Unidad 5: otros sistemas de refrigeración.

5.1 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ADSORCIÓN.

La adsorción es el fenómeno en el cual un cuerpo solido, bajo la liberación de una determinada cantidad de energía en forma de calor, atrapada (adsorbe) en su superficie una cantidad una cantidad de materia gaseosa, cuyo efecto contrario, ósea, la separación de la materia gaseosa del cuerpo solido mediante entrega de calor a dicho cuerpo, se conoce como desorción.

En los años 30 se desarrollo la maquina de refrigeración por adsorción, la cual fue inmediatamente desplazada por la aplicación de los refrigerantes de la serie metano.

El término adsorción se deriva de un proceso general denominado sorción, que describe la transferencia periódica de energía en dos subprocesos, en los cuales un medio sólido adsorbente bajo transferencia de energía adsorbe y desorbe una materia en estado gaseoso. Los dos subprocesos son clasificados en adsorción y desorción. La adsorción es el fenómeno en el cual un cuerpo sólido, bajo la liberación de una determinada cantidad de energía en forma de calor, adsorbe o atrapa en su superficie una cantidad de materia gaseosa, cuyo efecto contrario, o sea, la separación de la materia gaseosa del cuerpo sólido mediante entrega de calor a dicho cuerpo, se reconoce como desorción.

La adsorción se utiliza para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separar se liga de forma física o química a una superficie sólida.

El componente eliminado por adsorción de una mezcla gaseosa o líquida puede ser el producto deseado, pero también una impureza. Este último es el caso, por ejemplo, de la depuración de gases residuales.

El sólido recibe el nombre de adsorbente, y el componente que se adsorbe en él se denomina adsorbato. El adsorbente se debería ligar, en lo posible, sólo a un adsorbato, y no los demás componentes de la mezcla a separar.

Otros requisitos que debe cumplir el adsorbente son: una gran superficie específica (gran porosidad) y tener una buena capacidad de regeneración. Un adsorbente muy utilizado es el carbón activo.

Dado que la adsorción se favorece por temperaturas bajas y presiones altas, para la regeneración, es decir, para la desorción, se emplean temperaturas altas y presiones bajas.

De este modo, para la regeneración del adsorbente se puede utilizar, por ejemplo, vapor de agua o un gas inerte caliente.

Curva ideal de ruptura de un adsorbedor de lecho fijo:

C0 concentración de entrada de adsorbato en el fluido, C(t) concentración de adsorbato en el fluido en la salida del adsorbedor

Según transcurre el tiempo, disminuye la capacidad de adsorción en la zona inferior del lecho fijo. El adsorbato se va ligando al adsorbente en zonas cada vez más altas. Esto equivale a la migración de la zona de transferencia de materia (Mass Transfer Zone, MTZ) con el tiempo. Una vez la MTZ ha migrado completamente a través del lecho fijo (ruptura).

Hay muchas sustancias con esta capacidad, pero las más utilizadas en la práctica son el carbón vegetal activado, las zeolitas, las tierras de diatomeas y otras. Como los procesos de absorción y adsorción son en principio muy similares en cuanto a su resultado neto, la refrigeración por adsorción solo se diferencia de la de por absorción en la naturaleza de las sustancias adsorbedoras, el refrigerante y sus temperaturas de trabajo.Este método de refrigeración se ha considerado recientemente como una alternativa práctica para la utilización de fuentes renovables de energía en la producción de frío, y existen prototipos en uso en diferentes países, utilizando la energía solar diurna, para producir agua fría durante la noche.

Desde hace mucho tiempo el principio de la adsorción ha sido empleado en diferentes campos de la técnica de procesos, pero apenas en técnicas de refrigeración o climatización. Es entre los años veinte y treinta del siglo xx cuando se desarrolló la máquina de refrigeración por adsorción, desplazada enseguida por la aplicación de los compuestos CFC, descubiertos en aquella época en los

sistemas de refrigeración por compresión. Una de las razones más notables para su sustitución fue el carácter intermitente de su funcionamiento.

El gráfico siguiente muestra un esquema de un proceso de fabricación de carbón con la recuperación de los subproductos

La materia vegetal se introduce en una cámara aislada donde se calienta a través de un quemador de gases, los productos gaseosos debido a la descomposición se llevan hasta un condensador donde se producen tres fracciones:1.- Una fracción que permanece gaseosa y que se usa para calentar la propia instalación ya que contiene gases combustibles principalmente monóxido de carbono.2.- Una fracción líquida mayoritaria en agua donde están disueltas gran cantidad de sustancias (alcoholes, cetonas, fenoles,  aldehídos etc.)3.- Una fracción semi sólida (pastosa) conocida como alquitrán constituida por una mezcla de cientos de productos, principalmente hidrocarburos.La naturaleza y composición de las fracciones depende del tipo de materia vegetal utilizada, pero es en todos los casos una excelente fuente de materia prima para la industria química.El carbón vegetal quedará dentro de la cámara de calentamiento una vez que cese  laproducción de gases.

5.2 REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

El sistema de refrigeración por absorción se basa física mente en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio de absorber otras sustancias tal como el agua, en estado de vapor.

El sistema de refrigeración por absorción es un medio de producir frío que, al igual que en el sistema de refrigeración por compresión, aprovecha que las sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. Así como en el sistema de compresión el ciclo se hace mediante un compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor. Otra posibilidad es emplear el agua como substancia absorbente (disolvente) y amoníaco como substancia absorbida (soluto).

Bajando al nivel de los detalles, tenemos que en el ciclo agua-bromuro de litio el agua (refrigerante) que se mueve por un circuito a baja presión se evapora en un intercambiador de calor, llamado evaporador. Esto supone una detracción de calor de algún sitio (el necesario para que el agua se evapore) y produce el enfriamiento de un fluido secundario, que refrigerará los ambientes o cámaras que interese. Acto seguido el vapor es absorbido por el bromuro de litio (absorbente) en el absorbedor, produciendo una solución concentrada. Esta solución pasa al generador, donde se separan disolvente y soluto por medio de calor procedente de una fuente externa; el agua va al condensador donde cede la mayor parte del calor recibido en el generador, y desde allí va al evaporador, a través de una válvula de expansión; el bromuro, como solución débil, vuelve al absorbedor para reiniciar el ciclo. Al igual que los sistemas de compresión que utilizan agua en sus procesos, el sistema requiere una torre de enfriamiento para disipar el calor sobrante.

Esquema del ciclo de refrigeración por absorción.

VENTAJAS E INCONVENIENTES

El rendimiento, medido por el COP (coefficient of performance, en la normativa española, por el CoDeRE, Coeficiente De Rendimiento Energético), es menor que en el método por compresión (entre 0,8 y 1,2 frente a 3 y 5,5). Si bien es cierto que el COP obtenido mediante compresión tiene en cuenta la energía eléctrica invertida en el compresor, que no es energía primaria en si. En cambio en un sistema de absorción la energía utilizada para el cálculo del COP es el calor aportado al generador, que sí es una energía primaria evaluable. Por tanto no se puedencomparar el COP de compresión y de absorción (es mejor y más útil compararlos a través del segundo principio de la termodinámica, para valorar la calidad de la energía utilizada).Un ejemplo de esta situación podría ser una instalación de aire acondicionado solar: si se utilizasen placas fotovoltaicas sólo se podría utilizar un 15-20% de electricidad en comparación con unos paneles solares térmicos que podrían aprovechar hasta el 90% de la energía solar recibida, y a un precio de instalación mucho más reducido.

El conjunto completo paneles solares-absorción tendría un COP de entre 0,72 y 1,08 y el de compresión entre 0,54 (18% paneles y COP de 3, muy habitual) y 1,1 (20% paneles y COP de 5,5) Si se utiliza la energía eléctrica de la red, para el sistema de compresión, 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 (0,8 frente a 1,37). A pesar de ello en ciertos casos, cuando la energía proviene de una fuente de calor económica, incluso residual o un subproducto destinado a desecharse, compensa ampliamente utilizar un sistema de absorción.

Al calor aportado al proceso de refrigeración se le suma el calor sustraído de la zona enfriada. Con lo que el calor aplicado puede reutilizarse. Sin embargo, el calor residual se encuentra a una temperatura más baja (a pesar de que la cantidad de calor sea mayor), con lo que sus aplicaciones pueden reducirse.

También se pueden utilizar intercambiadores de placas, para precalentar la solución de agua-bromuro de litio, antes de pasar al calentador (separador), utilizando el bromuro de litio ya calentado, el cuál a su vez se enfría.

Los aparatos generadores por absorción son más voluminosos y requieren inmovilidad (lo que no permite su utilización en automóviles, lo que sería muy conveniente como ahorro de energía puesto que el motor tiene grandes excedentes de energía térmica, disipada en el radiador).

Otras de las formas de aprovechamiento, es a través de la Cogeneración (en este caso, mejor dicho, Trigeneración), es decir, el aprovechamiento del calor residual de las centrales termoeléctricas, es decir, de una energía gratuita.

5.3 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR CICLO DE AIRE

Este tipo de sistemas de refrigeración trabajan utilizando el ciclo brayton inverso con regeneración, y su aplicación mas importante de estos sistemas es el acondicionamiento de aire en las cabinas de los aviones.

5.4 BOMBAS DE CALOR

Una bomba de calor es una maquina térmica que permite transferir energía mediante calor de un ambiente apocro, según se requiera.

El principio de la bomba de calor se utiliza en la industria para todo lo relacionado con HVAC (Hot Ventilation and Air aconditioning).

Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía mediante calor de un ambiente a otro, según se requiera. Para lograr esta acción es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualen.

Este fenómeno de transferencia de energía calorífica se realiza principalmente por medio de un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, cuya particularidad radica en una válvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando el condensador en evaporador y viceversa.

USOS

El principio de la bomba de calor se utiliza en sistemas de climatización o HVAC, así como en sistemas domésticos de aire acondicionado, dado que el ciclo reversible que tiene este sistema otorga la posibilidad tanto de extraer como de ingresar energía al medio -"enfriar" o "calentar"- con un mismo equipo, controlando arranques, paradas y el ciclo reversible en forma automática. Gracias a su versatilidad, es posible encontrar bombas de calor tanto para calentar una piscina como para controlar el ambiente de un invernadero.

Bomba de Calor Aire-Aire tipo Roof-To(Unidad de aire acondicionado de tejado)

En la actualidad, y en pos del ahorro energético, cada vez es más usual encontrar arreglos de bombas de calor asistidos por colectores solares y en sistemas geotérmicos.

FUNCIONAMIENTO

Una bomba de calor de refrigeración por compresión emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de ebullición. Éste requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae esa energía de su alrededor en forma de calor.

El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, que eleva su presión y aumentando con ello su entalpía. Una vez comprimido el fluido refrigerante, pasa por un intercambiador de calor llamado 'condensador', y ahí cede calor al foco caliente, dado que el fluido refrigerante (que ha salido, recordémoslo, del compresor) está aún más caliente que ese foco caliente. En cualquier caso, al enfriarse en fluido refrigerante en el condensador (gracias a la cesión de calor al foco caliente), cambia su estado a líquido. Después, a la salida del condensador, se le hace atravesar una válvula de expansión, lo cua supone una brusca caída de presión (se recupera la presión inicial). A esa presión mucho menor que la que había en el condensador, el fluido refrigerante empieza a evaporarse. Este efecto se aprovecha en el intercambiador de calor llamado evaporador que hay justo después de la válvula de expansión. En el evaporador, el fluido refrigerante (a mucha menos presión que la que había en el condensador) empieza a evaporarse, y con ello absorbe calor del foco frío, puesto que el propio fluido está más frío que dicho foco. El fluido evaporado regresa al compresor, cerrándose el ciclo.

La válvula inversora de ciclo o válvula inversora de cuatro vías se encuentra a la salida (descarga) del compresor y, según la temperatura del medio a climatizar (sensada en la presión de refrigerante antes de ingresar al compresor), invierte el flujo del refrigerante.

Válvula inversora de ciclo o "válvula de cuatro vías".

RENDIMIENTO

La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente.

Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina.

Las bombas térmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance) mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias eléctricas. Una parte muy importante de este calor se toma de la entalpía del aire atmosférico. En toda bomba de calor se verifica que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la potencia consumida por el compresor, que se transmite al fluido.

QC = QF + W

Dado que el efecto útil de una bomba de calor depende de su uso, hay dos expresiones distintas del COP. Si la máquina se está usando para refrigerar un ambiente, el efecto útil es el calor extraído del foco frío:

COP = QFW

Si la bomba de calor está usándose para calentar una zona, el efecto útil es el calor introducido:

COP = QCW

= QF+WW

Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos.

5.5. CRIOGENIA

La criogenia desde el punto de vista de la refrigeración es el conjunto de técnicas utilizadas para congelar o conservar productos perecederos; también se utiliza la criogenia en la industria metal mecánica especifica mente en el área de investigación para determinar la resistencia de los materiales a condiciones muy extremas de frio.

APLICACIONES

La criogenia es ampliamente utilizada en tecnologías que dependen de la superconductividad, pues todos los superconductores conocidos lo son solo a bajas temperaturas (la temperatura critica superconductora mas alta registrada hasta la fecha, a presión ambiente, esta en torno a los 135 K (-138,15 °C), pero generalmente son mucho mas bajas). Por ejemplo, los aparatos de resonancia magnética nuclear utilizados en medicina dependen de técnicas criogénicas para mantener la temperatura de los imanes superconductores que albergan.

Mediante el uso de técnicas más avanzadas es posible alcanzar temperaturas aun mas cercanas al cero absoluto (del orden de la milésima de kelvin): refrigeradores de dilución y des magnetización adiabática. Tales técnicas tienen su principal aplicación en el campo de la investigación, pues a temperaturas suficientemente bajas los efectos de la mecánica cuántica se hacen notar en cuerpos macroscópicos.

CRIÓNICA

Con frecuencia se denomina errónea mente criogenia a la crionica o crio preservación, que es el conjunto de técnicas utilizadas para preservar, utilizando muy bajas temperaturas, personas legalmente muertas, o animales, para una posible reanimación, cuando la ciencia y la tecnología futura puedan remediar toda enfermedad y revertir el daño debido al proceso de crio preservación.En los Estados Unidos ya existen compañías, como la Alcor, que se dedican a la crio preservación de cuerpos o cabezas humanas por las que han pagado sus dueños o familiares, optando por la conservación de la base biológica, para luego, en tiempos donde el conocimiento científico sea el adecuado, los encargados de estas compañías los hagan "volver a funcionar" por métodos mecánicos o cibernéticos. Los encargados de estas compañías dedicadas a la crionica se comprometen ante la ley y los propios consumidores a cumplir los requisitos de los acuerdos iniciales.

OTROS USOS

También se utilizan en la congelación de alimentos, fluidos criogénicos como el nitrógeno o dióxido de carbono, que sustituyen al aire frio para conseguir el efecto congelador:

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE ALVARADO

CARRERA:

INGENIERIA MECANICA

MATERIA:

REFRIGERACION Y AIRE ACONDICIONADO

CATEDRATICO

M.C. ALEXANDRO BARRADAS DIAZ

ALUMNO:

ALAN MIGUEL PEREZ YEPEZ

GRUPO:

N/A

H. Y G. ALVARADO, VER 25 DE ABRIL DEL 2013