Modelado y caracterización de una máquina de...

Estudio del estado del arte de las máquinas de absorción

Modelado y caracterización de una máquina de absorción de doble efecto

2. Estudio del estado del arte de las máquinas de absorción Aquí vamos a describir el ciclo de absorción de simple efecto, los equipos que componen la máquina, y las posibles mezclas de trabajo. Posteriormente explicaremos el ciclo de doble efecto. Continuaremos hablando de las mejoras, normativa, impacto ambiental, fuentes de energía y usos. Por último, veremos las características mas importantes de los equipos de los principales fabricantes. 2.1. Ciclo de simple efecto. Principio de funcionamiento y equipos Los equipos de absorción, al igual que los de compresión de vapor, se basan en el principio de condensación y evaporación de un refrigerante para la obtención de frío o calor. La principal diferencia entre estos ciclos está en como se trasvasa el refrigerante de la zona de baja presión a la de alta presión. En los ciclos de compresión mecánica, el trasvase se realiza por medio de un compresor, pero en el caso de una maquina de absorción, el proceso es más complejo. El refrigerante vaporizado en la zona de baja presión es captado por una solución (absorbente) que tiene afinidad físico-química hacia él. La mezcla se bombea a la zona de alta presión, y la separación absorbente-refrigerante se produce mediante la aportación de calor. La clave está en que el trabajo de bombeo es mucho menor que el necesario para mover el compresor en un ciclo de compresión mecánica, con el consiguiente ahorro de energía eléctrica. En la figura 2-1, recogida en [1] aparecen los principales equipos sobre un diagrama presión-temperatura, y en la figura 2-2, extraída de [3], aparece un esquema simplificado de los diferentes equipos y los flujos de materia y energía.

Figura 2-1. Equipos de una máquina de absorción de simple efecto sobre un diagrama p-T



Figura 2-2. Esquema de equipos y flujos de una máquina de absorción de simple efecto

Basándonos en la figura 2-1 y 2-2, procederemos a describir el funcionamiento del ciclo simple de absorción así como los diferentes equipos que componen la máquina de absorción. Comenzaremos por el generador (“G” en la figura 2-1). Mediante el aporte de energía térmica (independientemente del método empleado) se produce la evaporación de parte del agua de la solución de bromuro de litio-agua, concentrándose dicha solución. El vapor de agua (el refrigerante) se dirige al condensador, mientras que la solución concentrada se dirige al absorbedor. Dado que el bromuro de litio (el absorbente) no es muy volátil, en condiciones normales de funcionamiento no debe producirse el arrastre de gotas de solución en el proceso de evaporación, o si se produce será en cantidades inapreciables. Una vez ha llegado al condensador (“C” en la figura 2-1), el vapor de agua cede su calor latente y se condensa. Normalmente la condensación del vapor de agua se realiza mediante otra corriente de agua, que circula por el lado de los tubos, por lo que es necesario enviar esta corriente de agua a una torre de refrigeración para evacuar dicha energía, si bien hay algunos equipos (pero pocos) que condensan con aire. La presión de trabajo del condensador varia mucho en función del refrigerante que se este empleando. Si estamos empleando vapor de agua, estaremos trabajando por debajo de la presión atmosférica, pero si estamos empleando amoniaco la presión será muy superior a la atmosférica. Tras abandonar el condensador, el refrigerante se dirige al evaporador, pero antes debe pasar por la válvula de expansión (“V1” en la figura 2-1) para



reducir su presión lo necesario para que se produzca la evaporación a la temperatura correcta. Aquí de nuevo hay que hacer distinciones según se use un refrigerante u otro. En el caso del vapor de agua, la diferencia de presiones para las temperaturas típicas de funcionamiento de una máquina de absorción es pequeña, por lo que con un dispositivo que produzca una pequeña pérdida de carga (como una trampa de líquido) es suficiente. Sin embargo, si el refrigerante es amoniaco, la diferencia de presiones es muy alta, por lo que si es necesario emplear una válvula de expansión para producir la perdida de carga necesaria. Tras disminuir su presión, el refrigerante llega al evaporador (“E” en la figura 2-1). En él, el refrigerante se evapora tomando la energía necesaria de otra corriente (normalmente agua) que circula por el lado de los tubos, produciéndose en dicha corriente el efecto frigorífico. Es importante indicar la necesidad de que no se produzca arrastre de absorbente, ya que modificaría la presión de trabajo en el evaporador y porque además se podría producir cristalización de la sal de bromuro de litio. En cuanto a las presiones de trabajo, en caso de trabajar con vapor de agua como refrigerante, seguiremos trabajando por debajo de la presión atmosférica, un poco más aún, mientras que si empleamos amoniaco seguiremos trabajando por encima de la presión atmosférica, aunque no tanto como en el condensador. Una vez abandonado el evaporador, el refrigerante se dirige hacia el absorbedor (“AB” en la figura 2-1) para cerrar el ciclo. Para ello se ponen en contacto el refrigerante (vapor de agua) y la solución concentrada que proviene del generador. La solución concentrada absorbe el vapor de agua diluyéndose la solución, volviendo a las condiciones de partida. Dicho proceso de mezcla es exotérmico, por lo que es necesario evacuar el calor generado para que dicho calor no eleve la temperatura del absorbedor y se ralentice el proceso de mezcla. Para ello se emplea una corriente auxiliar de agua que evacua dicha energía y posteriormente la disipa en la torre de refrigeración. Normalmente, es la misma corriente de agua la que se usa para refrigerar el absorbedor y el condensador, primero pasa por el absorbedor, y luego pasa por el condensador. Una vez se ha producido la mezcla, la bomba (“B” en la figura 2-1) se encarga de elevar la presión de la solución hasta la presión de trabajo (recordemos que hemos producido una pérdida de carga en el paso del condensador al evaporador) e impulsarla hacia el generador. Por ultimo, antes de llegar al generador, la solución pasa por un intercambiador de calor (“HE” en la figura 2-1) donde entra en contacto (indirecto, claro está) con la solución concentrada que proviene del generador y se dirige al absorbedor, disminuyendo la temperatura de ésta, y aumentado la suya. Con esto se consigue disminuir las necesidades de refrigeración del absorbedor (ya que al ingresar en él la corriente de solución concentrada a menor temperatura hay que evacuar menos energía) y también disminuye el aporte energético necesario a realizar en el generador (ya que la solución de partida ingresa en el generador a mayor temperatura).



Actualmente, las máquinas de absorción de simple efecto tienen un COP en condiciones nominales de 0,65-0,75 aproximadamente. 2.2. Mezclas de trabajo para máquinas de absorción En la actualidad el par LiBr-H2O (siempre aparecerá como absorbente-refrigerante) es el más empleado como mezcla de trabajo en los equipos de absorción, pese a tener limitada la temperatura de trabajo del evaporador a 5 ºC aproximadamente debido a problemas de congelación del agua. Además, la temperatura de trabajo del absorbedor no puede ser muy alta, debido a la cristalización de la sal. Esto hace que el salto térmico entre evaporador y absorbedor no supere los 30 ºC aproximadamente. Sin embargo, su entalpía de vaporización es alta, la presión de vapor es baja (lo que permite diseñar equipos de menor peso al necesitar menor espesor en las paredes) y su toxicidad es nula. Como la gran limitación esta en la temperatura de trabajo del absorbedor, las investigaciones tratan de desplazar la curva de cristalización de la disolución hacia puntos de mayor temperatura mediante la adición de sales u otras sustancias. La mezcla H2O-NH3 se emplea en aplicaciones en las que es necesario operar por debajo de los 5 ºC, ya que a esa temperatura no hay problemas con el NH3. El problema de esta mezcla es que el absorbente es relativamente volátil, por lo que es necesario emplear un rectificador (representado por la letra “R” en la figura 2-3, extraída de [2]) para evitar que lleguen gotas de agua al condensador y al llegar a la válvula de expansión se congelen e inutilicen dicha válvula. Además, la entalpía específica de evaporación del NH3 es mucho menor que la del vapor de agua para la temperatura de evaporación, por lo que se necesita mayor caudal para una misma potencia. Otro problema de esta mezcla es que tanto la presión de condensación como la de evaporación están por encima de la atmosférica (suponiendo una temperatura de condensación de 40 ºC, y una temperatura de evaporación de 0 ºC, el NH3 se encontraría a 15 y 5 bar aproximadamente), y dada la alta toxicidad del NH3, su uso en equipos de refrigeración esta restringido por motivos de seguridad en algunos países (España es uno de ellos).



Figura 2-3. Equipos de una máquina de absorción de simple efecto que trabaja con el par NH3-H2O sobre un diagrama p-T

Hay un modelo en el mercado, de la firma Climatewell, que trabaja con la mezcla LiCl-H2O. Comentaremos alguna característica de dicha mezcla cuando hablemos de dicho modelo mas adelante. 2.3. Ciclo de doble efecto de alta eficiencia El ciclo de doble efecto surge a partir de la adición de equipos al ciclo de simple efecto, para poder mejorar su rendimiento. Esto es posible en las maquina que operan con el par LiBr-H2O, ya que trabajan con niveles de presión muy bajos, mientras que no es posible en el caso de trabajar con la mezcla NH3-H2O, ya que introducir una nueva etapa incrementaría la temperatura de trabajo, y el incremento de presión que esto conlleva es demasiado. En los ciclos de doble efecto, la temperatura del generador suele estar entre 140 y 180 ºC, mientras que en los de simple efecto está entre 70 y 90 ºC. Este incremento notable de temperatura tiene su reflejo en el COP, que pasa del 0,65-0,75 para los ciclos de simple efecto a 1,2-1,35 para los ciclos de doble efecto. Esto se consigue añadiendo un generador, un condensador y un intercambiador de calor solución-solución al ciclo de simple efecto a un nivel de presión superior. En la figura 2-4, recogida en [1] aparecen representados los equipos de un ciclo de doble efecto sobre un diagrama p-T, y la figura 2-5, recogida en [4] representa el esquema de equipos y flujos.



Figura 2-4. Equipos de una máquina de absorción de doble efecto sobre un diagrama p-T

Figura 2-5. Esquema de equipos y flujos de una máquina de absorción de doble efecto El funcionamiento del ciclo de doble efecto es similar al de simple efecto, salvo que hay más corrientes en el sistema. Para explicar el funcionamiento del ciclo de absorción de doble efecto, además de la figura 2-5 emplearemos la figura 2-6, que representa el diagrama de Duhring de un ciclo de absorción de doble efecto. Si bien para los modelos de cualquier fabricante los valores de presión, temperatura y composición no coincidirán, la estructura del ciclo será similar a la aquí presentada. Todas las referencias a cualquier punto denominado una letra mayúscula irán referidas al diagrama de la figura 2-6.



Figura 2-6. Diagrama de Dhuring de un ciclo de absorción de doble efecto

Comenzaremos por el generador de alta temperatura, indicado como “4” en la figura 2-5. La solución (solución diluida según la figura 2-5) se encuentra en las condiciones del punto D´. En el generador la solución se calienta hasta alcanzar el punto D, para posteriormente producirse la evaporación de parte del agua de la solución (línea D-H), y la concentración del resto de la solución (línea D-E), obteniéndose la solución intermedia (según la figura 2-5). El vapor de agua va directamente al generador de baja temperatura (“3” en la figura 2-5). La solución intermedia pasa por el intercambiador de alta temperatura (no aparece en la figura 2-5, pero está indicado como “HE1” en la figura 2-4 y como “4” en la figura 2-7) antes de pasar al generador de baja temperatura. Este intercambiador cumple la misma función que el intercambiador de calor del ciclo de simple efecto. Este proceso esta representado en la figura 2-6 como el paso del punto E al punto F´. En el generador de baja temperatura (indicado como “3” en la figura 2-5), el vapor de agua cede energía a la solución intermedia (que se encuentra a menor temperatura tras pasar por el intercambiador de calor de alta temperatura) condensándose (línea D-H en la figura 2-6), y haciendo que se evapore mas agua de la solución y ésta quede mas concentrada (este proceso vendría representado por F´-F-G en la figura 2-6). El vapor de agua producido en el generador de baja temperatura se manda al condensador.



Tras pasar por el generador de baja temperatura, la solución concentrada atraviesa el intercambiador de baja temperatura (no aparece en la figura 2-5, pero está indicado como “HE2” en la figura 2-4 y como “3” en la figura 2-7). De nuevo, su función es la misma que la del intercambiador de calor del ciclo de simple efecto. Este proceso de intercambio de energía esta representado en la figura 2-6 por la línea G-A. En el condensador (indicado como “1” en la figura 2-5) se produce la condensación del refrigerante en estado vapor producido en el generador de baja temperatura (línea F-I) y luego se mezcla con la corriente de refrigerante producida en el generador de alta temperatura que se empleó para extraer mas refrigerante de la solución en el generador de baja temperatura. La mezcla da lugar a una corriente única de refrigerante que se envía al evaporador. La condensación del refrigerante se produce gracias a la corriente de agua de refrigeración que atraviesa el condensador (previo paso por el absorbedor) y que se envía la torre de refrigeración para evacuar el calor recibido en el proceso de condensación del refrigerante. Una vez la corriente ha llegado al evaporador, primero se mezcla con el refrigerante liquido allí acumulado, alcanzándose las condiciones del punto J en la figura 2-6. Luego se dispersa sobre los tubos de transferencia y se evapora, produciéndose el efecto frigorífico buscado (línea J-B de la figura 2-6). El refrigerante evaporado se dirige ahora hacia el absorbedor. En el absorbedor (indicado como “12” en la figura 2-5) el refrigerante vaporizado es absorbido por la solución concentrada, produciéndose la dilución de la misma (solución diluida). Este proceso viene representado en la figura 2-6 por la línea A-B. Dado que el proceso es exotérmico, es necesario evacuar el calor generado. Esto se consigue con una corriente de agua de refrigeración que también actúa en el condensador, tal y como se ha comentado en el párrafo anterior. Tras abandonar el absorbedor, la solución diluida atraviesa primero el intercambiador de baja temperatura y posteriormente el de alta temperatura, elevando su temperatura en el paso por cada uno de ellos (líneas B-C y C-D´ de la figura 2-6). Una vez abandona el intercambiador de alta temperatura, ingresa en el generador de alta temperatura, con lo que se cierra el ciclo. En la figura 2-4 aparecen indicadas 4 válvulas (V1, V2, V3 y V4) que no aparecen en la figura 2-5 ya que, aunque se producen pérdidas de carga en el funcionamiento del ciclo, estas son pequeñas y no se necesita emplear estos dispositivos para producirlas, las provocadas por las circulaciones de las corrientes son suficientes. Lo que tampoco aparecen son los intercambiadores “HE1” y “HE2”, que si aparecen en la siguiente figura, extraída de [4], como “4” y “3”, respectivamente.



Figura 2-7. Esquema de los intercambiadores en el ciclo de doble efecto

Existen tres posibles configuraciones en el ciclo de doble efecto: serie, paralela e invertida. En la figura 2-8, recogida en [2], aparece una representación esquemática de cada una de ellas:

Figura 2-8. Representación esquemática de las variantes del ciclo de doble efecto

- En la configuración serie, la solución procedente del absorbedor va hacia el generador de alta temperatura (G1), y a la salida de éste, se dirige hacia el generador de baja temperatura (G2). - En la configuración en paralelo, se divide el flujo a la salida del absorbedor, para alimentar de forma independiente cada uno de los dos generadores. - En la configuración invertida, la solución procedente del absorbedor es dirigida primero hacia el generador de baja presión (G2) para luego ser bombeada al generador de alta presión (G1). La configuración en serie es la mostrada en la figura 2-4. Ahora comentaremos algunos detalles más de las otras dos configuraciones. La configuración invertida es muy similar a la configuración en serie, pero con dos bombas de caudal, una para llevar la mezcla del absorbedor (AB) al



generador de baja presión (G2), y otra para llevar la mezcla al de alta presión (G1). Con esto se consigue un mejor control de la presión en cada generador al tener dos equipos reguladores independientes, lo que conlleva una mejor operación del equipo. Sin embargo, esta perdiendo terreno frente a la configuración en serie debido a que se necesita una bomba de caudal mas y a que las técnicas de control actuales están consiguiendo mejorar la respuesta de las maquinas con configuración serie. En la figura 2-9, que aparece en [2] aparecen representados los equipos en configuración invertida sobre un diagrama p-T.

Figura 2-9. Equipos de una máquina de absorción de doble efecto en configuración invertida sobre un diagrama p-T

La configuración en paralelo presenta diferencias mas notables respecto a la configuración serie. En dicha configuración, representada en la figura 2-10 que también aparece en [2], los dos generadores son alimentados de forma independiente por dos bombas de caudal, con lo que el control es mucho más simple, pero el rendimiento es menor al no haber conexión entre los dos generadores.



Figura 2-10. Equipos de una máquina de absorción de doble efecto en configuración en paralelo sobre un diagrama p-T

Como resumen, podemos decir que las configuraciones en paralelo e invertida presentan un control mas sencillo, pero al necesitar una segunda bomba, y al haber mejorado las técnicas de control, los fabricantes suelen optar por la configuración en serie. 2.4. Mejoras de los ciclos de absorción La tecnología de absorción tiene un gran potencial de desarrollo, por lo que comentaremos de forma somera algunas de las líneas de trabajo para la mejora de los equipos de absorción. Si bien las mejoras aquí comentadas van encaminadas a la mejora del rendimiento, también se trabaja para reducir el peso y volumen de los equipos. 2.4.1. Ciclo de absorción de triple efecto Como su nombre indica, se trataría de añadir un tercer efecto al ciclo. Para ello habría que añadir un tercer generador y condensador que trabajaran a una temperatura superior al generador de alta temperatura (“G2” en la figura 2-4). Como se dijo antes, la temperatura del generador de alta en un ciclo de doble efecto suele estar entorno a 140-180 ºC, por lo que seria necesaria una fuente de energía térmica de muy alta temperatura. La máxima mejora del rendimiento se conseguiría colocando los tres efectos en serie, colocando el tercero en paralelo la mejora del rendimiento del equipo seria menor, aunque mejoraría la operación del equipo. Hay toda una casuística asociada a las



posibles combinaciones de las configuraciones de los efectos en este caso. Todavía se encuentra en fase de investigación y no hay equipos comerciales que trabajen con ciclos de triple efecto. 2.4.2. Ciclo GAX Este ciclo no es mas que una mejora del ciclo de simple efecto H2O- NH3 que trata de aprovechar el solapamiento de temperaturas entre generador y absorbedor cuando la temperatura del primero es lo suficientemente alta, para transferir energía desde la parte caliente del absorbedor hacia la parte fría del generador, reduciendo así la necesidad de aporte energético exterior y mejorando el rendimiento del ciclo. En la figura 2-11, recogida en [1], aparece representado el diagrama del ciclo GAX.

Figura 2-11. Diagrama p-T del ciclo GAX

Para ver un esquema más detallado de los equipos de trabajo del ciclo GAX y de los flujos, consultar la figura A-26 del anexo A, que representa el ciclo GAX de trabajo de un modelo del fabricante Robur. 2.4.3. Equipos rotativos En este caso, la fase de investigación y desarrollo ya ha sido superada y esta variante si ha dado lugar a la aparición de equipos comerciales. Su funcionamiento se basa en el aumento de los coeficientes de transferencia de masa y calor debido a las fuerzas gravitatorias generadas por rotación. Este concepto fue constatado en los años 70 por ICI, una compañía inglesa fabricante de productos químicos. En el año 1993 se creo Interotex Ltd, empresa participada por British Gas, Gas Natural, Fagor y Lennox, para desarrollar equipos a partir del fenómeno demostrado por ICI. Fue en el año 2000 cuando la compañía Rotartica compró las licencias y el know-how a sus anteriores propietarios y comenzó a fabricar sus equipos, de los que hablaremos en el apartado posterior dedicado al estudio de mercado.



2.5. Fuentes de energía térmica para equipos de absorción Hay varias formas de clasificar las maquinas de absorción, puede hacerse según su ciclo de trabajo (simple efecto o doble efecto mayoritariamente), o según la mezcla que emplean (LiBr-H2O o H2O-NH3). Ahora las clasificaremos según el tipo de fuente de energía térmica que se emplee, que se pueden dividir en renovables y no renovables (o convencionales). En el grupo de las renovables solo aparece la energía solar y la geotérmica, ya que pese a que los biocombustibles son considerados de origen renovable, no existen hoy en día aplicaciones comerciales de absorción que funcionen con ellos. En cuanto las convencionales, los principales combustibles empleados son gas natural o GLP. También se puede establecer una clasificación según el tipo de accionamiento:

- Calentamiento directo. El método de los equipos de absorción que llevan incorporado un quemador de combustible, normalmente gas natural o GLP, como dijimos antes. Aquí se incluirían (si los hubiese) los equipos que emplearan biocombustibles.

- Calentamiento indirecto. Aquellos equipos que son accionados por agua

caliente, vapor de agua, gases de combustión o aceites térmicos. Pueden ser el excedente de lo obtenido mediante combustión en una caldera externa para otra aplicación, como los gases de combustión de una cogeneración, o vapor excedente de un proceso químico, o haberse obtenido mediante energías renovables.

Hay ciertas cuestiones relacionadas con la energía solar que merecen ser tratadas con mayor profundidad. Pese a ser un recurso gratuito y no contaminante, en principio, de cara al diseño, se tratará de conseguir la máxima eficiencia, por lo que, salvo algún tipo de impedimento, optaríamos por un modelo que trabajara con ciclo de doble efecto. El elegir un ciclo de doble efecto implica que necesitaremos calentar el fluido caloportador (normalmente agua) a una temperatura entre 140 y 180 ºC (ver apartado 2.3). Esto supone que a la hora de elegir el dispositivo solar que se empleará para calentar el agua sea necesario emplear algún equipo de concentración, ya sea colectores cilindro-parabólicos o Fresnel para poder alcanzar las condiciones necesarias y alimentar al generador de alta presión. Los captadores solares planos queden automáticamente descartados, ya que la temperatura máxima que podremos alcanzar será cercana a los 90 ºC, si bien se podrían emplear para aportar energía para el funcionamiento del generador de baja presión.



Hay que indicar que como es posible que en algunos momentos, debido a las condiciones climatológicas, la energía solar no sea suficiente como para mantener el nivel de operación deseado, es necesario que la máquina de absorción disponga de un dispositivo de apoyo para mantener la temperatura de trabajo del generador. Dicho dispositivo suele ser un quemador de combustible, normalmente GLP o gas natural. Por último, comentar que las máquinas de absorción se pueden emplear también como bombas de calor, si bien no trataremos esta posibilidad a lo largo del proyecto. En la figura 2-12, recogida en el catálogo de la firma York [8], aparece un esquema de funcionamiento en modo bomba de calor.

Figura 2-12. Esquema de funcionamiento de la máquina de absorción en modo bomba de calor



2.6. Impacto ambiental Vamos a estudiar de forma cualitativa el impacto sobre el medio ambiente producido por los equipos de absorción trabajando con cualquiera de las dos mezclas de trabajo. Para ello evaluaremos diversos parámetros importantes con el fin de determinar su TEI (Total environment impact) y trataremos de realizar una comparación cualitativa con los sistemas de compresión mecánica.

- ODP (Ozone depletion potencial – potencial de destrucción del ozono). Este parámetro es función del refrigerante. Como ya sabemos, en el caso de la mezcla LiBr-H2O, el refrigerante es agua destilada, y en el de la mezcla H2O-NH3, es el amoniaco. Tanto para el amoniaco como para el agua, el ODP es cero, lo que nos indica impacto nulo sobre la capa de ozono. En el caso de los sistemas de compresión mecánica que emplean como refrigerante algún HFC (R-134a, R-407C, R-410A, R-404A) el ODP también es cero.

- GWP (Global warming potential – potencial de efecto invernadero). De nuevo, tanto para el amoniaco como para el agua, el valor de de este indicador es cero, lo que indica su nula aportación al efecto invernadero. Sin embargo, esto no ocurre con los HFCs, en los que el valor del GWP oscila entre 1300 (para el R-134a) y 3750 para el (R-404A). Por lo tanto, en este aspecto, el impacto de los equipos de absorción es claramente menor que el de los equipos de compresión mecánica. Para mas información sobre los valores del GWP consultar [2].

- Consumo. Realmente, hablar de consumo equivale a hablar del COP. Como dijimos en el estudio del ciclo de doble efecto, un equipo de absorción de simple efecto puede tener un COP aproximado de 0.65-0.75, y uno de doble efecto de 1.3-1.35. Un equipo de compresión mecánica puede tener un COP de 2-4. En principio se puede pensar que en este punto los equipos de compresión mecánica son mucho mejores que los de absorción, pero hay que tener en cuenta que el cálculo del COP se realiza de forma diferente, en un caso se hace en base a la energía térmica aportada, y en el otro en base a la energía eléctrica consumida. Si en los equipos de compresión mecánica se realizara el cálculo del COP en base a la energía térmica aportada para producir la energía eléctrica que consume, habría que multiplicar su COP por el rendimiento de la central de combustible fósil que genera la energía eléctrica (dicho rendimiento, que depende de la tecnología empleada, oscila entre el 30% y 50% de forma aproximada). Haciendo los cálculos puede comprobarse que aunque en algunos casos los equipos de compresión mecánica tengan un mejor COP, la diferencia entre el COP de éstos y el de los equipos de absorción se ha reducido mucho siendo la diferencia entre ellos muy pequeña.



No se esta teniendo en cuenta el consumo eléctrico de una planta de absorción debido a que representa un porcentaje muy pequeño del consumo de una planta accionada por compresión. Otro aspecto a tener en cuenta es que en algunos equipos de absorción se emplea una energía efluente de un proceso, es decir que no se realiza consumo de energía de forma expresa para la producción frigorífica, como ocurre en los equipos de compresión mecánica, lo que de por si supone una actuación energéticamente eficiente. - Emisiones. En este aspecto ocurre algo parecido a lo que ocurre con el consumo. De los equipos de absorción, solo generan emisiones de gases contaminantes aquellos accionados por combustión directa, ya que en las máquinas que se accionan mediante el aprovechamiento de energías residuales no se computan las emisiones de gases contaminantes producidas, ya que se deben a otra función que no es la producción de frío. En cuanto a las emisiones referidas a fugas de refrigerante, el impacto ambiental de los equipos de absorción es claramente menor, ya que tanto el amoniaco como el agua no producen impacto alguno sobre el medio ambiente. Sin embargo, el que los refrigerantes de los equipos de absorción no produzcan destrucción de la capa de ozono o no produzcan efecto invernadero, no quiere decir que sean inocuos. El amoniaco es tóxico para el ser humano, por lo que se necesita un material adecuado y personal cualificado para su manipulación. En cuanto a la sal de bromuro de litio, como tal es inocua, pero en solución con agua y en presencia de aire es corrosiva, por lo que también debe tratarse con precaución.



2.7. Normativa y reglamentación Como en cualquier otra tecnología, es necesario conocer la normativa vigente. Aquí veremos las distintas normativas que afectan a los equipos de absorción, tanto españolas como internacionales. Hay que decir que en el caso de la normativa española, no hay normativas específicas para los equipos de absorción, si bien algunas normas hacen referencias a los mismos. El actual R.I.T.E. [5] sólo hace referencia a las máquinas de absorción en la ITE 04.11.3 apartado e) indicando que en la documentación necesaria, además de lo indicado en la ITE 04.11.1, deben aparecer el fluido portador de calor y el de consumo. En los comentarios al Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios (RITE-2007) [6], se hace referencia a las máquinas de absorción en la instrucción técnica “IT 1: Diseño y dimensionado”, en el apartado “IT 1.2.2: Procedimiento de verificación”, donde aparecen como uno de los posibles sistemas de generación de energía térmica con los que se debe comparar cualquier sistema proyectado en un edificio nuevo cuya superficie útil sea mayor de 1000 m2. También son nombradas en el apartado “IT 1.2: Exigencia de eficiencia energética”, sub apartado “1.2.4.1: Generación de calor y frío”, donde se indica que la reglas de dimensionado para centrales urbanas no son válidas para máquinas de absorción. En el caso de las normas UNE también vemos que no existe una normativa específica para estos equipos, y los reglamentos de recipientes a presión y de seguridad de plantas e instalaciones frigoríficas sólo hacen referencia a ellos de forma general. Donde si se hace referencia directa a los equipos de absorción es en el Reglamento técnico de distribución y utilización de combustibles gaseosos [7]. En él se dice que los equipos de llama directa para refrigeración por absorción cuya potencia útil nominal conjunta sea superior a 70 kW, deberán instalarse en salas de máquinas o integrarse como equipos autónomos de conformidad con los requisitos recogidos en la norma UNE 60601:2006 “Salas de máquinas y equipos autónomos de generación de calor o frío, o para cogeneración que utilizan combustibles gaseosos”. Si bien antes se vio que no existían normas UNE específicas para los equipos de absorción, si existen normas más generales que son aplicables a los equipos de absorción, como las que aparecen a continuación:

- UNE-EN 13445:2006. “Recipientes a presión no sometidos a llama”.

- UNE-EN 12263:1999. “Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Dispositivos interruptores de seguridad para limitar la presión. Requisitos y ensayos”.

- UNE-EN 378:2008. “Sistemas de refrigeración y bombas de calor.

Requisitos de seguridad y medioambientales”.



- UNE-EN 13136:2002. “Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Dispositivos de alivio de presión y sus tuberías de conexión. Métodos de cálculo”.

En cuanto a la normativa fuera de España, aquí si encontramos normas de diversos organismos que son específicas para equipos de absorción. Entre las más importantes aparecen las siguientes: - Norma ARI 560:2000. “Absorption water chilling and water heating packages”. Esta norma ha sido desarrollada por el AHRI (Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute). Esta norma trata de establecer unos criterios de diseño, ensayos y publicación de datos para máquinas de absorción. Muchos catálogos de fabricantes de equipos de absorción indican que los datos ahí presentados han sido obtenidos bajo las condiciones especificadas en esta norma. Hay que decir que esta norma no es de obligado cumplimento, sino que trata de ser una referencia para fijar unos mínimos de calidad.

- Norma JIS B 8622:2002. “Absorption refrigerating machines”. Esta norma ha sido desarrollada por la “Japanese Standard Association”. Esta norma también es una referencia en cuanto a especificaciones técnicas de ensayos para algunos fabricantes. - Norma CAN/CSA 743-02. “Performance Standard for Rating Packaged Water Chillers”. Desarrollada por la CSA (Canadian Standard Association). - El organismo chino “Chinese National Standards”, a través de su comité para el equipamiento de refrigeración y acondicionamiento de aire (Committee of refrigeration & air-conditioning equipment), ha desarrollado varias normas de interés:

- Norma GB 18361-2001. “Safety requirements of lithium bromide absorption water chillers”.

- Norma GB/T 18362-2001. “Direct-fired lithium bromide absorption

water chillers (heaters)”.

- Norma GB/T 18431-2001. “Steam and hot water type lithium bromide absorption water chillers”.

- Norma GB 19577-2004. “The minimum allowable values of the energy

efficiency and energy efficiency grades for water chillers”. En resumen, podemos decir que sólo existe normativa específica extranjera, la mayoría de reciente creación, debido al esfuerzo realizado por diferentes organismos reguladores. Sin embargo, pese a que algunas normas son muy empleadas (como la ARI 560:2000 o la JIS B 8622:2002), todavía no existe ninguna normativa internacional ISO específica para máquinas de absorción, que ayudaría a homogeneizar y unificar los diferentes criterios, lo que seria un paso muy importante para el desarrollo de los equipos de absorción.



2.8. Diferentes usos y aplicaciones de los sistemas de absorción Anteriormente, cuando se describían las ventajas de las máquinas de absorción, se hablaba de su flexibilidad para poder ser empleadas en cualquier situación. Ahora veremos algunos ejemplos de implementación en plantas de diferentes industrias para poder emplear la energía residual de cada aplicación que anteriormente no era aprovechada. 2.8.1. Plantas de cogeneración Se puede usar los gases de escape de una turbina de gas o un motor alternativo a gas para generar agua caliente o vapor y producir frío mediante la maquina de absorción. En caso de querer emplear un modelo que trabaje con ciclo de doble efecto, si la temperatura de los gases de escape no es la suficiente (ver apartado 2.3) se podría recurrir a realizar una combustión suplementaria, o una extracción de la turbina, etc. También seria posible, en un ciclo de potencia que empleara una turbina de vapor, aprovechar el calor latente de condensación para accionar un equipo de absorción, con lo que estaríamos aprovechando esa energía en vez de verterla al medio ambiente a través del condensador. Sin embargo, eso tendría algunas implicaciones. La primera, es que el rendimiento eléctrico de la planta disminuiría debido a que seria necesario elevar la presión de salida del cuerpo de baja presión de la turbina, con lo que se reduciría el salto entálpico específico disponible en este cuerpo, lo que reduciría la potencia obtenida. Por lo tanto, ya sea por cuestiones económicas (disminución del beneficio económico por venta de electricidad) o por la demanda de potencia, la variación de la presión de salida debe ser pequeña. Esto hace que la temperatura de saturación del vapor no sea muy alta, lo que supondría tener que emplear equipos de simple efecto. La baja eficiencia de los equipos de simple efecto, junto a la pérdida de potencia, la posible perdida de beneficio por venta de electricidad, el coste de los equipos, montaje, etcétera, hacen que a día de hoy dicha configuración sea con seguridad económicamente inviable, si bien técnicamente si lo sería. En la figura 2-13, recogida en [8], se representa el esquema de una máquina de absorción acoplada a la instalación de una planta de cogeneración, formando una planta de trigeneración, que produciría frío y/o calor según las necesidades (como ya sabemos, la máquina de absorción se puede usar para producir ambas).



Figura 2-13. Esquema de una planta de trigeneración con máquina de absorción

Otra posible configuración de planta de cogeneración seria acoplar una máquina de absorción a la salida de una pila de combustible. La pila de combustible se alimenta con gas natural, que se somete a un proceso de reformado para producir la corriente de H2 que acciona la pila, para producir energía eléctrica. En el proceso de generación de energía eléctrica en la pila, se producen dos corrientes, la primera procedente de la refrigeración de la propia pila, y la segunda, la corriente de gases residuales del proceso de reformado del gas natural, cuyas energías térmicas pueden ser aprovechadas en un equipo de absorción. Existen muchos trabajos acerca de aplicaciones que combinan pilas de combustible y equipos de absorción. El artículo de Waragai et al. [] presenta un esquema muy completo de la instalación sobre la que se trabaja así como un interesante análisis de los datos obtenidos durante la operación de la misma. La compañía UTC Fuel Cells comercializa una pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) diseñada para aplicaciones de cogeneración. Se trata del modelo PureComfort® Model 200M. El equipo, además de la pila incluye una máquina de absorción de doble efecto que aprovecha la energía térmica generada en la pila de combustible. En condiciones nominales, genera 200 kW de potencia eléctrica y 265 kW de potencia térmica. El resto de las características de este modelo, así como de otros equipos comercializados por dicha empresa aparecen en los catálogos que se pueden visualizar en la página web del fabricante (www.utcpower.com). La figura 2-14 es una fotografía de un equipo de este modelo extraída del catálogo del fabricante, que puede descargarse de su página web [].



Figura 2-14. Fotografía de un equipo PureComfort® 200M

2.8.2. Plantas de tratamiento de residuos y EDAR En las plantas de tratamiento de residuos y en las estaciones depuradoras de aguas residuales, la materia orgánica allí tratada se descompone y genera biogás, compuesto fundamentalmente de metano, que liberado a la atmósfera produce efecto invernadero. Sin embargo, también es factible de ser empleado como combustible, lo que permitiría montar en la propia planta una instalación de cogeneración o trigeneración, consiguiendo así una gran valorización de los residuos. En la figura 2-15, extraída de [8], aparece representado un esquema genérico de una instalación de estas características, donde se representa la maquina de absorción en las dos posibilidades de funcionamiento: - Accionada directamente empleando el biogás como combustible. - Accionada con vapor obtenido del aprovechamiento del calor residual de los gases de escape del grupo de cogeneración. Actuaciones similares a éstas podrían realizarse también en las plantas de incineración de residuos y en vertederos. En las incineradoras, porque hay un calor residual en los gases producidos en la quema de residuos que se puede aprovechar, y en los vertederos, porque la materia orgánica allí depositada genera biogás al descomponerse al igual que en las depuradoras y en las plantas de residuos.



Figura 2-15. Esquema de una instalación de cogeneración alimentada con biogás

2.8.3. Climatización solar para el sector terciario En zonas geográficas que dispongan de un número de horas de sol al año razonable, las máquinas de absorción accionadas por energía solar pueden ser una alternativa eficiente y ecológica a los sistemas convencionales de climatización para edificios de oficinas, hospitales, centros comerciales, etc. La energía solar podría cubrir una gran parte de la demanda diaria, entrando a funcionar el grupo de apoyo en las horas de mayor demanda o cuando la radiación solar es mas baja. Podría darse también la situación inversa, es decir, que el sistema de refrigeración solar funcionara como grupo de apoyo de un sistema convencional, ya que normalmente los picos de demanda se dan a las horas de mayor temperatura ambiental, que suele coincidir con las horas de mayor radiación solar. Existen diferentes tipologías de captadores solares aptas para este tipo de aplicaciones que aparecen recogidas en la tabla 2-1:

Tipología Tª máxima de trabajo (ºC) Captador plano de alta eficiencia 100

Captador de vacío 80-150 Captador cilindro-parabólico 450

Captador Fresnel 290

Tabla 2-1. Tipologías de captadores solares y temperaturas máximas de trabajo

Estas tecnologías no se encuentran en fase de comercialización, pero actualmente hay varias plantas experimentales operando en diversos lugares del mundo.



La figura 2-16, recogida en [], corresponde a una instalación piloto que se encuentra en un hotel de Turquía que opera desde el año 2004.

Figura 2-16. Instalación piloto con captadores cilindro parabólicos en un hotel de Turquía

Hay una planta piloto en Lieja, Bélgica, donde se ha instalado un colector Fresnel, donde se ha conseguido producir vapor saturado a 290 ºC. La figura 2-17 incluye dos fotografías correspondientes a dicha instalación.

Figura 2-17. Instalación piloto con captadores Fresnel en Bélgica



Para mas información acerca de las tipologías de captadores y de las instalaciones piloto consultar [memo ref solar]. Otra planta piloto de estas características la podemos encontrar en la Escuela de Ingenieros de la Universidad de Sevilla. El estudio y la operación de dicha instalación son la base del proyecto “Refrigeración solar por absorción en el sector terciario”, promovido por Gas Natural, en donde también participan Aicia y el área de Termotecnia del departamento de Ingeniería Energética de dicha escuela. La instalación cuenta con un colector Fresnel de 120 kW de potencia que alimenta con agua caliente a una máquina de absorción de doble efecto de 174 kW de la firma Broad que se emplea en la climatización del edificio. La máquina cuenta con un quemador de gas natural como grupo de apoyo. Las figuras 2-18 y 2-19 son fotografías del colector Fresnel y de la máquina de absorción respectivamente. En ellas se aprecia de forma clara el tamaño de las mismas y la necesidad de espacio para su instalación.

Figura 2-18. Fotografía del colector solar Fresnel



Figura 2-19. Fotografía de la máquina de absorción Broad BZH-15

2.8.4. Refrigeración en turbinas de gas Otro posible uso de los equipos de absorción diferente al ya comentado de la climatización, es su aplicación a las turbinas de gas. La primera etapa del ciclo de potencia de la turbina de gas consiste en la compresión del aire en el compresor. Dicha etapa conlleva un gasto energético muy importante, que aumenta mucho al aumentar la temperatura de entrada del aire al compresor. Se podría aprovechar el calor residual de los gases de escape para accionar una máquina de absorción (con los propios gases de escape o mediante una corriente intermedia y un intercambiador) que enfríe la corriente de aire antes de su entrada al compresor. De este modo mejoramos la eficiencia del ciclo de dos maneras: le damos uso a la energía residual de los gases de escape, y reducimos la potencia de accionamiento del compresor, lo que aumenta la potencia neta entregada por la turbina de gas.



La firma York contempla este uso para sus equipos de absorción tal y como demuestra la figura 2-20 recogida en su catálogo []:

Figura 2-20. Esquema de turbina de gas con máquina de absorción incorporada para refrigeración de la corriente de aire a la entrada de la turbina

Se pueden encontrar en bases de datos especializadas diversos artículos que estudian esta aplicación, como los de Yang et al. [], Khaledi et al. [], y Boonnasa y Namprakai []. Esta aplicación de los equipos de absorción es especialmente útil en los climas cálidos, donde la alta temperatura ambiente penaliza de forma significativa la potencia de la turbina de gas.



2.9. Estudio de mercado de los equipos de absorción Una vez conocemos los fundamentos de la tecnología de refrigeración por absorción, pasaremos a conocer a los principales fabricantes y los diferentes modelos que actualmente podemos encontrar en el mercado. La tabla que figura a continuación resume las principales características de los diferentes equipos de absorción de cada firma:

Firma Serie Rango de potencias (kW)

COP nominal

Fluido de refrigeración

¿Uso energía solar?

Mezcla de trabajo

BDS 174-23260 0,78 Agua SI LiBr-H2O BS 174-23260 1,34 Agua SI LiBr-H2O BDH 151-20469 0,75 Agua SI LiBr-H2O BH 174-23260 1,34 Agua SI LiBr-H2O BDE 174-23260 0,78 Agua NO LiBr-H2O BE 174-23260 1,34 Agua NO LiBr-H2O BZ 174-23260 1,34 Agua NO LiBr-H2O

Broad

BZS,BZH,BZE,BZHE 174-23260 1,34 Agua SI/NO LiBr-H2O 16DJ 352-5274 1,1 Agua NO LiBr-H2O 16LJ 264-1846 0,7 Agua SI LiBr-H2O 16TJ 352-2461 0,65 Agua SI LiBr-H2O

Carrier

16NK 345-4652 N/D Agua SI LiBr-H2O K 105-352 1 Agua NO LiBr-H2O Yakazi S 35-105 0,7 Agua SI LiBr-H2O

Cogenie 35-739 0,67-0,7 Agua SI LiBr-H2O ProChill 844-4044 0,67-0,7 Agua SI LiBr-H2O

EcoChill Nxt 387-3893 1,2 Agua NO LiBr-H2O ProChill B4K (SE) 345-6492 0,7 Agua SI LiBr-H2O

Thermax

ProChill B4K (DE) 390-5926 1,2 Agua SI LiBr-H2O ABSC 394-1635 0,63 Agua SI LiBr-H2O ABSD 2008-4821 0,7 Agua SI LiBr-H2O ABTF 1266-6053 1,2 Agua SI LiBr-H2O

Trane

ABDL 338-3717 1 Agua NO LiBr-H2O YIA 420-4842 0,69 Agua SI LiBr-H2O

YPC-ST 1050-2373 1,19 Agua SI LiBr-H2O York YPC-DF 703-2372 1 Agua SI LiBr-H2O

ACF-60-00 17,5 0,74 Aire NO H2O-NH3 RTCF 35-87,5 0,74 Aire NO H2O-NH3

AYF-119/2/4 17,5 0,74 Aire NO H2O-NH3 Robur

RTYF 35-70 0,74 Aire NO H2O-NH3 Rotartica Solar 045 4,5 0,67 Aire SI LiBr-H2O

ClimateWell ClimateWellTM 10 20 0,68 Aire/agua SI LiCl-H2O

Tabla 2-2. Principales características de los equipos de absorción analizados

La columna “rango de potencias” y “COP nominal” corresponden al funcionamiento en modo refrigeración. La columna “¿Uso energía solar?” indica si en la serie correspondiente puede emplearse energía solar para el accionamiento de la máquina.



La siguiente tabla clasifica las series de equipos según el ciclo de trabajo y el tipo de accionamiento que emplean.

BROAD CARRIER YAKAZI THERMAX TRANE YORK ROBUR ROTARTICA CLIMATEWELL

SIMPLE EFECTO

Llama directa

- - - ProChill Nxt

- - GA, GAHP

- -

Vapor BDS 16TJ - ProChill B4K

ABSC, ABSD

YIA - - -

Gas caliente

BDE 16LJ S - ABSC, ABSD

YIA GAHP Solar 045 ClimateWellTM10

Agua caliente

BDH - - Cogenie, Prochill

- - - - -

DOBLE EFECTO

Llama directa

BZ, BZS, BZE, BZH,

BZHE 16DJ K - ABDL

YPC-DF

- - -

Vapor BS, BZS 16NK - ProChill B4K

ABTF YPC-ST - - -

Gas caliente

BE, BZE, BZHE

- - - ABTF - - - -

Agua caliente

BH, BZH - - - - - - - -

Tabla 2-3. Clasificación de las series de equipos de absorción según el ciclo de trabajo y el

tipo de accionamiento

En el anexo A se detallan las características técnicas de cada uno de los modelos de equipos de absorción que aparecen en las tablas 2-2 y 2-3.

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