UNIVERSIDAD FERMÍN TORO

INGENIERÍA EN MANTENIMIENTO MECÁNICO

REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

PROCESO DE REFRIGERACION

POR ABSORCION

Estudiante:

Luis Cardozo

CI: 21.125.770

Cabudare, Noviembre de 2016

DESCRIPCIÓN DEL CICLO DE ABSORCIÓN

Los ciclos termodinámicos de enfriamiento, tanto el de compresión como el de

absorción, permiten sacar calor del espacio que quiere enfriarse y llevarlo a

otro lugar donde se disipa. Para hacerlo, ambos sistemas aprovechan la

necesidad de un fluido, utilizado como refrigerante, de obtener calor del entorno

para pasar del estado líquido al de vapor al ser introducido en un espacio a

más baja presión. Mientras que en el ciclo de compresión la diferencia de

presiones se obtiene con un compresor mecánico, en el de absorción se

consigue aportando calor a una mezcla del refrigerante y otra sustancia que se

caracteriza por tener una gran afinidad con aquel y absorberlo fácilmente. En el

generador donde se aporta el calor, el refrigerante se separa del absorbente

por ebullición y, por la presión generada, recorre el circuito de alta presión

donde se condensa (como en el ciclo de compresión) hasta evaporarse de

nuevo en la zona de baja presión, donde se asocia con el absorbente para

poder volver juntos y en estado líquido al generador.

El ciclo de absorción no es un descubrimiento reciente, ya que el primer

antecedente es el experimento realizado por el escocés William Cullen en el

año 1755, cuando consiguió obtener una pequeña cantidad de hielo en una

campana mantenida a una presión reducida. Pero, de hecho, fue el francés

Ferdinand Carré quien en 1890 construyó la primera máquina de absorción

para la fabricación de hielo. En la evolución del ciclo de absorción se han

experimentado diversas parejas de refrigerante/absorbente, pero

comercialmente hay únicamente dos: la formada por el agua como refrigerante

y bromuro de litio como absorbente, y la que utiliza el amoníaco como

refrigerante y agua como absorbente.

Cada una de estas dos técnicas tiene sus peculiaridades. Mientras la

utilización del agua como refrigerante limita la temperatura de evaporación por

encima de 0°C, permite, en cambio, una mayor eficiencia energética que la que

se consigue con el ciclo de amoníaco que, por su parte, presenta la ventaja de

poder bajar las temperaturas muy por debajo de 0°C y condensar a

temperaturas más altas.

AHORROS Y VENTAJAS AMBIENTALES

La utilización de equipos de refrigeración por ciclo de absorción permite

ahorrar, en primer lugar, la energía primaria que habría hecho falta para

producir la electricidad necesaria para hacer funcionar los equipos

convencionales que sustituyen. Cuando el calor utilizado por la máquina de

absorción es de origen gratuito o residual, el ahorro es absoluto, mientras que

en los casos de aplicación de llama directa este dependerá de la energía

primaria y las características de producción de la electricidad sustituida. Este

aspecto es particularmente importante, tanto económica como

estratégicamente, en países como el nuestro en que en la producción eléctrica

dependemos mayoritariamente de la importación de combustibles de origen

fósil. Además, esto también permite la reducción de las emisiones de CO2 a la

atmósfera y, por lo tanto, permite acercarnos al cumplimiento de los acuerdos

de Kyoto. En cuanto a los fluidos utilizados en los ciclos de absorción, son

totalmente inocuos para el medio ambiente, lo que afianza el carácter ecológico

de los equipos de absorción.

Refrigeración por absorción utilizando energía solar térmica

PRINCIPALES APLICACIONES

Los equipos de refrigeración por ciclo de absorción pueden ser usados

de manera tan amplia como cualquier otra planta refrigeradora de agua

convencional, y las aplicaciones para aire acondicionado son las más usuales.

Actualmente, se está intensificando el uso en instalaciones del sector terciario

que disponen de campos de captadores solares térmicos para producción de

agua caliente sanitaria y calefacción, y estas instalaciones, en verano, cuando

es mayor la disponibilidad de radiación solar, en lugar de disipar los sobrantes,

los aprovechan para obtener refrigeración gratuita. La otra utilización clásica de

estos equipos es en procesos industriales, sobre todo en los que también se

utiliza una fuente de calor residual como energía para hacer funcionar el

equipo.

Equipo de refrigeración por absorción con ciclo amoniaco/agua

En cuanto a las plantas basadas en el ciclo amoníaco/agua como

refrigerante/absorbente, pueden utilizarse, además, en aplicaciones a baja

temperatura, como en la cadena de preparación y conservación de alimentos,

procesos vinícolas, tratamiento de lácteos, preparaciones farmacéuticas, etc.

De hecho, el campo de aplicación es muy amplio, ya que se trata de una

técnica muy desarrollada, totalmente fiable y con reducidos costes de

mantenimiento, que está disponible en unidades de más de 4.000 kW de

refrigeración con utilización para agua caliente, y de más de 6.000 kW a llama

directa. La mayoría de los equipos disponibles en el mercado mundial se

ajustan también a las directivas europeas, de conformidad con la marca CE.

Sin embargo, se recomienda verificar esto antes de seleccionar la marca y

asegurarse de que dispone también de servicio de asistencia técnica en el

mismo país.

CICLO DE CALEFACCIÓN

Para conseguir calentar el agua con el fin de cubrir con el mismo aparato

las necesidades de calefacción, se procede a abrir la válvula de cambio de

ciclo y se interrumpe la circulación del agua de enfriamiento procedente de la

torre evaporativa. Debe también cambiarse el ciclo en el control electrónico del

sistema con el fin que adopte la lógica correspondiente a este servicio.

Al igual que en el proceso de refrigeración, al hervir la solución en el

generador de alta temperatura el vapor asciende junto con gotas de solución

semidiluida a través de la bomba de burbujas, pero al estar ahora abierta la

válvula de cambio de ciclo, el vapor caliente accede al evaporador a través del

tubo de by-pass donde está colocada dicha válvula, ascendiendo dentro de él y

condensándose en la superficie del serpentín por el que circula el agua de la

instalación (el mismo por el que circula el agua a refrigerar en modo de

refrigeración), cediendo a esta el calor de condensación y haciendo que

aumente su temperatura.

Al mismo tiempo, una parte del vapor fluye a través del generador de

baja temperatura y el condensador, pero como por éste no circula el agua de

enfriamiento procedente de la torre, no puede producirse la condensación y

accede también al evaporador en fase vapor condensándose igualmente sobre

el serpentín del agua a calentar cediendo a ésta su calor latente.

La solución diluida, por su parte, se acumula en el colector inferior del

absorbedor de donde la bomba de solución le obliga a circular por los

intercambiadores de calor hasta alcanzar el generador de alta temperatura

donde vuelve a iniciarse el ciclo.

FUNCIONAMIENTO DEL CICLO DE ABSORCIÓN CON SOLUCIÓN

DE AMONIACO Y AGUA, A LLAMA DIRECTA DE GAS

El ciclo que se describe a continuación es el empleado por las unidades

de la marca ROBUR distribuidas por ABSORSISTEM y que utilizan como

energía combustibles gaseosos (gas natural o GLP).

El fluido utilizado en el ciclo de refrigeración, es una solución de agua y

amoniaco (NH3), siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el absorbente.

Una importante ventaja es que los agentes utilizados en la solución son

totalmente inocuos para el medio ambiente. El ciclo aprovecha la gran afinidad

del amoniaco con el agua, utilizado aquel como agente frigorífico dado que es

fácilmente absorbido por esta. El NH3 es el más tradicional de los refrigerantes

inorgánicos conociéndose como tal con la denominación de R-717

Ciclo de absorción H2O-NH3 a llama directa de gas

Para explicar el funcionamiento del ciclo de refrigeración, seguiremos el

curso de los fluidos y los cambios de estado en el gráfico de la figura 1.

Empezando el análisis del ciclo en el generador, situado en el centro del

gráfico, diremos que la solución de agua y amoniaco se calienta en su interior

por la aportación del quemador de gas, a una presión entre 14 y 24 bar, hasta

alcanzar una temperatura del orden de 180ºC a la que por ebullición se separa,

por un lado vapor con un elevada concentración de amoniaco (denominada

solución concentrada o fuerte) y por otra una solución líquida con baja

concentración de amoniaco, llamada solución diluida o pobre.

El vapor pasa a través del rectificador donde el contenido de agua es

separado por condensación al contacto del serpentín por cuyo interior circula

solución a una temperatura inferior al punto de rocío del vapor de agua en

estas condiciones. El vapor de amoniaco depurado del agua, sale del

rectificador a una temperatura aproximada de 75ºC y a una presión de unos 19

bar, entrando en el condensador. Éste lo forma una batería de tubos aleteados

por cuyo interior circula el amoniaco y por su cara externa el aire de la

atmósfera exterior impulsado por un ventilador. El flujo de aire enfría el

amoniaco hasta condensarlo y llevarlo al estado líquido, reduciendo su

temperatura a unos 43ºC.

A continuación, la presión del amoniaco líquido es reducida a unos 12

bar por un primer restrictor y luego enfriado en un intercambiador de calor del

tipo tubo en tubo, para seguidamente reducir todavía más la presión a 4 bar a

la cual entra en el evaporador donde, debido a la diferencia de presión, se

evapora a 2ºC obteniendo el calor latente de vaporización del agua a refrigerar

que circula en sentido inverso por el cuerpo del evaporador. Ésta agua que es

la que circula por la instalación del usuario, sale refrigerada a una temperatura

nominal de 7ºC entrando a una temperatura de 12ºC.

A la salida del evaporador, el vapor de amoniaco circula por el

secundario del intercambiador de calor tubo en tubo al que nos hemos referido

anteriormente, adquiriendo calor del amoniaco líquido que circula en sentido

contrario por el circuito primario, elevando su temperatura a 32ºC. En estas

condiciones entra en el pre-absorbedor al que llega también la solución acuosa

(la que denominamos diluida o pobre) procedente del generador después de

atravesar un restrictor de manera a reducir su presión a 4 bar, igual a la del

vapor de amoniaco. En éste dispositivo, en el cual se halla también un

serpentín por el que circula solución rica a una temperatura de unos 105ºC

como veremos más adelante, el vapor de amoniaco es absorbido por el agua

debido a su afinidad y calentado a unos 85ºC para dirigirse seguidamente al

absorbedor. Este último está formado, al igual que el condensador, por una

batería de tubos aleteados por cuyo interior circula la solución rica y por el

exterior el aire ambiente forzado por el ventilador. A lo largo del recorrido por el

interior del absorbedor, el amoniaco es íntegramente absorbido por el agua y

seguidamente aspirado por la bomba de solución a una temperatura de 44ºC. A

esta temperatura, es impulsado por la bomba de solución hacia el serpentín del

rectificador donde, como hemos visto, provoca la condensación del agua y al

mismo tiempo obtiene calor de ella y del vapor de amoniaco caliente que

procede del generador aumentando su temperatura hasta 105ºC. El próximo

paso es circular por el interior del serpentín del pre-absorbedor al que nos

hemos referido anteriormente, para volver finalmente al generador donde el

ciclo empieza de nuevo.

EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESION DE VAPOR

El ciclo de Carnot invertido no es práctico para comparar el ciclo

real de refrigeración. Sin embargo es conveniente que se pudieran aproximar

los procesos de suministro y disipación de calor a temperatura constante para

alcanzar el mayor valor posible del coeficiente de rendimiento. Esto se logra al

operar una máquina frigorífica con un ciclo de compresión de vapor. En la

Figura 3.15 se muestra el esquema del equipo para tal ciclo, junto con

diagramas Ts y Ph del ciclo ideal. El vapor saturado en el estado 1 se

comprime isoentrópicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor

refrigerante entra a un condensador, de donde se extrae calor a presión

constante hasta que el fluido se convierte en líquido saturado en el estado 3.

Para que el fluido regrese a presión mas baja, se expande adiabáticamente en

una válvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso 3-4 es una

estrangulación y h3=h4. En el estado 4, el refrigerante es una mezcla húmeda

de baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presión constante. De la

fuente de baja temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en

vapor saturado y se completa el ciclo. Observe que todo el proceso 4-1 y una

gran parte del proceso 2-3 ocurren a temperatura constante.

A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo de compresión de

vapor que se presentó en la Figura 3.15, contiene un proceso irreversible que

es el proceso de estrangulación. Se supone que todas las demás partes del

ciclo son reversibles.

La capacidad de los sistemas de refrigeración se expresa con base a las

toneladas de refrigeración que proporciona la unidad al operarla en las

condiciones de diseño. Una tonelada de refrigeración se define como la rapidez

de extracción de calor de la región fría ( o la rapidez de absorción de calor por

el fluido que pasa por el evaporador ) de 211 kJ/min o 200 Btu/min. Otra

cantidad frecuentemente citada para una máquina frigorífica es el flujo

volumétrico de refrigerante a la entrada del compresor, que es el

desplazamiento efectivo del compresor.

El coeficiente de rendimiento de un refrigerador se expresa como

El coeficiente de rendimiento de una bomba de calor se expresa como

PROCESO DE REFRIGERACION POR ABSORCION

COMPRESIÓN VAPOR VENTAJAS FLUIDOS COSTOS DESVENTAJAS

La refrigeración por

compresión es un

método de refrigeración

que consiste en forzar

mecánicamente la

circulación de un

refrigerante en un circuito

cerrado dividido en dos

zonas: de alta y baja

presión, con el propósito

de que el fluido absorba

calor del ambiente, en el

evaporador en la zona de

baja presión y lo ceda en

la de alta presión, en el

condensador.

La utilización de

equipos de

refrigeración por

ciclo de

absorción permite

ahorrar, en

primer lugar, la

energía primaria

que habría hecho

falta para

producir la

electricidad

necesaria para

hacer funcionar

los equipos

convencionales

que sustituyen.

La refrigeración por

compresión se basa

en el

aprovechamiento de

las propiedades de

ciertos fluidos,

llamados

refrigerantes o

fluidos frigorígenos,

de las cuales, la

principal para este

proceso, es que su

temperatura de

vaporización a

presión atmosférica

es extremadamente

baja.

Cuando el calor

utilizado por la

máquina de

absorción es de

origen gratuito o

residual, el ahorro

es absoluto,

mientras que en

los casos de

aplicación de llama

directa este

dependerá de la

energía primaria y

las características

de producción de

la electricidad

sustituida.

El rendimiento es menor que en el

método por compresión (0,8 frente a

5,5 ), sin embargo en algunos casos

compensa el que la energía

proveniente de una fuente calorífica

sea más económica, incluso residual o

un subproducto destinado a

desecharse. También hay que tener en

cuenta que el sistema de compresión,

utiliza normalmente la energía eléctrica,

y cuando ésta llega a la toma de

corriente lo hace con un rendimiento

inferior al 25% sobre la energía

primaria utilizada para generarla, lo que

reduce mucho las diferencias de

rendimiento.