de la máquina

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Condensador

Agua disipación

Evaporador

Intercambiadores

Agua fría

Agua calienteSilicagel

Válvulas

Adsorbedor

Generador

Condensador

Agua disipación

Evaporador

Intercambiadores

Agua fría

Agua calienteSilicagel

Válvulas

Adsorbedor

Generador

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ADSORCION. Sensores máquina

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ADSORCION. Sensores totales

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ADSORCION. 1ª Fase

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ADSORCION. 2ª Fase

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ADSORCION. 3ª Fase

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ADSORCION. 4ª Fase

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Límites de aplicación

• Circuito LT.- 6…20°C• Circuito MT.- 22…37°C• Circuito HT.- 60…95°C• La temperatura del circuito MT > LT

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• La temperatura del circuito MT > LT

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Datos fabricante

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