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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera Simulación de un sistema de refrigeración por absorción/difusión (DAR) Autor/es Asier Gimeno Erburu Director/es y/o ponente Jesús Guallar Paracuellos Escuela de Ingeniería y Arquitectura de Zaragoza 2013 SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN/DIFUSIÓN (DAR) Resumen Los sistemas de refrigeración que utilizan amoníaco y agua, tienen la ventaja de utilizar energía térmica de baja temperatura para producir frío. En estos sistemas amoniacoagua estándar, es necesario emplear una bomba para pasar la solución del absorbedor al generador; esto permite conseguir la presión de alta del ciclo, que es la del generador. Si sólo se dispone de energía calorífica, el empleo de una bomba no es posible y estos ciclos son inviables. Si al sistema de absorción se le agrega un tercer fluido, un gas inerte (H2, He), que no reaccione con el absorbente (H2O) y el refrigerante (NH3), se tiene un ciclo de absorción que funcione sin la bomba de la solución y sin ninguna otra parte que consuma energía eléctrica, este es el llamado ciclo refrigeración de absorción/difusión (DAR) ó ciclo Servel-Electrolux. Al añadir el gas inerte se presenta un cambio en el funcionamiento de evaporador y absorbedor de la instalación. El ciclo opera de acuerdo a la ley de Dalton sobre presiones parciales y total de mezclas de gases. La instalación se carga con la cantidad adecuada de gas inerte, atendiendo a las características de la instalación y condiciones de funcionamiento del ciclo. De igual manera las concentraciones de trabajo que se obtienen una vez que la solución diluida absorbió al amoniaco de la mezcla gaseosa, dependen de la temperatura ambiente y de la temperatura de la fuente de calor. El interés actual del estudio de estos ciclos DAR de climatización, está en que se trata de una tecnología que utiliza fuentes de energía no convencionales y/o energía residual, lo que supone un ahorro en el coste energético de la climatización. Contenido 1. Principios de Funcionamiento del ciclo DAR y modelo teórico de balances. 2. Descripción de los principales componentes del ciclo y caracterización de los fluidos de trabajo. 3. Comparación de sistemas DAR frente a sistemas de compresión de vapor y de absorción convencionales. 4. Modelización mediante EES (Engineering Equation Solver) de ciclos de refrigeración DAR. 5. Condiciones de operación, coeficientes de rendimiento (EER) y curvas de funcionamiento de los componentes fundamentales. 6. Aplicación de fuentes de energía de bajo nivel térmico al sistema de refrigeración DAR I Índice 1. Introducción 1.1 Antecedentes ...................................................................................... pág. 1 1.2 Fuentes energía térmica ..................................................................... pág. 4 1.3 Ciclo absorción convencional: o Máquinas de absorción .......................................................... pág. 6 o Funcionamiento ciclo ............................................................ pág. 7 o Diferencias entre un ciclo de absorción y uno de compresión de vapor ....................................................... pág. 10 o Impacto ambiental ............................................................... pág. 11 1.4 Ciclo absorción difusión o Descripción del ciclo por los diferentes recorridos de los fluidos ...................................................... pág. 13 o Explicación y relación de las corriente ................................ pág. 17 o Recorrido del absorbente (agua). ......................................... pág. 19 o Recorrido del gas inerte (hidrógeno). .................................. pág. 20 o Recorrido del refrigerante (amoniaco) ................................ pág. 21 1.5 Componentes del sistema o Intercambiador de gases ...................................................... pág. 24 o Evaporador........................................................................... pág. 25 o Absorbedor .......................................................................... pág. 26 o Tanque del absorbedor......................................................... pág. 30 o Intercambiador de líquidos .................................................. pág. 30 o Generador y bomba burbujeante ......................................... pág. 33 o Rectificador ......................................................................... pág. 35 o Condensador ........................................................................ pág. 35 1.6 Propiedades fluidos o Refrigerante ......................................................................... pág. 36 o Absorbente ........................................................................... pág. 37 o Gas inerte ............................................................................. pág. 37 II o Mezcla amoniaco - agua ...................................................... pág. 39 1.7 Disipadores de calor: o Aero-refrigeradores ............................................................. pág. 45 o Consideraciones en máquinas de absorción ........................ pág. 46 2. Configuraciones 2.1 Configuración 1 ............................................................................. pág. 49 o Variables a introducir en el EES (Inputs) ............................ pág. 54 o Resultados obtenidos con el EES ........................................ pág. 57 2.2 Configuración 2 ............................................................................. pág. 63 o Variables a introducir en el EES (Inputs) ............................ pág. 66 o Resultados obtenidos con el EES ........................................ pág. 67 2.3 Configuración 3 ............................................................................. pág. 74 o Configuración 2-1: Amoniaco subenfriado antes de entrar al evaporador ............................................... pág. 78 o Variables a introducir en el EES (Inputs) ............................ pág. 80 o Resultados obtenidos con el EES ........................................ pág. 83 o Situación de uso real ............................................................ pág. 87 2.4 Ventajas e inconvenientes ............................................................. pág. 88 2.5 Equipos reales ................................................................................ pág. 90 3. Implementación de colectores solares 3.1 Clasificación de los colectores solares .......................................... pág. 97 3.2 Colectores concentradores ........................................................... pág. 100 3.3 Colector Cilíndrico Parabólico. CCP .......................................... pág. 101 3.4 Perdidas colector CCP ................................................................. pág. 104 3.5 Rendimiento de un colector CCP ................................................ pág. 107 3.6 Ventajas y contras ........................................................................ pág. 109 4. Bibliografía ...................................................................................................... pág. 110 Anejos o Anejo 1 - EES - Experimento 1 ........................................................... pág.112 o Anejo 1 - EES - Experimento 2 .......................................................... pág. 124 o Anejo 1 - EES - Experimento 3 .......................................................... pág. 136 III Índice de figuras 1. Introducción 1.5 • Figura 1.3-1 Ciclo de absorción convencional alimentado con colectores solares ......................................................... pág. 8 1.4 • Figura 1.4-1 Figura ciclo DAR............................................................ pág. 14 • Figura 1.4-2 Figura ciclo DAR............................................................ pág. 15 • Figura 1.4-3 Diagrama ciclo DAR ...................................................... pág. 16 • Figura 1.4-4 Diagrama presión parcial de amoniaco vs temperatura .......................................................................................... pág. 22 1.5 • Figura 1.5-1 Absorbedor de película descendente en configuración de tubos verticales (a) y de tubos horizontales (b) ................................................................................... pág. 27 • Figura 1.5-2 Absorbedor de spray o aspersión adiabático .................. pág. 28 • Figura 1.5-3 Intercambiadores de tubo doble ..................................... pág. 32 • Figura 1.5-4 Bomba burbujeante ......................................................... pág. 33 • Figura 1.5-5 Diferentes configuraciones de la bomba burbujeante .......................................................................................... pág. 34 1.6 • Figura 1.6-1 Curva de rocío y de burbuja mezcla zeotrópica ............................................................................................ pág. 40 • Figura 1.6-2 Diagrama del agua, presión de vapor frente a temperatura ....................................................................................... pág. 41 • Figura 1.6-3 Curvas, entalpía de la fase líquida frente a concentración de amoniaco, a una atmósfera ...................................... pág. 42 • Figura 1.6-4 Curva solubilidad del amoniaco en agua frente a temperatura ............................................................................ pág. 43 2. Configuraciones 2.1 IV • Figura 2.1-1 Diagrama DAR ............................................................... pág. 50 • Figura 2.1-2 Gráfico T vs Entropía ..................................................... pág. 51 • Figura 2.1-3 Gráfico Presión parcial amoniaco vs Temperatura......................................................................................... pág. 52 • Figura 2.1-4 Bomba burbujeante ......................................................... pág. 53 • Figura 2.1-5 Diagrama DAR, en el EES ............................................. pág. 56 • Figura 2.1-6 Gráfico de resultados experimentales. EER vs Fracción de amoniaco en la solución pobre vs Temperatura del generador .................................................................. pág. 59 • Figura 2.1-7 Gráfico de resultados obtenidos con el EES. EER vs Fracción de amoniaco en la solución pobre vs Temperatura del generador ................................................... pág. 60 • Figura 2.1-8 Gráfico de resultados experimentales. EER vs Fracción de amoniaco en la solución rica vs Temperatura del generador .................................................................. pág. 61 • Figura 2.1-9 Gráfico de resultados obtenidos con el EES. EER vs Fracción de amoniaco en la solución rica vs Temperatura del generador ............................................................. pág. 62 2.2 • Figura 2.2-1 Diagrama DAR ............................................................... pág. 64 • Figura 2.2-2 Gráfico T vs Entropía ..................................................... pág. 65 • Figura 2.2-3 Gráfico de resultados experimentales. EER vs Fracción de amoniaco en la solución pobre vs Temperatura del generador .................................................................. pág. 70 • Figura 2.2-4 Gráfico de resultados obtenidos con el EES. EER vs Fracción de amoniaco en la solución pobre vs Temperatura del generador ................................................... pág. 71 • Figura 2.2-5 Gráfico de resultados experimentales. EER vs Fracción de amoniaco en la solución rica vs Temperatura del generador .................................................................. pág. 72 • Figura 2.2-6 Gráfico de resultados obtenidos con el EES. EER vs Fracción de amoniaco en la solución rica vs Temperatura del generador ............................................................. pág. 73 V 2.3 • Figura 2.3-1 Diagrama DARS-1 ......................................................... pág. 75 • Figura 2.3-2 Diagrama DARS-2 ......................................................... pág. 76 • Figura 2.3-3 Diagrama DARS-1WE ................................................... pág. 77 • Figura 2.3-4 Diagrama T-s, DARS-1 .................................................. pág. 78 • Figura 2.3-5 Gráfica Tª salida del condensador .................................. pág. 79 • Figura 2.3-6 Gráfica Tª entrada generador .......................................... pág. 79 • Figura 2.3-7 Gráfica Tª salida evaporador .......................................... pág. 80 • Figura 2.3-8 Diagrama DARS-1, en el EES ........................................ pág. 82 • Figura 2.3-9 Gráfica EER vs temperatura del absorbedor .................. pág. 85 • Figura 2.3-10 Gráfica EER vs temperatura salida del evaporador .......................................................................................... pág. 86 2.5 • Figura 2.5-1 Nevera Electrolux .......................................................... pág. 90 • Figura 2.5-2 Nevera Dometic .............................................................. pág. 91 • Figura 2.5-3 Nevera Junkers ................................................................ pág 92 • Figura 2.5-4 Neveras Taver Instaclack................................................. pág.93 • Figura 2.5-5 Nevera Butsir .................................................................. pág. 94 • Figura 2.5-6 Nevera Kellec ................................................................. pág. 95 3. Implementación de colectores solares 3.2 • Figura 3.3-1 Colector cilíndrico parabólico ...................................... pág. 102 Anejos Anejo 1 • Figura Anejo1-1 Gráfica EER vs Temperatura salida evaporador ......................................................................................... pág. 120 • Figura Anejo 1-2 Gráfica EER vs Fracción molar amoniaco en el evaporador ................................................................ pág. 121 • Figura Anejo 1-3 Gráfica EER vs Fracción másica amoniaco en la corriente rica............................................................. pág. 123 Anejo 2 VI • Figura Anejo 2-1 Gráfica EER vs Temperatura salida evaporador ......................................................................................... pág. 132 • Figura Anejo 2-2 Gráfica EER vs fracción molar amoniaco en el evaporador ................................................................ pág. 133 • Figura Anejo 2-3 Gráfica EER vs fracción másica de amoniaco en la corriente rica............................................................. pág. 135 VII Índice de tablas 1. Introducción 1.5 • Tabla 1.5-1 Características de los absorbedores de película descendente y de burbuja ....................................................... pág. 29 2. Configuraciones 2.1 • Tabla 2.1-1 Tabla temperaturas de corrientes de input ....................... pág. 55 • Tabla 2.1-2 Tabla de resultados del EES. Entalpía, flujo másico y temperatura............................................................................ pág.57 • Tabla 2.1-3 Tabla de resultados del EES. Presión parcial de amoniaco e hidrógeno ..................................................................... pág. 57 • Tabla 2.1-4 Tabla de resultados del EES. Fracción de gas y fracción de amoniaco ................................................................. pág. 58 • Tabla 2.1-5 Tabla de resultados del EES. Energía de entrada y de salida ............................................................................... pág. 59 2.2 • Tabla 2.2-1 Tabla temperaturas de corrientes de input ....................... pág. 66 • Tabla 2.2-2 Tabla de resultados del EES. Entalpía, flujo másico y temperatura........................................................................... pág. 67 • Tabla 2.2-3 Tabla de resultados del EES. Presión parcial de amoniaco e hidrógeno ......................................................... pág. 67 • Tabla 2.2-4 Tabla de resultados del EES. Fracción de gas y fracción de amoniaco ................................................................. pág. 68 • Tabla 2.2-5 Tabla de resultados del EES. Energía de entrada y de salida ............................................................................... pág. 68 2.3 • Tabla 2.3-1 Tabla temperaturas de corrientes de input. ...................... pág. 81 • Tabla 2.3-2 Tabla de resultados del EES. Entalpía, flujo másico y temperatura........................................................................... pág. 83 • Tabla 2.3-3 Tabla de resultados del EES. Presión parcial de amoniaco e hidrógeno ..................................................................... pág. 83 1.2 Fuentes de energía térmica 5 también con sistemas dotados con activación dual (gases calientes y llama directa) o bien equipos a dos niveles de temperatura.[1] • Climatización con energía solar térmica, éstos suelen ser enfriadoras de H2OLiBr de simple efecto accionadas con agua caliente a temperaturas inferiores a 90 ºC. Estos equipos se pueden utilizar en los sistemas de cogeneración. Los objetivos perseguidos con los nuevos desarrollos tienen que ver por un lado con la reducción del nivel térmico requerido de la energía de activación, con la disipación del calor mediante el aire en lugar de requerir agua, con la activación a varios niveles de temperatura para conseguir un mejor aprovechamiento de los recursos energéticos etc.[1] Las aplicaciones frigoríficas son el otro de campo de aplicación en que la tecnología de refrigeración por absorción sigue siendo interesante y competitiva frente a la de compresión en determinadas aplicaciones. En este caso la mezcla NH3-H2O es la única opción existente para producción de frío hasta temperaturas de –60 ºC y en un amplio intervalo de potencias desde 250 kW hasta megavatios. En los últimos años la implantación de los sistemas de cogeneración con turbinas y motores de gas en sectores industriales como el agroalimentario, petroquímico y farmacéutico, ha favorecido la utilización de este tipo de plantas que utilizan el calor residual para su activación. Normalmente, estas plantas se diseñan y construyen a medida para cada aplicación específica. 1.3 Ciclo de absorción convencional 6 1.3 Ciclo absorción convencional Los ciclos DAR son ciclos de absorción convencionales en los que se ha sustituido la bomba que comprime los líquidos que funciona con electricidad por una bomba burbujeante necesita calor como fuente de energía. debido a la similitud de estos ciclos primero explicaré el funcionamiento del ciclo de absorción convencional para que se vean de forma más clara las diferencias. Máquinas de absorción El frío se genera tradicionalmente mediante máquinas de compresión y este sistema, el de los aparatos de aire acondicionado, más o menos sofisticados, es el que se usa en el sector residencial de forma creciente en España. Sin embargo, hay otros sistemas de generación de frío, se trata de máquinas térmicas que realizan un ciclo inverso de Rankine modificado y que operan con amoniaco o agua como líquido refrigerante. Su interés radica en que la energía consumida para su funcionamiento es de tipo térmico, y no mecánica como ocurre en las máquinas de compresión. Se sustituye así la compresión mecánica por una “térmica”, mediante la integración del refrigerante en un agente absorbente. Los sistemas de refrigeración por absorción presentan la ventaja respecto a los de compresión de vapor de requerir una demanda eléctrica casi despreciable, sustituyendo esta por demanda térmica. El principal atractivo de estos equipos es la capacidad de aprovechar calores residuales. Las máquinas de absorción a su vez se subdividen en dos, de simple y doble efecto: • Las máquinas de simple efecto utilizan agua a temperaturas entre 85 a 100° C, vapor a baja presión (0,1 a 3 bar) o gases de escape hasta 400° C. Su EER está entre 0,6 y 0,8. • Las de doble efecto utilizan a vapor a media presión (3 a 9 bar), agua a temperatura más elevada (140 a 200° C) o gases de escape a 500 ó 600° C. Su EER es más elevado (entre 0,8 y 1,2). Las máquinas de absorción más adecuadas utilizan como absorbente el Bromuro de Litio y como refrigerante el agua. Esta solución es ventajosa por que los productos no 1.3 Ciclo de absorción convencional 7 son tóxicos ni inflamables, son de menos coste y tienen un rendimiento más alto. Sin embargo, no pueden operar por debajo de +5° C, es necesario controlar su operación para evitar la cristalización del absorbente y la corrosión. Otras máquinas utilizan como absorbente el agua y como refrigerante el amoniaco. Aunque esto elimina los problemas de cristalización y las limitaciones de temperatura, sus costes son más elevados, los productos empleados son tóxicos e inflamables, tienen un peor rendimiento y operan a presiones más elevadas. La máquina de absorción es una bomba de calor que permite traspasar energía de una fuente a baja temperatura a otra fuente a alta temperatura mediante el consumo adicional de energía térmica. Basa su funcionamiento en la capacidad de determinadas sales y líquidos para absorber a un fluido refrigerante. Funcionamiento del ciclo [2] El principio de operación es el mismo que el de un sistema clásico por compresión de vapor: el enfriamiento procede de la evaporación de un refrigerante. La principal diferencia radica en la facilidad y la eficiencia para comprimir una mezcla líquida frente a comprimir gases, mucho más costoso debido a los cambios de volumen que estos sufren durante la compresión. En el sistema de absorción se ha sustituido el compresor del sistema de refrigeración por compresión de gases por una bomba de líquidos. Los sistemas de refrigeración por absorción se caracterizan por: • Usar mezclas de agua (medio de transporte), y amoniaco (refrigerante) o bromuro de litio (medio de transporte) y agua (refrigerante) en lugar de refrigerantes que atentan contra la capa de ozono (CFC, CO2...) • Los sistemas que usan mezclas de bromuro de litio-agua operan a bajas presiones (condiciones de vacio) y los de amoniaco-agua a presiones moderadas-altas. • No utilizan compresores. • La entrada principal de energía al sistema procede de una fuente de calor. El ciclo de absorción convencional es dependiente de la electricidad y utiliza una bomba para mantener la diferencia de presiones entre el lado del evaporador y del condensador. Además, la sustancia refrigerante sufre un proceso de estrangulamiento en 1.3 Ciclo de absorción convencional 8 una válvula pasando de líquido a elevada presión a una mezcla bifásica, liquido en su mayor parte, a menor presión. De esta forma el refrigerante podrá absorber calor desde ambientes mucho más fríos. Esta diferencia de presión se mantiene, generalmente, mediante una bomba asociada a un motor eléctrico que genera ruido, vibraciones o tiene problemas con la lubricación...siendo preciso a su vez un sistema de control de la temperatura por termostato que accione el motor cuando se supere un nivel de temperatura crítico. En la figura 1.3-1 se puede observar que el ciclo de refrigeración por absorción convencional es muy similar al de compresión de vapor ya que el refrigerante absorbe calor del medio a enfriar en el evaporador, y cede calor al ambiente en el condensador. El sistema de absorción convencional está compuesto por: un absolvedor; una bomba; un generador, un regenerador un rectificador; un condensador; una válvula de expansión y un evaporador. Figura 1.3-1 Ciclo de absorción convencional alimentado con colectores solares 1.3 Ciclo de absorción convencional 9 En el sistema de la figura el calor que necesita el generador el suministrado mediante energía solar. Descripción del sistema por componentes: • Condensador: Partiendo desde el condensador. A este le llega el refrigerante, amoniaco en este caso, en fase gas y a presión y temperatura elevada. En el condensador se enfría el refrigerante en contacto con el medio caliente, la presión del refrigerante debe ser lo suficientemente elevada para que pueda condensar a una temperatura mayor que la temperatura del medio caliente. Del condensador sale refrigerante líquido a alta presión. • Válvula de expansión y evaporador: La válvula de expansión situada justo antes de evaporador es la encargada de quitar presión al refrigerante líquido para que este evapore en el evaporador y absorba calor, este es el calor útil del sistema. Del evaporador sale refrigerante en fase gas a baja presión. • Absorbedor: En el absorbedor el refrigerante en fase gas a baja presión que viene del evaporador entra en contacto con agua a temperatura ambiente que se encuentra en el absorbedor. Aquí se produce el fenómeno de absorción entre el agua y al amoniaco, este fenómeno desprende calor por lo que debemos refrigerar el absorbedor para que la temperatura de la mezcla sea lo más baja posible para que la absorción se produzca mejor, en este caso refrigerado con agua de enfriamiento. • Bomba: A la bomba la llega la mezcla líquida de amoniaco y agua a baja presión. Esta aumenta la presión de la mezcla y la bombea al generador. Normalmente la potencia de esta bomba es muy baja encontrándose alrededor del 1% del calor aportado en el generador. • Regenerador: es un intercambiador de líquidos que recupera calor de la corriente de retorno del absorbedor cediéndosela a la de ascenso al generador. Gracias a esta cesión de calor se necesita aportar menos calor en el generador. 1.3 Ciclo de absorción convencional 10 • Generador: En el generador se separa el amoniaco y el agua. Se necesita un aporte de calor para evaporar la mezcla líquida, como el amoniaco es más volátil que el agua este se encuentra en mayor proporción en la fase gas que circula hacia el rectificador. • Rectificador: es un elemento que aumenta la eficiencia del sistema. Lo que hace es separar el amoniaco y el agua de las fase gas, aprovechando que el agua condensa a mayor temperatura que el amoniaco. Del rectificador retorna una corriente de agua pura líquida hacia en generador y el amoniaco puro en fase gas avanza hacia el condensador. El rectificador debe ser refrigerado. Diferencias entre un ciclo de absorción y uno de compresión de vapor Operación: La diferencia de operación entre el ciclo de compresión mecánica y la máquina de absorción reside en la fuente de energía que se emplea para mover el refrigerante desde el evaporador hasta el condensador. En el caso de la compresión mecánica, la fuente de energía es energía eléctrica que alimenta el compresor. La máquina de absorción es accionada por transferencias de energía en forma de calor (el calor suministrado en el generador para separar el vapor de refrigerante),siendo despreciable el trabajo mecánico que se requiere para elevar la presión de la disolución (en fase líquida) en la bomba. EER: El EER (Energy Efficiency Ratio = Grado de eficiencia eléctrico) se define como “La cantidad de refrigeración obtenida de una máquina dividida entre la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración (ASHRAE 1993)”. En este cómputo no se incluyen los consumos auxiliares de energía eléctrica necesarios para el funcionamiento de bombas y ventiladores que mueven los fluidos externos. Los EER’s esperables de los ciclos de absorción son muy bajos comparados con los de los ciclos de compresión mecánica. Pero la energía que necesitan los ciclos de absorción es energía térmica, que es una energía primaria, mientras que los ciclos de compresión de vapor necesitan energía eléctrica que no es una energía primaria y ya viene con un rendimiento a la hora de obtenerla. 1.3 Ciclo de absorción convencional 11 En máquinas de absorción de una etapa(máquina de simple efecto como la que se plantea en este proyecto), con Bromuro de Litio, no se superan EER’s de 0,7. Sin embargo, en grandes equipos de compresión mecánica, se consiguen en la actualidad rendimientos frigoríficos entre 4,5 y 5,5kW/kW (EER’s en el evaporador de 4,5 a 5,5). 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 EER de entre 0,72 y 1,08 y el de compresión entre 0,54 (18% paneles y EER de 3, muy habitual) y 1,1 (20% paneles y EER de 5,5). [2] Impacto ambiental Existen diferencias muy significativas entre las máquinas frigoríficas de absorción y las de compresión mecánica de vapor en cuanto a la influencia de la utilización sobre el medio ambiente. El factor que determina con mayor exactitud la incidencia sobre el medio ambiente de una máquina o proceso, es el TEWI (Total Equivalent Warming Impact) que engloba todos los parámetros de influencia: • ODP (Potencial de destrucción de Ozono). • GWP (Potencial de calentamiento global-Efecto Invernadero) • Consumo de los equipos (COP). • Vida atmosférica. • Carga de los equipos (Refrigerante). • Emisiones de los equipos. En el caso de la maquinaria frigorífica, de todos estos parámetros el de mayor importancia resulta ser el consumo de los equipos, englobando tanto los consumos directos de energía de cada máquina como los de energías primarias y fósiles necesarios para la producción de la energía eléctrica que después se va a consumir en ella, e incluyendo las emisiones de gases invernadero (CO2, fundamentalmente) que van aparejadas con la producción de esta energía. La Agencia Internacional del Medio 1.3 Ciclo de absorción convencional 12 Ambiente ha determinado que el 98% del TEI de una instalación frigorífica se debe a la emisión de gases invernadero que se originan en la producción de la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. Solo el 2% restante se debe a las emisiones originadas por la propia máquina. [5] El consumo eléctrico de una instalación de absorción es, por término medio, un 7% del correspondiente a un equipo de compresión mecánica. 1.4 Ciclo absorción-difusión 13 1.4 Ciclo absorción-difusión En un ciclo de refrigeración convencional, la sustancia refrigerante sufre un proceso de estrangulamiento pasando de una región de elevada presión, a otra de menor presión, experimentando así un descenso de unos 40°C a 50°C. Para usos domésticos la caída de presión es de unas 10 atm, diferencia de presión que se mantiene generalmente mediante una bomba o compresor accionado por un motor eléctrico, lo cual implica la necesidad de una red eléctrica. Un aspecto importante para entender el ciclo es que la presión total es la suma de las presiones parciales de los gases existentes en esa atmósfera. En este sistema la presión total es constante en todos los puntos del sistema, lo que varía son las presiones parciales del refrigerante (amoniaco) y el gas inerte (Hidrógeno), y por tanto no precisa válvulas. El papel de válvula lo realiza el hidrogeno que existe en el evaporador a presión suficiente para que el amoniaco disminuya su presión parcial por debajo de la de saturación y pueda evaporarse rápidamente. El ciclo DAR usa tres fluidos: refrigerante (amoniaco), absorbente (agua) y gas inerte (generalmente hidrogeno). El fluido de trabajo, formado por la solución de líquido absorbente y refrigerante, se mueve por el circuito impulsado por una bomba de burbujeo. Descripción del ciclo por los diferentes recorridos de los fluidos En el ciclo DAR la circulación de los diferentes fluidos se produce de la siguiente forma: • El amoniaco circula a través de todos los componentes. • El agua circula por el generador, la bomba de burbujeo y el absorbedor. • El gas inerte circula por el evaporador, absorbedor e intercambiador de calor de los gases. Para explicar el sistema voy a utilizar dos figuras ilustrativas y un diagrama de flujos más práctico que facilite la comprensión del sistema. 1.4 Ciclo absorción-difusión 14 Figura 1.4-1 Figura ciclo DAR 1.4 Ciclo absorción-difusión 21 La circulación entre el evaporador, el intercambiador de gases y el absorbedor se produce debido a la diferencia de temperaturas entre la corriente que asciende (caliente), hidrogeno puro, y la que desciende (fría) de amoniaco e hidrogeno , los dos en fase gas. Además la mezcla de hidrógeno al estar enriquecido con amoniaco gaseoso, peso más que el hidrógeno puro que se encuentra en la parte alta del evaporador. El hidrógeno con amoniaco sale del intercambiador de gases (corriente 8) y baja al tanque del absorbedor directamente. En el tanque el hidrógeno como pesa menos sube hacia el absorbedor con el amoniaco en fase gas (corriente 10) y entra por la parte baja del absorbedor. Atraviesa el absorbedor de abajo a arriba junto con el amoniaco gaseoso, en contracorriente con la solución líquida de agua y amoniaco, durante el paso por el absorbedor el amoniaco gaseoso es absorbido por esta solución de agua y finalmente sale por la parte superior del absorbedor hidrógeno puro (corriente 5). Recorrido del refrigerante (amoniaco). Gran parte del recorrido del amoniaco ya está explicado con los recorridos anteriores. El amoniaco entra al condensador en fase gas (corriente 1) a una temperatura bastante superior a la temperatura del medio caliente o ambiente. La presión del amoniaco es la presión total del sistema porque es amoniaco puro, esta presión debe ser lo suficientemente alta para que el amoniaco pueda condensador a una temperatura unos grados superior a la temperatura del medio caliente o ambiente, para favorecer el intercambio de calor. A la salida del condensador el amoniaco esta subenfriado (corriente 2) y pasa al intercambiador de gases (corriente 3), se enfría y en la entrada del evaporador - intercambiador de gases se mezcla con el amoniaco gaseoso que circulaba en paralelo por el intercambiador de gases. Al entrar en el evaporador el amoniaco entra en una atmósfera en la que predomina el hidrógeno. La presión parcial del amoniaco en la entrada del evaporador es muy baja, por lo que este se evapora pese a estar muy frío. Al avanzar por el evaporador - intercambiador de gases (corriente 6), el amoniaco se va evaporando y aumentando su temperatura, debido a que absorbe calor del amoniaco líquido y el hidrógeno que circulan en contracorriente y de la cámara a refrigerar. Este calor que absorbe de la cámara es el calor útil, el utilizado para calcular el EER. Al 1.4 Ciclo absorción-difusión 22 evaporarse el amoniaco aumenta la presión parcial de este, pero como la temperatura también aumenta se sigue evaporando. Figura 1.4-4 Diagrama presión parcial de amoniaco vs temperatura 1.4 Ciclo absorción-difusión 23 A la salida del evaporador - intercambiador de gases el amoniaco se ha evaporado completamente y su presión parcial es superior a la presión parcial que tenía a la entrada del mismo. Como el rango de temperatura de evaporación del amoniaco es grande, se instalan dos evaporadores, una de baja temperatura, primer evaporador, y otro de alta temperatura, segundo evaporador. Del tanque sube al absorbedor (corriente 10) y entra por la parte de abajo en contracorriente con la solución de agua y amoniaco líquido, el amoniaco gaseoso es absorbido por esta solución de agua, y desciende otra vez al tanque con la solución líquida de agua y amoniaco (corriente 9). Del tanque sale en estado líquido con el agua (corriente 11) hacia el intercambiador de líquidos donde se calienta y entra al generador (corriente 12). En el generador el amoniaco toma dos caminos: • El amoniaco que se evapora sube con parte de vapor de agua hacia el rectificador (corriente 14). En esta corriente en fase gas el amoniaco sale del rectificador sin agua (corriente 1), algo más frío y en fase gas hacia el condensador. • Por otro lado el amoniaco que no ha conseguido evaporarse (corriente 13) retorna y se mezcla con la corriente que vuelve del rectificador de agua pura (corriente 15). La corriente líquida de amoniaco y agua, llamada solución pobre entra al intercambiador de líquidos (corriente 16) y se enfría. De ahí entra al absorbedor por arriba (corriente 7). 1.5 Componentes del sistema 24 1.5 Componentes del sistema Componentes por los que está formado el ciclo DAR: Intercambiador de gases El intercambiador de gases es un componente que aumenta el rendimiento de ciclo. Sin este equipo el proceso sería inviable, porque las corrientes de amoniaco líquido e hidrógeno que entran al evaporador tienen una temperatura demasiado alta como para poder enfriarse lo suficiente al evaporarse el amoniaco. Como ya se ha descrito en las figuras Figura 1.4-1, 1.4.2 y 1.4.3 anteriores, que representan el ciclo DAR, lo que hace el intercambiador es enfriar las corrientes que deben entrar al evaporador, el amoniaco líquido proveniente del condensador (corriente 2) y el hidrógeno que asciende desde el absorbedor (corriente 5), esto se produce al evaporarse el amoniaco líquido que circula con el hidrógeno en contracorriente por el evaporador (corriente 6) y absorber este calor de las corrientes calientes (corrientes 3 y 4). La circulación de gases se hace contracorriente, los fluidos calientes (corrientes 3 y 4) circulan en sentido contrario a la corriente fría (corriente 6). La circulación de gases en el intercambiador así como en el evaporador se produce por la diferencia de temperaturas de las corrientes. La corriente de hidrógeno que asciende desde el absorbedor hasta el evaporador (corriente 5) tiene una temperatura mayor que la corriente que desciende del evaporador hacia el tanque (corrientes 6 y 8) de hidrógeno y amoniaco gaseoso, además al ser esta una corriente con amoniaco, el peso atómico del amoniaco es mayor que el del hidrógeno por lo que pesa más y favorece el descenso. Así lo que ocurre en el intercambiador de gases, es un flujo interno de calor, que no afecta al exterior y por tanto no influye en el balance global de energía. 1.5 Componentes del sistema 25 Evaporador En el evaporador se produce el efecto útil del sistema, que es refrigerar o absorber calor. El amoniaco líquido (corriente 3) se empieza a mezclar con el hidrógeno en la parte superior del evaporador. En el evaporador tienen lugar dos procesos: mezcla y transferencia de calor. La mezcla se produce entre el amoniaco e hidrógeno habiendo inicialmente poco amoniaco y mucho hidrógeno y finalmente poco hidrógeno y mucho amoniaco. Esto implica que en el evaporador la mezcla gaseosa de amoniaco e hidrógeno experimenta un proceso de no equilibrio. En la parte superior del evaporador al haber mayor cantidad de hidrógeno la presión parcial del amoniaco es baja y evapora a una temperatura bastante baja. A medida que la mezcla desciende la cantidad de amoniaco gaseoso aumenta y la de hidrógeno disminuye, debido a esto la presión parcial del amoniaco también aumenta y por tanto aumenta su temperatura de evaporación. El evaporador es a su vez el conducto por el que circula el fluido frío del intercambiador de calor, la mezcla amoniaco hidrógeno. Al mismo tiempo que el amoniaco al evaporarse absorbe calor de la cámara a refrigerar , también absorbe calor de las corrientes calientes del intercambiador de gases, las corrientes de hidrógeno (corriente 4) y amoniaco líquido (corriente 3). Debido a que el rango de temperatura de evaporación del amoniaco en el evaporador es grande lo que se hace en instalar dos evaporadores, una de baja temperatura y otro de alta temperatura. Del evaporador sale por la parte inferior una corriente gaseosa de amoniaco e hidrógeno (corriente 7). La temperatura del evaporador puede variar desde -35ºC hasta 15 ºC, dependiendo de la proporción molar de amoniaco y gas inerte, y de las prestaciones del equipo. 1.5 Componentes del sistema 26 Absorbedor El absorbedor es el elemento distintivo de los sistemas de absorción frente a los de compresión de vapor. El funcionamiento del absorbedor afecta directamente al sistema global. El diseño de los absorbedores es un punto crítico, originado por la complejidad de los procesos de transferencia de masa y calor. Un intercambio de calor eficiente en el absorbedor depende principalmente de un excelente mezclado entre el vapor y la solución de trabajo y del máximo área de contacto entre la pared del intercambiador y la solución. El aumento de la eficiencia en el absorbedor puede ser logrado aplicando diferentes técnicas. Una de ellas está asociada al incremento de la turbulencia por medio de corrugaciones en las paredes del intercambiador de calor o modificando la geometría, (Merril et al., 1995; Isshiki y Ogawa, 1996); también puede conseguirse mediante la utilización de aditivos que disminuyan la tensión superficial de la solución (efecto Marangoni) provocando un movimiento del seno del líquido hacia la superficie y viceversa (Gustafsson et al., 1996; Hijara y Sato, 1992, etc.), o bien mediante la adición de nano partículas en la solución para mejorar la conductividad térmica de la solución (Kang et al., 2000; Daiguji et al, 1997). Tipos de absorbedores: • Absorbedores con fases vapor y líquido continuas. En este tipo de absorbedores, la fase líquida está formada por una película descendente en contacto con la fase de vapor; las configuraciones disponibles pueden ser tanto de tubos verticales como horizontales, como puede apreciarse en la figura 1.1 (a y b), respectivamente. La configuración de tubos horizontales es la más utilizada comercialmente en las enfriadoras de agua de H2O-LiBr. En este caso, el enfriamiento de la solución se realiza mediante agua de torre que circula por el interior de los tubos horizontales. La configuración de tubos verticales es más versátil, ya que puede usarse agua de enfriamiento o aire para la disipación del calor generado. En la configuración de película descendente se obtienen altos coeficientes de transferencia de calor y baja 1.5 Componentes del sistema 27 perdida de carga, pero su buen funcionamiento depende significativamente de la existencia de una buena distribución de solución. Figura 1.5-1 Absorbedor de película descendente en configuración de tubos verticales (a) y de tubos horizontales (b). • Absorbedores con fase vapor continuo y de líquido discontinua El proceso de absorción del vapor por la solución y la disipación de calor se realizan en este tipo de configuración de forma separada, tal como se muestra en la figura 1.5-1. La solución primero se pone en contacto con la fase vapor. Para ello se atomiza la corriente líquida mediante la utilización de aspersores en una cámara adiabática en donde se ha introducido la corriente de vapor. Una vez realizada la absorción, la corriente de la solución concentrada en refrigerante pasa por un intercambiador de calor donde se disipa el calor de absorción. A continuación, una parte de la solución enfriada se recircula al absorbedor y el resto se dirige al generador. Esta recirculación tiene el objetivo de aumentar la absorción. Como resultado del proceso de absorción adiabático, la solución se calienta y el proceso de absorción se detiene cuando la presión de saturación más la presión capilar de la gota alcanzan la presión de la cámara. La tensión superficial de las gotas formadas provoca una presión de capilaridad que es inversamente proporcional al diámetro de las gotas (Vàlles, 2000). Para conseguir que la fase vapor del refrigerante sea absorbida, es necesario superar la presión capilar y penetrar la gota, para ello la presión del absorbedor debe superar la suma de la presión de saturación de la solución y la presión 1.5 Componentes del sistema 28 capilar de la gota. En consecuencia hay un diámetro óptimo para el cual se produce la máxima absorción. Figura 1.5-2 Absorbedor de spray o aspersión adiabático • Absorbedores con fase vapor discontinuo y líquido continuo Este tipo de configuración se denomina absorbedor de burbuja. Estos absorbedores son de tipo inundados, esto significa que la solución pobre en refrigerante llena el interior del canal central (ver figura 1.3) mientras que el vapor es inyectado en forma de burbujas. La disipación de calor se hace por medio de agua de enfriamiento que circula por la parte externa del dispositivo. Para aumentar la capacidad del absorbedor se suelen disponer varios canales en paralelo con distribuidores de solución y de vapor en la parte inferior y un colector de recogida de la solución concentrada en la parte superior. El flujo bifásico que circula por el interior del absorbedor adopta, tal como se muestra en la figura 1.3, diferentes tipos de regímenes: agitado, tapones y de burbuja, Infante Ferreira, 1985. o El flujo agitado se caracteriza por una forma indefinida de la fase vapor ocasionada por el efecto de entrada de la solución y vapor. o En el flujo tapón, la fase gaseosa sube en forma de balas, de gran tamaño en comparación al diámetro de tubo, separadas por líquido (Infante Ferreira, 1985). Este régimen es el predominante a lo largo del absorbedor. o El flujo de burbuja es caracterizado por pequeñas burbujas separadas unas con otras, rodeadas de grandes cantidades de líquido. 1.5 Componentes del sistema 29 Características de los distintos absorbedores: Tabla 1.5-1 Características de los absorbedores de película descendente y de burbuja Al absorbedor entran por la parte inferior amoniaco gaseoso con hidrógeno (corriente 10) que ascienden desde el tanque del absorbedor, y por la parte superior entra la solución pobre que sale del intercambiador de líquidos (corriente 7). Del absorbedor, sale por la parte superior hidrógeno (corriente 5) hacia el intercambiador de gases, y por la parte inferior la solución rica formada por agua y amoniaco líquido. Dentro del absorbedor circulan en contracorriente la solución líquida de agua y amoniaco que desciende desde la parte superior y la corriente de amoniaco gaseoso e hidrógeno que asciende desde el tanque. Al estar en contacto la solución de amoniaco y agua y el amoniaco gaseoso se produce el fenómeno de absorción, el agua absorbe al amoniaco gaseoso y la solución que en la parte superior del absorbedor es pobre se va enriqueciendo en amoniaco y sale como solución rica (corriente 9). La temperatura del absorbedor será siempre algo superior a la temperatura ambiente, para poder refrigerar el absorbedor. Esta temperatura puede variar desde 20ºC hasta 60ºC. Hay que tener en cuenta que estos 20ºC se dan en algún estudio experimental, y a la hora de hacer un refrigerador comercial con esta temperatura en el absorbedor habría que tener en cuenta la temperatura de la región donde vaya a ser usado, porque es una 1.5 Componentes del sistema 30 temperatura demasiado baja como para mantener durante todo el año el absorbedor refrigerado con el ambiente. [3] Tanque del absorbedor El tanque del absorbedor es únicamente un depósito en el que se deposita la solución rica que desciende del absorbedor (corriente 9) y por el que pasa la corriente gaseosa de hidrogeno y amoniaco que desciende del intercambiador de gases (corriente 8) para entrar por la parte de abajo al absorbedor (corriente 10). Del tanque del absorbedor sale la solución rica (corriente 11). Intercambiador de líquidos Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor a otro fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos. El intercambiador es otro equipo del ciclo DAR que aumenta su rendimiento, y sin el cual este proceso sería inviable. Hay intercambiadores de contacto directo, en la que los fluidos se mezclan, o intercambiadores de contacto indirecto, en los cuales la transferencia de calor se hace a través de paredes metálicas que transmiten bien el calor. En el ciclo DAR el intercambiador de líquidos es obligatoriamente de contacto indirecto, pues no podemos dejar que se mezclen las corrientes. Intercambiadores de contacto indirecto: • Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable. • De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo. 1.6 Propiedades de los fluidos 37 • Inactividad y estabilidad, es decir, que el refrigerante ha de ser inerte frente a los materiales que constituyen el sistema y ha de ser estable en su constitución química. • Seguridad. Los fluidos deben ser no tóxicos e inflamables, si son ocupados en viviendas, en procesos industriales casi no es crítico, ya que éstas cuentan con sistemas o programas de seguridad. • Asimismo hay que tener en cuenta su precio y disponibilidad. Absorbente Es obvio que el absorbente debe tener una fuerte afinidad por el vapor refrigerante; los dos deben ser mutuamente solubles en el rango deseado de condiciones de operación; los dos fluidos deben ser seguros, estables y no corrosivos, tanto por separado como combinados. La volatilidad del absorbente deberá ser muy baja, para favoreces la separación del refrigerante, de tal manera que el vapor refrigerante contenga poco o nada de absorbente al salir del generador; las presiones de trabajo deberán ser razonablemente bajas y de preferencia cercanas a la presión atmosférica para minimizar el peso del equipo y las fugas. Gas inerte El gas inerte es el encargado de transportar al refrigerante por el evaporador y el absorbedor. Este gas es necesario para reducir la presión parcial del refrigerante en el evaporador y que este pueda evaporar a baja temperatura. Es importante saber con precisión la concentración de este gas en cada zona del evaporador, para que el refrigerante se pueda evaporar correctamente. En la entrada del evaporador de baja temperatura este gas se encuentra en muy alta concentración y se va reduciendo conforme avanza por los evaporadores. En cuanto a las propiedades, este gas no debe reaccionar con el refrigerante ni con el absorbente, debe ser totalmente inerte. 1.6 Propiedades de los fluidos 38 La principal función del gas inerte es disminuir la presión parcial del refrigerante. Esta presión parcial depende de la fracción molar de gas inerte y refrigerante presentes. Cuanto menor sea la capacidad calorífica por mol del gas inerte menor será la energía que cede el gas inerte al refrigerante en el evaporador y el calor útil aumentará, por lo que aumenta el EER. Los dos gases inertes más utilizados son el hidrógeno y el helio: • Capacidad calorífica del hidrógeno a 25 bar y 0ºC = 28,78 kJ/(kmol·K) • Capacidad calorífica del helio a 25 bar y 0ºC = 20,78 kJ/(kmol·K) Esta es una de las razones por la que el ciclo DAR con helio obtiene mejor EER que con hidrógeno. Por otra parte el peso molecular del hidrogeno es 2, menor que el del helio, 4, y ese peso menor favorece la circulación de los gases por el evaporador, intercambiador de líquidos y absorbedor. 1.6 Propiedades de los fluidos 39 Mezcla Amoniaco – Agua Las mezclas amoniaco-agua tienen características diferentes tanto del agua pura como del amoniaco puro; la mezcla se comportará como un fluido distinto. Se distinguen tres diferencias básicas: • La mezcla amoniaco-agua tiene un punto de ebullición y de condensación variable, dependiendo de la composición de la mezcla, mientras que los líquidos puros tienen ambos puntos constantes. • Las propiedades termo-físicas de la mezcla amoniaco-agua se pueden alterar variando la composición de amoniaco, los fluidos puros tienen dichas propiedades fijas. • El amoniaco-agua tiene propiedades termo-físicas que causan que la temperatura del fluido aumente o disminuya sin ningún cambio en el contenido de calor. La temperatura del agua o del amoniaco no cambia sin ningún cambio en la energía del sistema. Mezcla zeotrópica La mezcla amoniaco-agua es una mezcla zeotrópica. Para una mezcla zeotrópica la temperatura y la composición cambian continuamente durante la ebullición, como muestran los puntos de la figura Cuando la mezcla comienza a hervir a la temperatura de ebullición, el vapor que esta enriquecido en el componente más volátil (amoniaco). Cuando la mezcla continúa en ebullición, la temperatura crece y se alcanza el punto donde la composición del líquido y gas están dadas por las líneas azules. Finalmente se alcanza donde la mezcla es un vapor saturado en el punto de rocío y la composición del vapor es la misma que el líquido inicial al comienzo del proceso de evaporación. 1.6 Propiedades de los fluidos 40 Figura 1.6-1 Curva de rocío y de burbuja mezcla zeotrópica Probablemente la principal desventaja de la mezcla amoníaco-agua (NH3-H2O) es el hecho de que el absorbente agua es relativamente volátil, por lo que se mezcla en cantidades apreciables con el vapor refrigerante amoníaco en el generador. Estas pequeñas cantidades atraviesan el condensador y llegan al evaporador donde aumentan la temperatura de evaporación, disminuyendo el efecto refrigerante por tenerse una solución amoniaco-agua no vaporizaba a baja temperatura. Por esta razón la eficiencia del sistema amoniaco-agua puede mejorarse usando un rectificador cuya función es la de eliminar el vapor de agua a la salida del generador, antes de que llegue al condensador. 1.6 Propiedades de los fluidos 41 Presión de vapor del refrigerante, amoniaco 0,001 0,01 0,1 1 10 -110 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 Presion vapor (bar) Temperatura (ºC) Figura 1.6-2 Diagrama del agua, presión de vapor frente a temperatura La curva de presión de vapor frente a temperatura del amoniaco es muy buena para equipos de refrigeración. No es necesario hacer vacío para conseguir temperaturas bajo cero. Por ejemplo para una temperatura de evaporación de -30ºC necesitamos una presión de 1,19 bar. Que es una presión sencilla de conseguir. Para condensar el amoniaco a temperaturas elevadas tampoco necesitamos presiones demasiado elevadas, a 40ºC necesitamos una presión de 15,55 bar. Reacción amoniaco – agua En la reacción amoniaco – agua el Amoniaco se disocia parcialmente en el agua formando soluciones básicas de acuerdo al siguiente equilibrio: NH3 (g) + H20 (l)  [NH4OH] (l) + Calor 1.6 Propiedades de los fluidos 42 [NH4OH] (l)  NH4+ (l) + OH- (l) La constante de disociación del Amoniaco, Kb, es 1.774x10 -5 a 25 ºC y se incrementa sensiblemente con el incremento en la temperatura (12), a pH 9,25 la mitad del Amoniaco estará en estado anhídro (NH3) y la mitad estará en forma de Ión Amonio (NH4+), a pH 8,25 y 7,25, 90, y 99% del Amoniaco estará ionizado, respectivamente. Lo que quiere decir que la solubilidad del Amoniaco en agua se incrementa con la disminución en el pH. La volatilidad del Amoniaco se incrementa con el incremento en el pH; de esta forma, esta sustancia se volatilizará libremente de sus soluciones con agua a pH altos. .La reacción de absorción del amoniaco en agua desprende energía, por lo que el absorbedor debe ser refrigerado para mantener una temperatura lo suficientemente baja para que se produzca correctamente la absorción. En la figura 1.6-3 se puede ver como la entalpía de la disolución amoniaco-agua tiene valores muy bajos para concentraciones del 30 al 80 % en masa de amoniaco. Esto representa la energía desprendida durante el proceso de absorción, por lo que al desprender energía la entalpía de la mezcla a esa misma concentración y temperatura disminuye: [9] Figura 1.6-3 Curvas, entalpía de la fase líquida frente a concentración de amoniaco, a presión de una atmósfera 1.6 Propiedades de los fluidos 43 Solubilidad del amoniaco en agua líquida La solubilidad del amoniaco en agua líquida es un parámetro muy importante. A mayor solubilidad mayor concentración de amoniaco en la solución rica, lo que aumenta el EER. Una mayor solubilidad del amoniaco en agua también evita grandes superficies de contacto en el absorbedor para conseguir una determinada concentración de amoniaco en la solución rica. En la figura 1.6-4 se puede ver la solubilidad máxima del amoniaco en agua líquida para distintas temperaturas a una presión de una atmósfera. Al aumentar la presión también aumenta la solubilidad del amoniaco en agua. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fracción másica de amoniaco en agua líquida Temperatura (ºC) Figura 1.6-4 Curva solubilidad del amoniaco en agua frente a temperatura La combinación amoníaco-agua (NH3-H2O) es excepcionalmente buena, satisface algunos de los requisitos más importantes pero tiene algunas pequeñas desventajas. El absorbente agua tiene una gran afinidad por el vapor de amoníaco, y los dos son mutuamente solubles en un rango muy amplio de condiciones de operación. Ambos 1.6 Propiedades de los fluidos 44 fluidos son muy estables y son compatibles con casi todos los tipos de acero. Una excepción notable es el cobre y sus aleaciones, los cuales no son adecuados para usarse con las soluciones amoníaco-agua, por la alta corrosión que les produce, ya que el amoníaco las ataca en presencia del oxígeno e hidrógeno. El calor latente de vaporización del amoníaco es alto, pero es ligeramente tóxico, muy irritante, algo inflamable y explosivo, lo cual limita su empleo en aplicaciones de aire acondicionado. Sus presiones de operación son relativamente altas. El EER en el caso de Agua/Amoniaco, es de orden de 0,5 en un sistema de absorción convencional y de 0,15-0,3 (estudios experimentales) en un sistema de absorción difusión, lo que hace que estas máquinas estén relegadas a instalaciones en las que requiera una baja temperatura. 1.7 Disipadores de calor 45 1.7 Disipadores de calor [4] Toda máquina frigorífica (tanto las convencionales, como las de absorción), produce dos flujos caloríficos: un calor útil absorbido en el intercambiador del evaporador y un calor de disipación que tiene que ser liberado en el condensador. Para que se pueda enfriar el fluido de dentro del ciclo hace falta que se haga un intercambio de calor en el condensador con otro fluido que puede ser un circuito de agua, el aire exterior, etc. Eso da lugar a diferentes tipos de equipos que hacen la disipación de calor, los más usados son: las torres de refrigeración, los aero-refrigeradores (condensadores refrigerados por aire), o los bucles exotérmicos. Incluso se podría aprovechar parte de este calor residual para calentar piscinas o ACS, y así hacer útil esta energía sobrante por medio de intercambiadores de calor, aunque esta técnica es menos utilizada que las otras y requeriría un estudio más detallado de este sistema. En el ciclo DAR se utilizan aero-refrigeradores como sistemas de enfriamiento. Aero-refrigeradores Son sistemas de enfriamiento seco, que se componen de una extensa superficie de cobre y aluminio con aletas y ventiladores axiales de alta velocidad de circulación. Estos intercambiadores térmicos ofrecen una gran fiabilidad y son capaces de mantener la temperatura del agua en unos pocos grados sobre la temperatura ambiente. Son la solución perfecta para el enfriamiento de máquinas pequeñas, ya que trabajan en circuito cerrado, lo que evita el consumo de agua y los complicados trabajos de mantenimiento característicos de las torres de refrigeración. Además su consumo eléctrico para pequeñas potencias es bastante bajo y el coste inicial es asequible. Estos sistemas alternativos basados en la refrigeración por aire no implican la generación de aerosoles a la atmósfera. La total ausencia de mantenimiento hace que el refrigerador seco represente la solución más fiable a largo plazo. 1.7 Disipadores de calor 46 Consideraciones en máquinas de absorción El sistema disipador de calor es el que genera más problemas en la máquina de absorción. Si el equipo disipador está mal dimensionado, el caudal de agua no es adecuado o el circuito es incorrecto se pueden producir los siguientes problemas: • Parada de la máquina por detección de alta temperatura al condensador, que comportaría una producción insuficiente de líquido refrigerado. • Aumento de la temperatura provocado por la descomposición del inhibidor de corrosión. Eso provoca la formación de gases NOx que rompen el vacío y la corrosión de los metales. Las máquinas de absorción necesitan una temperatura de entrada en la máquina del agua que vuelve de la disipación en torno a los 30 ºC y no mucho superiores, ya que su rendimiento se ve afectado por el aumento de esta temperatura y, por lo tanto, la capacidad frigorífica disminuye. Por ejemplo, usando un sistema basado en un condensador refrigerado por el aire exterior, en meses de verano, cuando la temperatura exterior llega en torno a los 40 ºC, tiene muy poca capacidad de enfriar el agua de disipación y tiene un rendimiento muy bajo. En cambio, los sistemas evaporativos como las torres de refrigeración, al poder aprovechar la temperatura de bulbo húmedo del aire exterior para hacer el intercambio de calor son los más adecuados. Por eso se hace difícil enfriar el agua de disipación en las condiciones requeridas sin el uso de torres de Refrigeración o sistemas parecidos. Para la elección de la torre de refrigeración, una primera característica a tener en cuenta es que hace falta minimizar la pérdida de fluido del interior del ciclo, y en este sentido resulta más conveniente una torre de circuito cerrado, y no las torres de circuito abierto que además suelen dar problemas en el absorbedor de la máquina de absorción ya que lo ensucian y pierde la capacidad de intercambio térmico a los pocos meses de funcionamiento. No obstante, hay un factor todavía más importante a tener en cuenta, que tiene relación con el rendimiento de la máquina de absorción y la temperatura de retorno hacia el condensador. Pues, para aumentar la capacidad frigorífica hace falta una temperatura de entrada al condensador la más baja posible dentro del rango (25 < T < 35 ºC). Eso hace que la torre de circuito abierto sea la más adecuada, ya que el enfriamiento se produce entre el 2.1 Configuración 1 53 En esta figura se puede apreciar las corrientes que circulan por dentro del conjunto generador-bomba burbujeante. Esta bomba burbujeante no tiene mejora para evitar que la solución que desciende de la bomba burbujeante (corriente 1b) no se caliente al bajar y entrar en contacto indirecto con la corriente que asciende desde el generador (corriente 1a). De las corrientes internas que circulan entre la bomba burbujeante y el generador solo conocemos las temperaturas, es el único dato que nos da el estudio, desconocemos la fracción de gas y líquido de cada una de ellas, la fracción de amoniaco, entalpia. Debido a esto he unificado el conjunto bomba Figura 2.1-4 Bomba burbujeante burbujeante – generador en el mismo bloque, porque es imposible cerrar los balances de materia y energía si realizamos el balance del generador y la bomba burbujeante por separado debido a la falta de datos. 2.1 Configuración 1 54 Variables a introducir en el EES (Inputs): Para cerrar los balances en el EES debemos introducir algún dato, no todos, el resto los obtendrá el programa gracias a los balances introducidos. Las variables a introducir son las utilizadas en el estudio experimental. Variables a introducir: • Se trabaja con amoniaco como refrigerante, agua como absorbente y el gas inerte es en principio hidrógeno pero también se realiza posteriormente el experimento con helio. • Temperatura de la corriente que sale del rectificador, corriente 1. La temperatura de esta corriente nos la da directamente el estudio, T1 = 70ºC • Temperatura de la corriente que sale del condensador, corriente 2. La temperatura de esta corriente es algo inferior a la temperatura de condensación. De esta manera nos aseguramos que todo el amoniaco esta líquido. T2 = 55ºC • Temperatura de la corriente que sale del absorbedor, corriente 5. La temperatura de esta corriente nos la da directamente el estudio. T5 = 40ºC • Temperatura de la corriente que sale del evaporador, corriente 8. La temperatura de esta corriente ronda entre -10ºC y 5ºC. Inicialmente, T8 = 0ºC • Temperatura de la corriente que sale del tanque del absorbedor, corriente 11. La temperatura de esta corriente nos la da directamente el estudio. T11 = 60ºC • Temperatura de la corriente que sale del intercambiador de líquidos, corriente 12. La temperatura de esta corriente nos la da directamente el estudio. T12 = 145ºC • Temperatura de la corriente líquida que sale de la bomba burbujeante, corriente 16. Según el estudio, la temperatura de esta corriente es 2ºC inferior a la temperatura del generador. La temperatura del generador varí desde 195-215ºC. Inicialmente TGen = 195ºC, por lo que T16 = 193ºC • Presión total del sistema. En este estudio la presión total del sistema es de 25 bares. • La fracción másica de amoniaco en la solución rica. Es la fracción de amoniaco para las corrientes 9, 11 y 12. Está comprendida entre 0,2 y 0,47. Inicialmente introducimos x12 = 0,3. 2.1 Configuración 1 55 • La fracción másica de amoniaco en la solución pobre. Es la fracción de amoniaco para las corrientes 7 y 16. Está comprendida entre 0,078 y 0,14. Inicialmente introducimos x7 = 0,1. • La fracción másica de amoniaco en la corriente gaseosa que sale de la bomba burbujeante hacia el rectificador. Es la fracción másica de la corriente 14, su valor es 0,6. • La fracción molar de amoniaco en la corriente gaseosa que sale del evaporador (corriente 8). Como puede verse en la Figura 2.1-2 la presión parcial de amoniaco para la corriente 8 es de 3 bares. Si la presión total es de 25 bares la fracción másica de amoniaco es 3/25 = 0,12 • La temperatura de evaporación es de -33 ºC. • Al haber puesto dos evaporadores necesitamos saber la energía que queremos que absorba cada uno de ellos. Este valor no afecta al EER, porque la energía que no absorba uno la absorberá el otro. Se ha supuesto que los dos evaporadores absorben la misma cantidad de energía. Corriente Temperatura (ºC) 1 70 2 55 5 40 8 0 11 60 12 145 16 193 Tabla 2.1-1 Tabla temperaturas de corrientes de input A continuación pongo el diagrama del EES con el cual he resuelto esta configuración. 2.1 Configuración 1 56 Figura 2.1-5 Diagrama DAR, en el EES 2.1 Configuración 1 57 Resultados obtenidos con el EES Introduciendo los datos de la configuración 1 en el EES, obtenemos los datos de todas las corrientes. A continuación pongo los datos más relevantes de las corrientes. Corriente Entalpía (kJ/kg) Flujo másico (kg/s) Temperatura (ºC) 1 1535 0,222 70,0 2 465,3 0,222 55,0 3 159,5 0,222 -9,0 4 3347 0,192 -16,5 5 4156 0,192 40,0 6 1773 0,414 -16,5 7 270,8 0,778 80,4 8 2450 0,414 0,0 9 70,08 1,000 60,0 10 2450 0,414 0,0 11 70,08 1,000 60,0 12 456,4 1,000 145,0 13 880,8 0,630 197,2 14 2075 0,370 183,0 15 286 0,148 68,0 16 767,5 0,778 193,0 Tabla 2.1-2 Tabla de resultados del EES. Entalpía, flujo másico y temperatura Las corrientes 6, 8 y 10 son corrientes que contienen amoniaco e hidrógeno. La suma de las presiones parciales de estos dos compuestos será 25 bares, a continuación pongo los datos de presiones parciales de estas corrientes. Corriente P.parcial H2 (bar) P.parcial NH3 (bar) 6 22,8 2,2 8 22 3,0 10 22 3,0 Tabla 2.1-3 Tabla de resultados del EES. Presión parcial de amoniaco e hidrógeno Las corrientes 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14 y 16 contienen amoniaco con otro compuesto, bien agua o bien con hidrogeno. En la figura 2.1-9 se puede ver la fracción másica de amoniaco y la fracción másica de gas, el resto es líquido, de cada corriente: 2.1 Configuración 1 58 Corriente Fracción de gas Fración másico NH3 6 0,22 0,54 7 0,00 0,10 8 0,00 0,54 9 0,00 0,30 11 0,00 0,30 12 0,00 0,30 13 0,06 0,12 14 1,00 0,60 16 0,00 0,10 Tabla 2.1-4 Tabla de resultados del EES. Fracción de gas y fracción de amoniaco Por último quedan los datos de calores de entrada y salida. Los calores positivos son calores que absorbe el sistema, y los negativos calor que expulsa: Equipo Energía (kW) Los dos evaporadores 114,00 Evaporador de baja 56,99 Evaporador de alta 56,99 Generador 866,70 rectificador -385,10 Condensador -237,60 absorbedor -357,90 Tabla 2.1-5 Tabla de resultados del EES. Energía de entrada y de salida Sumando todas las energías de entrada y salida nos da prácticamente cero. Condición necesaria para que el sistema este bien resuelto: 114 +866,7 −385,1 −237,6 −357,9 = 0,1 𝑘𝑘𝑘𝑘 El EER es la fracción entre el calor absorbido en los dos evaporadores por en calor absorbido en el generador. EER =114 866,7 = 0,1315 El EER obtenido con esta configuración es 0,1315, algo inferior al obtenido en el estudio experimental 0,15. 2.1 Configuración 1 59 En el estudio experimental se varía la proporción másica de amoniaco en la solución pobre, variando también la temperatura del generador. Se obtienen distintos EER para las diferentes proporciones de amoniaco. Haciendo lo mismo con el diagrama del EES obtenemos unos resultados con la misma tendencia pero no iguales. Figura 2.1-6 Gráfico de resultados experimentales. EER vs Fracción de amoniaco en la solución pobre vs Temperatura del generador 2.1 Configuración 1 60 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 195 200 205 210 215 EER T generador (ºC) X s. pobre = 0,08 X s. pobre = 0,1 X s. pobre = 0,12 X s. pobre = 0,14 Figura 2.1-7 Gráfico de resultados obtenidos con el EES. EER vs Fracción de amoniaco en la solución pobre vs Temperatura del generador La fracción de amoniaco en la solución pobre es másica en los dos casos. La tendencia es la misma en los dos casos, el EER disminuye al aumentar la concentración de amoniaco en la solución pobre. Esto se debe a que estamos calentando la misma cantidad de amoniaco en el generador pero habrá una cantidad de amoniaco que no va a pasar al condensador ni al evaporador, por lo que no produce energía útil. Cuanto mayor sea esta cantidad (mayor sea la concentración de amoniaco en la solución pobre), menor será el EER del sistema. Pese a que en los dos casos la tendencia es la misma, en el caso experimental la variación del EER es mucho mayor al variar la concentración de la solución pobre que en el caso solucionado con el EES. Esto puede ser debido a que al variar esta concentración varíen más valores del sistema y cambien temperaturas o presiones de otras corrientes, cosa que en el EES no permitimos, al tener algunas variables del sistema valores fijos. 2.1 Configuración 1 61 Otra tendencia que ocurre en los dos casos es que al aumentar la temperatura del generador disminuye el EER del sistema. Esta se debe a que estamos calentando más la solución rica por lo que el calor aportado al generador es mayor. Otra variación que se hace en el estudio experimental es variar la fracción másica de amoniaco de la solución rica y la temperatura del generador. Se obtienen distintos EER para las diferentes proporciones de amoniaco. Figura 2.1-8 Gráfico de resultados experimentales. EER vs Fracción de amoniaco en la solución rica vs Temperatura del generador 2.1 Configuración 1 62 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 195 197 199 201 203 205 207 209 211 213 215 EER T generador (ºC) x12 = 0,2 x12 = 0,25 x12 = 0,3 Figura 2.1-9 Gráfico de resultados obtenidos con el EES. EER vs Fracción de amoniaco en la solución rica vs Temperatura del generador La tendencia en el caso teórico (EES), el EER disminuye al disminuir la concentración de amoniaco en la solución pobre y al aumentar la temperatura del generador. Esto se debe a que estamos calentando mayor cantidad de amoniaco por unidad de energía cuanto mayor es la proporción de amoniaco es la solución rica. De esta forma cuanto mayor es la proporción de amoniaco en la solución rica mayor aprovechamos el calor introducido en el generador. En el caso experimental la variación del EER con la variación de la solución rica es bastante más débil que en el sistema realizado con el EES. Otra tendencia que ocurre en los dos casos es que al aumentar la temperatura del generador disminuye el EER del sistema. Esta se debe a que estamos calentando más la solución rica por lo que el calor aportado al generador es mayor. 80 Figura 2.3-7 Gráfica Tª salida evaporador Variables a introducir en el EES (Inputs): • Se trabajo con amoniaco-agua-helio • La presión total del sistema es de 16,1 bares. • La temperatura de evaporación es de -18,9 ºC según Figura 2.3-4. • La presión de todas las corrientes exceptuando las que contienen amoniaco gaseoso e hidrógeno (corrientes m6, m8 y m10) es la presión del sistema. • La temperatura de salida del condensador (T2) es de 23,2ºC, como puede verse en la Figura 2.3-5 sacada del estudio experimental. • La temperatura de entrada al generador (T12) es de 55ºC como puede verse en la Figura 2.3-6 sacada del estudio experimental. Parece ser que en este estudio no se ha aprovechado al máximo el intercambiador de calor de líquidos. • La temperatura de salida del evaporador (T8) es de 17ºC, como puede verse en la Figura 2.3-7 sacada del estudio experimental. • La fracción molar de amoniaco en la salida del evaporador (x8 molar) es 0,48. • La temperatura del generador (T16)es de 180ºC. • La temperatura del absorbedor (T5) es 20ºC. • La temperatura de salida del rectificador (T1) es de 80ºC. • La fracción másica de amoniaco en la solución rica (x12) es 0,35. • La fracción másica de amoniaco en la solución pobre (x7) es 0,1. 81 • De la fracción de amoniaco a la salida del generador no dice nada en este estudio. Como parten del estudio DAR tomo como valor el dato del sistema DAR. Fracción másica de amoniaco en la corriente que sale del generador hacia el rectificador (x14) es de 0,6. Corriente Temperatura (ºC) 1 80 2 23,2 5 20 8 17 11 20 12 55 16 180 Tabla 2.3-1 Tabla temperaturas de corrientes de input. 82 Figura 2.3-8 Diagrama DARS-1, en el EES 83 Resultados obtenidos con el EES Introduciendo los datos de la configuración 3 en el EES, obtenemos los datos de todas las corrientes. A continuación pongo los datos más relevantes de las corrientes. Corriente Entalpía (kJ/kg) Flujo másico (kg/s) Temperatura (ºC) 1 1609 0,278 80,0 2 308,6 0,278 23,2 3 203,1 0,278 0,7 4 -130,3 0,071 -1,0 5 -21,54 0,071 20,0 6 599,4 0,349 -1,0 7 592,6 0,722 155,0 8 1170 0,349 17,0 9 -123,2 1,000 20,0 10 1170 0,349 11,5 11 -123,2 1,000 20,0 12 29,09 1,000 55,0 13 967,7 0,537 179,7 14 2059 0,463 164,6 15 327,2 0,185 78,0 16 803,5 0,722 180,0 Tabla 2.3-2 Tabla de resultados del EES. Entalpía, flujo másico y temperatura Las corrientes 6, 8 y 10 son corrientes que contienen amoniaco y helio. La suma de las presiones parciales de estos dos compuestos será 16,1 bares, a continuación pongo los datos de presiones parciales de estas corrientes. Corriente P.parcial He (bar) P.parcial NH3 (bar) 6 12,0 4,1 8 8,4 7,7 10 11,0 5,1 Tabla 2.3-3 Tabla de resultados del EES. Presión parcial de amoniaco e hidrógeno Las corrientes 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14 y 16 contienen amoniaco con otro compuesto, bien agua o bien con hidrogeno. En la tabla 2.3-3 se puede ver la fracción másica de amoniaco y la fracción másica de gas, el resto es líquido, de cada corriente: 84 Corriente Fracción de gas Fración másico NH3 6 0,47 0,80 7 0,00 0,10 8 0,00 0,80 9 0,00 0,35 11 0,00 0,35 12 0,00 0,35 13 0,16 0,13 14 1,00 0,60 16 0,05 0,10 Tabla 2.3-4 Tabla de resultados del EES. Fracción de gas y fracción de amoniaco Por último quedan los datos de calores de entrada y salida. Los calores positivos son calores que absorbe el sistema, y los negativos calor que expulsa: Equipo Energía (kW) Los dos evaporadores 323,50 Evaporador de baja 161,80 Evaporador de alta 161,80 Generador 1444,00 rectificador -445,60 Condensador -361,20 absorbedor -960,50 Tabla 2.3-5 Tabla de resultados del EES. Energía de entrada y de salida Sumando todas las energías de entrada y salida nos da prácticamente cero. Condición necesaria para que el sistema este bien resuelto: 323,5 + 1444 −445,6 −361,2 −960,5 = 0,2 𝑘𝑘𝑘𝑘 El EER es la fracción entre el calor absorbido en los dos evaporadores por en calor absorbido en el generador. EER =323,5 1444 = 0,22 El EER obtenido con esta configuración es 0,22, superior al obtenido experimentalmente, EER = 0,15. 85 Relación EER con la temperatura del absorbedor ( T5, T11) A partir del sistema EES de la configuración 3, he variado datos de algunas variables de input para ver los cambios sufridos por las variables de output. Primero he realizado una simulación para ver como varía la eficiencia del sistema trabajando en entornos más calientes. Para esto he aumentado la temperatura del absorbedor, temperatura que afecta a las variables T5 y T11, y la temperatura de salida del condensador (T2). He aumentado la temperatura del absorbedor para simular una situación más real, pues refrigerar el absorbedor a 20ºC en verano es muy complicado. 0,2 0,205 0,21 0,215 0,22 0,225 0,23 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 EER T absorbedor (ºC) Figura 2.3-9 Gráfica EER vs temperatura del absorbedor Aumentando la temperatura del absorbedor y del condensador disminuye el EER, pero el cambio sufrido por el EER es pequeño, por lo que el sistema podrá trabajar en entornos más calientes sin ver reducido demasiado su eficiencia. 86 Relación EER con la temperatura de salida del evaporador ( T8) En la segunda simulación a reducido la temperatura de salida del evaporador, esto es útil por si queremos refrigerar algo a una temperatura inferior, puesto que 17ºC no es una temperatura baja y no nos serviría para refrigerar alimentos. He reducido la temperatura hasta -5ºC. Para que evapore todo el amoniaco a -5ºC he tenido que reducir gradualmente la fracción molar de amoniaco a la salida del evaporador hasta 0,21. x 8 molar T 8 (ºC) EER 0,48 17,00 0,224 0,45 15,84 0,224 0,44 14,68 0,223 0,42 13,53 0,222 0,41 12,37 0,222 0,38 11,21 0,221 0,37 10,05 0,220 0,36 8,90 0,219 0,34 7,74 0,218 0,33 6,58 0,217 0,32 5,42 0,216 0,31 4,26 0,214 0,30 3,11 0,213 0,28 1,95 0,212 0,27 0,79 0,210 0,26 -0,37 0,208 0,25 -1,53 0,206 0,23 -2,68 0,204 0,22 -3,84 0,202 0,21 -5,00 0,199 Tabla 2.3-6 Tabla T8 vs X8 molar vs EER 0,195 0,200 0,205 0,210 0,215 0,220 0,225 0,230 -5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 EER T salida evaporador T 8 (ºC) Figura 2.3-10 Gráfica EER vs temperatura salida del evaporador 87 Conforme aumenta la temperatura de salida del evaporador el EER aumenta, pero el cambio sufrido por el EES es pequeño, por lo que el sistema podría refrigerar a una temperatura más baja. Situación de uso real Como última variación he introducido valores más elevados a las temperaturas T2, T5 y T11, para simular el sistema en un ambiente más caliente. Así como he aumentado la temperatura de entrada al generador (T12) para aprovechar al máximo el intercambiador de líquidos y he reducido la temperatura de salida del evaporador así como la fracción de amoniaco en tal corriente para refrigerar a temperatura más baja. Con estos cambios quiero simular un sistema en condiciones más reales de uso. T2 40ºC T5 40ºC T 11 40ºC T12 120ºC T8 0ºC x 8 molar 0,26 Las temperaturas T2, T5 y T11 les he dado un valor de 40ºC, valor más fácil de refrigerar que los 20ºC que tenían. A la temperatura de entrada al generador le he dado un valor de 120ºC, de forma que se aprovecha casi al máximo el intercambiador de líquidos, la temperatura de la corriente que sale por el otro extremo del intercambiador (T7) es de 66ºC, superior a los 40ºC de entrada de la corriente por ese mismo extremo. De forma que el intercambio se facilita por la diferencia de temperaturas. Y la temperatura de refrigeración la he puesto en 0ºC, suficiente para una nevera y algo baja para un aire acondicionado. Con todos estos cambios el EER del sistema no ha variado demasiado. Pues unos cambios facilitaban el aumento de este, aumento de T12, y otros hacían que este bajara, aumento de T2, T5 y T11 así como la disminución de T8 y x8 molar. El EER resultante ha sido 0,24, algo superior al original, debido principalmente al mejor aprovechamiento del intercambiador de líquidos. 2.2 Configuración 2 63 2.2 Configuración 2 La configuración 2 corresponde al mismo experimento realizado en la configuración 1 pero en este caso se cambia el hidrógeno por el helio Nombre del documento: Numerical investigation of a diffusion absorption refrigeration cycle Autores: A. Zohar, M. Jelinek, A. Levy y I. Borde Realizado por: Pearlstone Center for Aeronautical Engineering Studies Mechanical Engineering Department, Ben-Gurion University of the Negev El sistema es similar al de la configuración 1. Por tanto los diagramas son los mismos. 2.2 Configuración 2 64 Figura 2.2-1 Diagrama DAR 2.2 Configuración 2 71 0,065 0,075 0,085 0,095 0,105 0,115 0,125 0,135 0,145 0,155 0,165 0,175 195 200 205 210 215 EER T generador (ºC) X s. pobre = 0,08 X s. pobre = 0,1 X s. pobre = 0,12 X s. pobre = 0,14 Figura 2.2-4 Gráfico de resultados obtenidos con el EES. EER vs Fracción de amoniaco en la solución pobre vs Temperatura del generador La fracción de amoniaco en la solución pobre es másica en los dos casos. La tendencia es la misma en los dos casos, el EER disminuye al aumentar la concentración de amoniaco en la solución pobre. Esto se debe a que estamos calentando la misma cantidad de amoniaco en el generador pero habrá una cantidad de amoniaco que no va a pasar al condensador ni al evaporador, por lo que no produce energía útil. Cuanto mayor sea esta cantidad (mayor sea la concentración de amoniaco en la solución pobre), menor será el EER del sistema. Pese a que en los dos casos la tendencia es la misma, ocurre lo mismo que en el experimento con hidrógeno: en el caso experimental la variación del EER es mucho mayor al variar la concentración de la solución pobre que en el caso solucionado con el EES. Esto puede ser debido a que al variar esta concentración varíen más valores del sistema y cambien temperaturas o presiones de otras corrientes, cosa que en el EES no permitimos, al tener algunas variables del sistema valores fijos. 2.2 Configuración 2 72 Otra tendencia que ocurre en los dos casos es que al aumentar la temperatura del generador disminuye el EER del sistema. Esta se debe a que estamos calentando más la solución rica por lo que el calor aportado al generador es mayor. En el estudio experimental también se varía la fracción másica de amoniaco de la solución rica y la temperatura del generador. Se obtienen distintos EER para las diferentes proporciones de amoniaco. Figura 2.2-5 Gráfico de resultados experimentales. EER vs Fracción de amoniaco en la solución rica vs Temperatura del generador 2.2 Configuración 2 73 0,065 0,075 0,085 0,095 0,105 0,115 0,125 0,135 0,145 0,155 0,165 0,175 195 200 205 210 215 EER T generador (ºC) X s. rica = 0,2 X s. rica = 0,25 X s. rica = 0,3 Figura 2.2-6 Gráfico de resultados obtenidos con el EES. EER vs Fracción de amoniaco en la solución rica vs Temperatura del generador En el caso experimental sucede algo parecido que con hidrógeno pero con un EER algo superior: Excepto en el caso que la solución rica tiene una concentración de amoniaco de 0,2 que si que se ve reducido el EER del sistema, en los otros dos casos, con fracción de amoniaco de 0,25 y 0,3 en la solución rica, el EER del sistema prácticamente no varía. En cambio en el caso teórico el EER va disminuyendo conforme disminuye la fracción de amoniaco en la solución rica. Esto se debe a que estamos calentando mayor cantidad de amoniaco por unidad de energía cuanto mayor es la proporción de amoniaco es la solución rica. De esta forma cuanto mayor es la proporción de amoniaco en la solución rica mayor aprovechamos el calor introducido en el generador. Otra tendencia que ocurre en los dos casos es que al aumentar la temperatura del generador disminuye el EER del sistema. Esta se debe a que estamos calentando más la solución rica por lo que el calor aportado al generador es mayor. 88 2.4 Ventajas e inconvenientes El sistema de refrigeración DAR es un sistema peculiar en el que la única fuente de energía que necesita es calor. Esto le da una serie de ventajas frente a los sistemas de refrigeración convencionales de compresión de gas o absorción convencionales. La principal ventaja de este sistema es la independencia del suministro eléctrico. Esta característica es principalmente la que hace que estos sistemas estén fabricándose comercialmente. Porque aun en el caso de que teniendo acceso a la red eléctrica tuvieras un exceso de energía térmica, sería más rentable utilizar un sistema de absorción convencional, en el cual el EER del sistema es superior con un gasto de energía eléctrica muy pequeño. Esta característica hace que el uso de este tipo de sistemas sea para lugares aislados, caravanas o países en vías de desarrollo donde la electricidad no llega a todos los lugares. Otra ventaja de este sistema es la ausencia de ruido durante el funcionamiento. Al no haber partes móviles, el sistema no produce ningún ruido. Esto es útil para lugares donde debe haber completo silencio; salas de conciertos, habitaciones de hoteles, caravanas... Al no haber partes móviles la tasa de fallos del sistema es menor que en un sistema de compresión de gas. Usan mezclas de agua (medio de transporte), y amoniaco (refrigerante) o bromuro de litio (medio de transporte) y agua (refrigerante) en lugar de refrigerantes que atentan contra la capa de ozono (CFC, CO2...), como es el caso de los sistemas de refrigeración por compresión. El sistema DAR también tiene varios inconvenientes frente a un sistema convencional de compresión de gas o absorción convencional. El principal inconveniente es su bajo EER frente a los otros sistemas. El sistema DAR consigue unos EER entre 0,15 - 0,30, bastante inferiores comparados con un sistema de absorción convencional de simple efecto (0,6 - 0,8) o absorción convencional de doble efecto (0,8 - 1,2) y muy inferiores a los sistemas de compresión (3,5 - 5,5). Bien hay que tener en cuenta que la energía que utilizan los sistemas de compresión es electricidad que no es una energía primaria, puesto que esta electricidad ya viene con un rendimiento (en torno al 30 -35 %) de las plantas de producción de electricidad. En el caso de los sistemas de absorción convencionales, estos también utilizan energía eléctrica, pero en cantidades pequeñas respecto al poder de refrigeración del sistema, la mayor parte de la energía que necesitan los sistemas de absorción convencionales es energía térmica, pero pese a eso siguen dependiendo de la energía eléctrica. 89 Otro inconveniente del sistema DAR es la temperatura que alcanza en el generador (215ºC), muy por encima de un sistema de absorción convencional (80 - 140ºC). Esto hace que el empleo de placas solares estáticas no sea posible para el sistema DAR, por no llegar a temperaturas tan altas,, cosa que si es posible en un sistema de absorción convencional. 90 2.5 Equipos reales El sistema de absorción difusión tiene aplicaciones comerciales. Suele tratarse de frigoríficos y congeladores que funcionan con bombonas de gas natural. Estos equipos tienen la ventaja, entre otras, de no tener que estar conectados a la red eléctrica, por lo que vienen muy bien en sitios aislados (montaña, campo), camping o caravanas. Otra ventaja importante es la ausencia de ruido de estos sistemas, pues no poseen un compresor que haga ruido, esto puede ser útil en hoteles de lujo donde en la propia habitación tienen instalada una pequeña nevera, o cualquier otro lugar donde es importante que haya silencio. Estas neveras de absorción comerciales suelen tener la opción de trabajar con gas butano o electricidad. Hay muchos fabricantes de estos refrigeradores, a continuación pongo los más relevantes: 1. Electrolux Es el fabricante de los sistemas DAR que se han usado en este proyecto, posee diferentes modelos de refrigeradores que funcionan con butano. Figura 2.5-1 Nevera Electrolux - Sistema MES con reignición electrónica - Control por termostato en todas las fuentes de energía - MPS: Sistema de Multiposicionamiento para una distribución interior flexible - Controles de fácil manejo con sólo dos mandos - Cajón para verduras incorporado en la puerta - Cierre de seguridad ergonómico con posición de invierno integrada - Capacidad bruta 77 l - Capacidad congelador 9,5 l - Altura 821 mm - Anchura 486 mm - Profundidad 538 mm 91 - Peso 25,2 kg - Consumo con temperatura exterior de 25ºC 2,5 kWh/día 2. Dometic Hoy en día, Dometic es el principal proveedor mundial de refrigeradores por absorción. La tecnología de absorción funciona silenciosamente sin Freón o partes móviles. Frigoríficos que no necesitan mantenimiento y no sufren desgastes. Figura 2.5-2 Nevera Dometic Tabla 2.5-1 Especificaciones nevera Dometic 92 - Funcionamiento a gas y electricidad - Bandejas inoxidables - 4 bandejas en la contrapuerta - Luz interior - Apertura de puerta intercambiable - Tirador ergonómico - Panel de control con selector de energía, termostato, encendido piezo-eléctrico y dispositivo de seguridad. 3. Junkers Junkers es una empresa que desarrolla, fabrica y distribuye sistemas de calefacción, agua caliente sanitaria, soluciones solares, bombas de calor y aire acondicionado de primera calidad, producidos con los atributos de seguridad y respeto por el medio ambiente como prioridades. - Capacidad total : 174 Litros 45,5 litros de congelador y 128,5 litros. de nevera. - Consumo de gas 0,56 kg/24 h. - Dimensiones 146x60x65 cm - Muy silenciosos, sin motor - Indicador de llama - luz interior. - Apertura de puertas intercambiable - Analizador de atmosfera y Figura 2.5-3 Nevera Junkers válvula de seguridad - Patas ajustables - Aislamiento máximo 93 4. Taver Instaclack Es una empresa europea que fabrica los neveras de absorción. Figura 2.5-4 Neveras Taver Instaclack 94 - Funciona con gas o electricidad. Gas Butano-Propano - Eléctrico: A cualquier tipo de electricidad (a confirmar) previo pedido. - Automático: Con termostato. - Mínimo consumo de gas: 0,5 Kg. Gas/día mod. T171. Y 0,6 Kg/día mod. T242 - Inoxidable: Interior; exterior en acero zincado y plastificado PVC. - Aislamiento: Con poliuretano inyectado formando un bloque compacto que resiste temperaturas de hasta 43ºC (110ºF). - Mueble monoblock de gran solidez y larga duración. 3 años de garantía. La experiencia de más de 30 años con clientes satisfechos en todo el mundo son la mejor garantía. - Certificado de examen CE de tipo Nº 99AR180, mod. T171 - Certificado de examen CE de tipo Nº 99AR181, mod. T242 5. Butsir Esta empresa se dedica desde su inicio a la comercialización y venta de botellas para GLP y aparatos para el uso de dicho gas, tanto a nivel nacional como a nivel internacional, así como al envasado y venta de cargas de gas en las botellas de la marca Butsir, Flaga . También fabrica neveras de absorción. CAPACIDAD TOTAL: 262,5 LITROS CAPACIDAD NEVERA: 203,5 LITROS CAPACIDAD CONGELADOR: 59 LITROS TERMOSTATO: MECÁNICO DIMENSIONES (ALTO X ANCHO X FONDO): 160 X 60 X 66 CM TIPO DE GAS: PROPANO / BUTANO FUENTE ENERGIA: ELECTRICIDAD Y GAS ENCENDIDO PIEZOELÉCTRICO Figura 2.5-5 Nevera Butsir 3.3 Colector Cilíndrico Parabólico. CCP 101 3.3 Colector Cilíndrico Parabólico. CCP El colector más apropiado para el sistema DAR es el colector cilíndrico parabólico. (CCP), tiene una temperatura máxima en condiciones óptimas de 350 - 400ºC. En condiciones normales tendrá una temperatura inferior, pero por encima de 215ºC en bastantes condiciones, que es lo que se busca con este tipo de colector, que la temperatura esté por encima de 215ºC la mayoría del tiempo. En el momento que la temperatura del colector baje de 215ºC o la energía absorbida no sea suficiente el sistema DAR necesitará de otra fuente de energía térmica como puede ser cualquier combustible fósil. Por eso mismo el sistema DAR no puede ir solo equipado con colectores solares como su único sistema de energía, siempre necesitara otro sistema secundario para las horas nocturnas o si las condiciones no son favorables. Una ventaja de este sistema de colectores solares como fuente de energía es que en el momento, época, que más calor hace (al mediodía, verano) y más se necesita refrigerar, es cuando más energía recibe el colector solar y por lo tanto más puede refrigerar el sistema DAR. Existen muchos campos solares que utilizan esta tecnología como medio de generación de energía térmica y eléctrica, ejemplos de ellos son la Plataforma Solar de Almería Andasol 1 y Andasol 2. Es por ello que esta tecnología está más avanzada que los colectores parabólicos compuestos. Los CCP´s son captadores concentradores solares de foco lineal, que transforman la radiación solar directa en energía térmica, gracias al calentamiento de un fluido de trabajo que puede llegar hasta los 400ºC en casos muy favorables. Por tanto, están englobados dentro de los colectores solares de media temperatura. 3.3 Colector Cilíndrico Parabólico. CCP 102 Figura 3.3-1 Colector cilíndrico parabólico Componentes En la Figura 3.3-1 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector, de forma más detallada. Componentes: • El reflector cilíndrico parabólico: su misión es la de reflejar y concentrar sobre el receptor la radiación solar directa incidente sobre la superficie. A grandes rasgos es un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una parábola, de forma que concentra sobre su línea focal toda la radiación reflejada. Entre los materiales usados para la reflexión, encontramos plásticos recubiertos con películas de plata o aluminio, chapas metálicas, o el más usado: vidrios sobre los que se depositan una capa de plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi. • El tubo de absorción o receptor: es un elemento fundamental en un CCP, pues el rendimiento global del colector depende en gran parte de la calidad termodinámica del absorbente. Puede constar de un solo tubo o de dos tubos concéntricos. En este último caso, el tubo interior es metálico de elevada absortividad (>90%) y de baja emisividad (<30%) en el espectro infrarrojo, lo que se traduce en un elevado rendimiento térmico. Por otro lado, el tubo exterior es de cristal y tiene el objetivo de reducir las pérdidas térmicas por convección del tubo metálico, así como de protegerlo frente a las condiciones meteorológicas adversas. Ambos tubos suelen llevar un tratamiento para aumentar la trasmisividad de la radiación solar, lo que causa un aumento del rendimiento óptico del colector. • El sistema de seguimiento solar: El seguimiento del Sol se hace con el objetivo de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz, de forma que la radiación solar 3.3 Colector Cilíndrico Parabólico. CCP 103 llegue lo mas perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco lineal continuamente. Los CCP´s pueden tener seguimiento a dos ejes o a un único eje. Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecánicamente es más sencillo, esto implica menos costos y menores perdidas térmicas por no haber tuberías pasivas. La orientación puede ser Norte-Sur o Este-Oeste. Los mecanismos de accionamiento que mueven al colector pueden ser eléctricos (apropiado para equipos pequeños), hidráulicos (para lazos de colectores) y mecánicos (reloj de pesas...). 3.4 Perdidas colector CCP 104 3.4 Perdidas colector CCP Son dos los parámetros básicos de un CCP: la razón de concentración geométrica (C) y el ángulo de aceptación (φ). 𝐶𝐶=4 · 𝐴𝐴 𝐿𝐿·𝜋𝜋·𝐷𝐷2 Siendo: A = Área de apertura L = Longitud del colector D = Diámetro del tubo receptor El ángulo de aceptación es el máximo ángulo que pueden formar dos rayos en un plano transversal a la apertura del colector, de forma que ambos rayos reflejados intercepten al tubo receptor en su reflexión. Teóricamente, el valor de la razón de concentración está en torno a 220, pero en la práctica se encuentra alrededor de 20. Por otro lado, el ángulo de aceptación de los CCP's actuales es inferior a 1°, lo que se toma como límite para el error máximo que se puede cometer en el sistema de seguimiento solar. Y en cuanto a la temperatura, la temperatura ideal de trabajo se encuentra dentro del rango 150-400 °C. Cuando la radiación solar alcanza la superficie de un colector parabólico, se pierde una cantidad importante de ella debido a diferentes factores. El total de las pérdidas se puede dividir en tres grupos, que de mayor a menor importancia se ordenan según: perdidas ópticas, térmicas y geométricas. a) Perdidas ópticas: Son debidas a que los propios elementos del Colector no son perfectos. Estas imperfecciones provocan que solo una parte de la radiación solar directa que incide sobre la superficie del concentrador parabólico llegue al fluido que circula por el tubo receptor. Los cuatro parámetros que afectan a las perdidas ópticas son: 1. Reflectividad de la superficie del concentrador → ρ ± 90 %. Los valores de la reflectividad disminuyen progresivamente según aumenta la suciedad en la superficie. 2. Factor de interceptación → ɣ ± 95% se aplica este factor puesto que las imperfecciones de los espejos y los posibles errores de seguimiento solar, provocan que no todos los rayos reflejados intercepten al tubo absorbente. 3. Trasmisividad de la cubierta de cristal → τ = 90-95 % Una parte de la radiación solar reflejada por los espejos y que alcanza a la cubierta de 3.4 Perdidas colector CCP 105 cristal del tubo absorbedor, no es capaz de atravesarlo. La razón entre la radiación que pasa a través de la cubierta de cristal, y la radiación total incidente sobre ella, da la trasmisividad de esa cubierta de vidrio. 4. Absortividad → α = 90-96% Cuantifica la cantidad de radiación incidente sobre la superficie selectiva que esta puede absorber. Se define como Rendimiento Óptico Pico del CCP, al producto de los cuatro parámetros descritos: ηopt.0º = ρ · ɣ· τ· α b) Perdidas térmicas: Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos del sistema, el tubo absorbedor y las tuberías de fluido térmico. Las perdidas asociadas están formadas por perdidas por conducción, por convección y por radiación de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor, es decir, por el tubo metálico, la cubierta de cristal, y la atmosfera. Aunque cada una de las perdidas asociadas se pueden calcular de forma independiente según las ecuaciones de transferencia de calor, en la práctica las perdidas térmicas totales QL se engloban en un único coeficiente global 𝑈𝑈𝐿𝐿�𝑊𝑊 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 2·°𝐶𝐶� 𝑄𝑄𝐿𝐿= 𝑄𝑄𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎,𝑟𝑟𝑎𝑎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑎𝑎𝑟𝑟𝑟𝑟 ó𝑛𝑛+𝑄𝑄𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎,𝑟𝑟𝑐𝑐𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 ó𝑛𝑛/𝑟𝑟𝑐𝑐𝑛𝑛𝑟𝑟𝑐𝑐𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 ó𝑛𝑛= 𝑈𝑈𝐿𝐿,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ·𝜋𝜋·𝐷𝐷·𝐿𝐿·(𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 −𝑇𝑇𝑎𝑎𝑚𝑚𝑎𝑎 ) Tabs = Temperatura media del tubo absorbente metálico. Tamb = Temperatura ambiente. D = Diámetro exterior del tubo metálico absorbente. L = Longitud del tubo metálico absorbente. El valor del coeficiente global de perdidas es un dato experimental que el fabricante facilita. Para un CCP con tubo absorbente de vacio es de unos 4 �𝑊𝑊 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 2·°𝐶𝐶�para temperaturas de entorno a los 350°C. c) Perdidas geométricas: Provocan la disminución del área efectiva de captación solar de los colectores. En un CCP se dividen en pérdidas debidas a la posición relativa de los colectores entre sí, los cuales se pueden dar sombra unos a otros; y las perdidas inherentes a cada colector, que son motivo del ángulo de incidencia, el cual provoca que en los extremos del colector haya una pérdida de superficie reflexiva útil. En el caso del sistema dar las perdidas por la posición relativa de los 3.4 Perdidas colector CCP 106 colectores entre sí serán nulas, puesto que no será necesario un gran número de colectores para este sistema y no se harán sombra entre ellos. 𝑆𝑆𝑐𝑐=𝐿𝐿𝑟𝑟·𝐿𝐿𝑐𝑐=𝐿𝐿𝑟𝑟·𝐹𝐹𝑚𝑚·𝑡𝑡𝑎𝑎𝑛𝑛(𝜃𝜃) Se = El área perdida Lr = Lado recto de la parábola Fm = Distancia media entre la superficie de la parábola y el receptor θ = El ángulo de incidencia de la radiación solar directa La existencia del ángulo de incidencia también afecta a los valores de la reflectividad, absortividad y trasmisividad, ya que estos parámetros presentan su valor máximo cuando el ángulo de incidencia es 0°. El modificador por ángulo de incidencia, K, es un parámetro que cuantifica el efecto del ángulo de incidencia en el rendimiento del colector. 3.5 Rendimiento de un colector CCP 107 3.5 Rendimiento de un colector CCP Como consecuencia de todas las perdidas ópticas, geométricas y térmicas que existen en un CCP, la energía térmica útil que da un CCP es menor que la que daría en condiciones ideales, cuando no existieran dichas pérdidas. En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un parámetro: 1. Rendimiento óptico con un ángulo de incidencia de 0º (rendimiento óptico pico): ηopt.0º = Tiene en cuenta todas las pérdidas para un ángulo de incidencia de 0º. Su valor viene dado por el producto de estos cuatro factores: reflectividad de los espejos, trasmisividad del tubo de vidrio, factor de interceptación (que tiene en cuenta la parte de radiación reflejada que por cualquier causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre el tubo metálico absorbente. 2. Rendimiento térmico, ηth = Considera todas las perdidas térmicas que tienen lugar en el colector. 3. Modificador por ángulo de incidencia, K → Considera todas las perdidas ópticas y geométricas que tienen lugar en el colector para un ángulo de incidencia φ ≠ 0º y que no se tienen en cuenta en ηopt.0º (perdidas geométricas de final de colector, bloqueo de la radiación concentrada por parte de los soportes del tubo absorbente e influencia del ángulo de incidencia en la absortividad y trasmisividad del tubo absorbente, y en la reflectividad de los espejos). 4. Rendimiento global ηglobal = Considera todas las perdidas, tanto ópticas como geométricas y térmicas, que tienen lugar en el colector. La energía térmica útil suministrada por el colector viene dada, en términos de incremento entálpico que experimenta el fluido de trabajo en el colector: 𝑄𝑄ú𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 =𝐹𝐹𝑚𝑚·(ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡 −ℎ𝑒𝑒𝑒𝑒𝑡𝑡) Qútil = Energía térmica útil suministrada por el colector (W) Fm = Caudal másico del fluido de trabajo (kg/s) hent = Entalpia del fluido de trabajo a la entrada al colector (J/kg) hsal = Entalpia del fluido de trabajo a la salida del colector (J/kg) Qsol = Energía recibida del Sol El rendimiento global del colector viene dado como el cociente entre la energía térmica útil suministrada por el colector y la energía solar incidente sobre el colector: 3.5 Rendimiento de un colector CCP 108 𝜂𝜂𝑔𝑔𝑡𝑡𝑔𝑔𝑔𝑔𝑠𝑠𝑡𝑡 =𝑄𝑄ú𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑄𝑄𝑠𝑠𝑔𝑔𝑡𝑡 3.6 Ventajas y contras 109 3.6 Ventajas y contras La ventaja de colocar colectores solares al sistema DAR es la reducción del combustible fósil a utilizar en el generador. La ventaja de los colectores solares es que los días de más calor y más necesitamos refrigerar, que es cuando más calor tenemos que aportar al generador, es cuando más radiación incide sobre los colectores solares, y más energía aportan al sistema, por lo que ahorramos más cantidad de combustible. Otra ventaja de los CCP, que por eso son los escogidos para utilizarlos en el sistema DAR, es que tienen una razón de concentración lo suficientemente elevada para que la temperatura máxima sea de 350 - 400 ºC. Esta temperatura, que es bastante más elevada que la que necesita el sistema DAR en el generador, se alcanza en el punto óptimo de funcionamiento del colector. Pero al tener tanto margen con la temperatura que necesitamos en el generador (215ºC), el colector puede seguir aportando energía al sistema aunque no se encuentre en el punto óptimo, y de esta manera aprovechar la energía solar más horas al día. Las desventajas de utilizar este colector como fuente de energía en un sistema DAR son varias. La causa por la cual ha sido este colector el elegido, y no otro más sencillo sin sistema de seguimiento, es porque la temperatura máxima del generador es de 215 ºC, por encima de las temperaturas a las que trabajan los colectores estacionarios. Este colector cumple este requisito de temperatura, pero por contra necesita de un sistema de seguimiento, este puede ser eléctrico (apropiado para equipos pequeños), hidráulico (para lazos de colectores) o mecánico (reloj de pesas...). Este sistema de seguimiento además de encarecer el colector lo hace dependiente de otra fuente de energía, eliminado de esta manera la principal ventaja del sistema DAR que solo necesita energía térmica para funcionar. Otra desventaja de utilizar CCP's en el sistema DAR, es que la utilización principal de estos colectores es para grandes industrias o grandes plantas de producción de electricidad, por lo que los CCP's suelen ser de varios kilowatios de potencia y dependiendo para que queramos utilizar el sistema DAR esa potencia será demasiada para el sistema y estaremos desaprovechando energía. En caso de uso doméstico la energía sobrante se puede utilizar para ACS, calefacción o cocina solar. Bibliografía 110 Bibliografia: • [1]: Estudio experimental de un sistema de refrigeración por absorción operando a cargas parciales. Autor: Alejandro Zacarias Santiago Ignacio Carvajal Mariscal • [2]: Integración de un refrigerador por absorción doméstico a un sistema de energía solar. Autor: César A. Isaza R. Instituto de Energía y Termodinámica Universidad Pontificia Bolivariana • [3]: Estudio del proceso de absorción con amoníaco-agua en intercambiadores de placas para equipos de refrigeración por absorción Autor: Jesús Cerezo Román Alberto Coronas Salcedo Mahmoud Bourouis Universitat Rovira i Virgili • [4] Estudio comparativo entre una instalación de refrigeración por compresión y una instalación de refrigeración solar para la climatización en verano de una vivienda unifamiliar situada en Cunit (Tarragona) Autor: Jaime Bellés Castaño Jaume Miquel Masalles • [5]: Frío Industrial y Aire Acondicionado (I.T.I.) Autor: Carlos J. Renedo Inmaculada Fernández Departamento: Ingeniería Eléctrica y Energética Area: Máquinas y Motores Térmico Universidad de Cantabria • [6]: Intercambiadores de calor Autor: O. A. Jaramillo Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México Anejo 1 - EES - Experimento 1 117 "Corriente m7, equivalente a m8. Composicion: NH3 líquido y agua" m[7]=m7 T[7]=T_7-273 P[7]=P_7 h[7]=h_7 x[7]=x7 Qu[7]=Qu_7 "Corriente m8, equivalente a m5b. Composicion: NH3 gas y H2" m[8]=m8 T[8]=T_8-273 P_NH3[8]=P8_NH3 P_H2[8]=P8_H2 h[8]=h_8 x[8]=x8 "Corriente m9, equivalente a m10l. Composicion: NH3 líquido y Agua" m[9]=m9 T[9]=T_9-273 P[9]=P_9 h[9]=h_9 x[9]=x9 "Corriente m10, equivalente a m10g. Composicion: NH3 gas y H2" m[10]=m10 T[10]=T_10-273 P_NH3[10]=P10_NH3 P_H2[10]=P10_H2 h[10]=h_10 "Corriente m11, equivalente a m6. Composicion: NH3 líquido y Agua" m[11]=m11 T[11]=T11-273 P[11]=P_11 h[11]=h_11 x[11]=x11 Qu[11]=Qu_11 "Corriente m12, equivalente a m7a. Composicion: NH3 líquido y Agua" m[12]=m12 T[12]=T_12-273 P[12]=P_12 h[12]=h_12 x[12]=x12 Qu[12]=Qu_12 "Corriente m13, equivalente a m1b. Composicion: NH3 y Agua" m[13]=m13 T[13]=T_13-273 P[13]=P_13 h[13]=h_13 x[13]=x13 Qu[13]=Qu_13 "Corriente m14, equivalente a m1cg. Composicion: NH3 gas y vapor de agua" m[14]=m14 T[14]=T_14-273 P[14]=P_14 h[14]=h_14 Anejo 1 - EES - Experimento 1 118 x[14]=x_14 Qu[14]=Qu_14 "Corriente m15, equivalente a m1d. Composicion:Agua líquido" m[15]=m15 T[15]=T_15-273 P[15]=P_15 h[15]=h_15 "Corriente m16, equivalente a m7b. Composicion: NH3 líquido y agua" m[16]=m16 T[16]=T16-273 P[16]=P_16 h[16]=h_16 x[16]=x_16 Qu[16]=Qu_16 "Energias" Q[1]=Q_evap Q[2]=Q_evap1 Q[3]=Q_evap2 Q[4]=Q_gen Q[5]=Q_rect Q[6]=Q_cond Q[7]=Q_abs Los datos de las corrientes están guardados en vectores: Anejo 1 - EES - Experimento 1 119 Para ver la relación del EER con las distintas variables del proceso he realizado diferentes tablas. Relación EER con la temperatura de salida del evaporador ( T8) He variado la temperatura de salida del evaporador desde -8ºC hasta 20ºC. No he podido bajar más la temperatura de salida porque sino no salía evaporado todo el amoniaco y los balances no cerraban bien. T8 EER -8,00 0,107 -7,28 0,110 -6,56 0,113 -5,85 0,116 -5,13 0,119 -4,41 0,121 -3,69 0,124 -2,97 0,127 -2,26 0,130 -1,54 0,133 -0,82 0,136 -0,10 0,139 0,62 0,142 1,33 0,144 2,05 0,147 2,77 0,150 3,49 0,153 4,21 0,156 4,92 0,159 5,64 0,162 6,36 0,165 7,08 0,167 7,80 0,170 8,51 0,173 9,23 0,176 9,95 0,179 10,67 0,182 11,38 0,185 12,10 0,188 12,82 0,190 13,54 0,193 14,26 0,196 14,97 0,199 15,69 0,202 16,41 0,205 17,13 0,208 17,85 0,210 18,56 0,213 19,28 0,216 20,00 0,219 Tabla Anejo 1-1 Relación EER con la temperatura de salida del evaporador Anejo 1 - EES - Experimento 1 120 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 -8 -7 -5 -4 -2 -1 1 2 3 5 6 8 9 11 12 14 15 16 18 19 EER T salida evaporador T 8 (ºC) EER vs Temperatura salida del evaporador Figura Anejo1-1 Gráfica EER vs Temperatura salida evaporador El EER aumenta al aumentar la temperatura de salida del evaporador. Esto es debido a que se puede absorber más energía en al evaporador. Al salir más caliente la corriente la entalpía es mayor y por tanto a absorbido más calor en el absorbedor. El inconveniente es que habrá que refrigerar mas el absorbedor. Relación EER con la fracción molar de amoniaco en el evaporador (x8 molar) He variado la temperatura la fracción de amoniaco en el evaporador. No he podido aumentar más la fracción de amoniaco porque sino no se evaporaba todo el amoniaco y los balances no cerraban bien. Para eso habría que aumentar la temperatura de salida del evaporador a la vez que la fracción de amoniaco. La fracción de amoniaco es una fracción molar. EER x8 molar 0,013 0,065 0,023 0,067 0,033 0,070 0,041 0,072 0,049 0,075 0,057 0,077 0,064 0,080 Anejo 1 - EES - Experimento 1 121 0,071 0,082 0,077 0,084 0,083 0,087 0,089 0,089 0,094 0,092 0,099 0,094 0,104 0,097 0,108 0,099 0,113 0,102 0,117 0,104 0,120 0,106 0,124 0,109 0,128 0,111 0,131 0,114 0,134 0,116 0,137 0,119 0,140 0,121 0,143 0,124 0,146 0,126 0,149 0,128 0,151 0,131 0,153 0,133 0,156 0,136 0,158 0,138 0,160 0,141 0,162 0,143 0,164 0,145 0,166 0,148 0,168 0,150 0,170 0,153 0,171 0,155 0,173 0,158 0,175 0,160 Tabla Anejo 1-2 Relación EER con la fracción molar de amoniaco en el evaporador 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 EER Fracción amoniaco en el evaporador x8(molar) EER vs Fracion amoniaco en el evaporador Figura Anejo 1-2 Gráfica EER vs Fracción molar amoniaco en el evaporador Anejo 1 - EES - Experimento 1 122 El EER aumenta al aumentar la fracción de amoniaco en el evaporador. Esto se debe a que al evaporar más amoniaco se absorbe más energía y el EER aumenta. La fracción de amoniaco con viene que sea alta pero esto depende de la temperatura de salida del evaporador. Porque si queremos introducir una fracción alta de amoniaco la temperatura de salida del evaporador debe ser lo suficientemente elevada para que pueda evaporar todo el amoniaco. Relación EER con la fracción másica de amoniaco en la corriente rica (x12) He variado la temperatura la fracción másica de amoniaco en la corriente rica para ver la relación que tiene con el EER. x 12 másica EER 0,200 0,115 0,208 0,117 0,215 0,120 0,223 0,122 0,231 0,125 0,239 0,127 0,246 0,129 0,254 0,130 0,262 0,132 0,269 0,134 0,277 0,135 0,285 0,136 0,292 0,138 0,300 0,139 0,308 0,140 0,315 0,142 0,323 0,147 0,331 0,151 0,339 0,155 0,346 0,159 0,354 0,163 0,362 0,167 0,369 0,171 0,377 0,175 0,385 0,179 0,392 0,183 0,400 0,187 0,408 0,191 0,415 0,194 0,423 0,198 0,431 0,202 0,439 0,205 0,446 0,209 0,454 0,213 0,462 0,216 0,469 0,220 0,477 0,223 0,485 0,226 0,492 0,230 0,500 0,233 Tabla Anejo 1-3 Relación EER con la fracción másica de amoniaco en la corriente rica Anejo 1 - EES - Experimento 1 123 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 EER Fracción amoniaco en la corriente rica x12 (másica) EER vs Fracción de amoniaco en la corriente rica Figura Anejo 1-3 Gráfica EER vs Fracción másica amoniaco en la corriente rica Al aumentar la fracción de amoniaco en la corriente rica aumenta el EER. Esto es debido a que el calor aportado en el generador es mejor aprovechado, se evapora más amoniaco por la misma cantidad de calor suministrado si aumentamos la fracción de amoniaco en la corriente de entrada al generador. Según se ve parece que lo mejor es poner una fracción muy alta de amoniaco en la corriente rica para aumentar el EER. Pero esta fracción se ve limitada por las condiciones y el diseño del absorbedor. Puede que se necesite un absorbedor muy grande o caro para conseguir esta fracción de amoniaco, o una refrigeración que este fuera de nuestro alcance en las condiciones de operación. Anejo 2 - EES - Experimento 2 124 Anejo 2 - EES - Experimento 2 A continuación todo lo que está escrito en el archivo del EES para la realización con los valores del experimento 2: "ciclo DAR" "Nombre del documento: The Influence of the Generator and Bubble Pump Configuration on the Performance of Diffusion Absorption Refrigeration (DAR) System Autores: A. Zohar, M. Jelinek, A. Levy y I. Borde" EER=Q_evap/Q_gen "Generador" {m12=1 "Base de calculo"} {P=25} P12=P CALL NH3H2O(123;T12; P12; x12: T_12; P_12; x_12; h_12; s_12; u_12; v_12;Qu_12) P14=P Qu14=1"Solo vapor, esta en equilibrio porque se acaba de evaporar" CALL NH3H2O(238; P14;x14; Qu14: T_14; P_14; x_14; h_14; s_14; u_14; v_14;Qu_14) P13=P CALL NH3H2O(234;P13; x13;h13: T_13; P_13; x_13; h_13; s_13; u_13; v_13;Qu_13) "balance materia" m12=m14+m13 m12*x12=m14*x_14+m13*x13 "balance energía" m12*h_12+Q_gen=m14*h_14+m13*h13 "Rectificador" P_1=P h_1=Enthalpy(Ammonia;T=T_1;P=P_1) Qu_1=Quality(Ammonia;T=T_1;P=P_1) T_15=T_1-2 "Algo inferior a T_1" P_15=P h_15=Enthalpy(water;T=T_15;P=P_15) "balance materia" m14=m15+m1 m14*x_14=m1 Anejo 2 - EES - Experimento 2 125 "balance energía" m14*h_14+Q_rect=m15*h_15+m1*h_1 "Condensador" {T_2=55+273 "Líquido subenfriado para asegurar condensaión"} P_2=P h_2=Enthalpy(Ammonia;T=T_2;P=P_2) Tsat_NH3=T_sat(Ammonia;P=P) "balance materia" m1=m2 "balance energía" m1*h_1+Q_cond=m2*h_2 "Mezclador m13+m15=m16" P16=P CALL NH3H2O(123;T16;P16; x16: T_16; P_16; x_16; h_16; s_16; u_16; v_16;Qu_16) "balance materia" m13+m15=m16 m13*x13=m16*x16 "balance energía" m13*h_13+m15*h_15=m16*h_16 "Intercambiador líquidos" P11=P x11=x12 CALL NH3H2O(123;T11; P11; x11: T_11; P_11; x_11; h_11; s_11; u_11; v_11;Qu_11) P7=P x7=x16 CALL NH3H2O(234;P7; x7; h7: T_7; P_7; x_7; h_7; s_7; u_7; v_7;Qu_7) "balance materia" m11=m12 m16=m7 "balance energía" m11*(h_12-h_11)=m16*(h_16-h7) "Tanque y absorbedor" Anejo 2 - EES - Experimento 2 126 Psat_NH3=P_sat(Ammonia;T=T_8)"La presión parcial del NH3 en la corriente m8 debe ser menor a este valor para asegurarnos que esta en fase gas." x8=x8_molar*17/(x8_molar*17+(1-x8_molar)*4)"fracción molar de NH3, necesaría para saber la presión parcial, que es necesaria para evitar que el amoniaco se vuelva a condensar y expulse calor." "Balance materia tanque y absorbedor" {m11*x_11=m8*x8+m7*x7"Amoniaco""Eliminamos esta ecuación al dar el valor de x8_molar, para minimizar la corriente m8. Al resolver el sistema quitando esta ecuación encuentra un unico resultado al problema, y además esta ecuación se sigue cumpliendo."} {m11*(1-x11)=m17*(1-x7)}"agua""Sobra, al cerrar el ciclo los valores de los parametros de esta ecuación ya los sabemos todos. Al resolver comprobamos que se cumple la ecuación" {m8*(1-x8)=m5"H2"} "Balance energía" h_8*m8+h7*m7+Q_abs=h_5*m5+h_11*m11 "Intercambiador gases y evaporadores" P8_NH3=P*x8_molar P8_He=P-P8_NH3 h8_NH3=Enthalpy(Ammonia;T=T_8;P=P8_NH3) h8_He=Enthalpy(Helium;T=T_8;P=P8_He) h_8=x8*h8_NH3+(1-x8)*h8_He P_5=P h_5=Enthalpy(Helium;T=T_5;P=P_5) "Balance MATERIA" m8=m5+m2 m8*x8=m2 "Balance energía" m2*h_2+m5*h_5+Q_evap=m8*h_8 "Tanque" P9=P T9=T11 x9=x11"Solución rica" CALL NH3H2O(123;T9; P9; x9: T_9; P_9; x_9; h_9; s_9; u_9; v_9;Qu_9) Anejo 2 - EES - Experimento 2 133 EER x8 molar 0,081 0,065 0,088 0,067 0,094 0,070 0,100 0,072 0,106 0,075 0,111 0,077 0,116 0,080 0,120 0,082 0,125 0,084 0,129 0,087 0,132 0,089 0,136 0,092 0,139 0,094 0,143 0,097 0,146 0,099 0,149 0,102 0,151 0,104 0,154 0,106 0,156 0,109 0,159 0,111 0,161 0,114 0,163 0,116 0,165 0,119 0,167 0,121 0,169 0,124 0,171 0,126 0,173 0,128 0,174 0,131 0,176 0,133 0,178 0,136 0,179 0,138 0,180 0,141 0,182 0,143 0,183 0,145 0,184 0,148 0,186 0,150 0,187 0,153 0,188 0,155 0,189 0,158 0,190 0,160 Tabla Anejo 2-3 Relación EER con la fracción molar de amoniaco en el evaporador 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 EER Fracción amoniaco en el evaporador x 8 (molar) EER vs Fracion amoniaco en el evaporador Figura Anejo 2-2 Gráfica EER vs fracción molar amoniaco en el evaporador Anejo 2 - EES - Experimento 2 134 El EER aumenta al aumentar la fracción de amoniaco en el evaporador. Esto se debe a que al evaporar más amoniaco se absorbe más energía y el EER aumenta. La fracción de amoniaco con viene que sea alta pero esto depende de la temperatura de salida del evaporador. Porque si queremos introducir una fracción alta de amoniaco la temperatura de salida del evaporador debe ser lo suficientemente elevada para que pueda evaporar todo el amoniaco. Los valores siguen la tendencia que tenían con el experimento 1 pero con un EER algo superior. Relación EER con la fracción másica de amoniaco en la corriente rica (x12) He variado la temperatura la fracción másica de amoniaco en la corriente rica para ver la relación que tiene con el EER. x 12 masica EER 0,200 0,131 0,208 0,135 0,215 0,139 0,223 0,142 0,231 0,145 0,239 0,148 0,246 0,151 0,254 0,153 0,262 0,156 0,269 0,158 0,277 0,160 0,285 0,163 0,292 0,165 0,300 0,166 0,308 0,168 0,315 0,171 0,323 0,176 0,331 0,182 0,339 0,187 0,346 0,192 0,354 0,197 0,362 0,202 0,369 0,207 0,377 0,212 0,385 0,217 0,392 0,222 0,400 0,226 0,408 0,231 0,415 0,236 0,423 0,241 0,431 0,245 0,439 0,250 0,446 0,254 0,454 0,259 0,462 0,263 0,469 0,268 0,477 0,272 0,485 0,277 0,492 0,281 0,500 0,285 Tabla Anejo 2-4 Relación EER con la fracción másica de amoniaco en la corriente rica Anejo 2 - EES - Experimento 2 135 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 EER Fracción amoniaco en la corriente rica x12 (másica) EER vs Fracción de amoniaco en la corriente rica Figura Anejo 2-3 Gráfica EER vs fracción másica de amoniaco en la corriente rica Al aumentar la fracción de amoniaco en la corriente rica aumenta el EER. Esto es debido a que el calor aportado en el generador es mejor aprovechado, se evapora más amoniaco por la misma cantidad de calor suministrado si aumentamos la fracción de amoniaco en la corriente de entrada al generador. Según se ve parece que lo mejor es poner una fracción muy alta de amoniaco en la corriente rica para aumentar el EER. Pero esta fracción se ve limitada por las condiciones y el diseño del absorbedor. Puede que se necesite un absorbedor muy grande o caro para conseguir esta fracción de amoniaco, o una refrigeración que este fuera de nuestro alcance por las condiciones de operación. Anejo 3 - EES - Experimento 3 136 Anejo 3 - EES - Experimento 3 A continuación todo lo que está escrito en el archivo del EES para la realización con los valores del experimento 3: "ciclo DAR" "Nombre del documento: The effect of ejector on the performance of diffusion absorption refrigeration systems: An experimental study Autores: Adnan Sözen, Tayfun Manlik, Engin Özbas" EER=Q_evap/Q_gen "Generador" {m12=1 "Base de calculo"} {P=25} P12=P CALL NH3H2O(123;T12; P12; x12: T_12; P_12; x_12; h_12; s_12; u_12; v_12;Qu_12) P14=P Qu14=1"Solo vapor, esta en equilibrio porque se acaba de evaporar" CALL NH3H2O(238; P14;x14; Qu14: T_14; P_14; x_14; h_14; s_14; u_14; v_14;Qu_14) P13=P CALL NH3H2O(234;P13; x13;h13: T_13; P_13; x_13; h_13; s_13; u_13; v_13;Qu_13) "balance materia" m12=m14+m13 m12*x12=m14*x_14+m13*x13 "balance energía" m12*h_12+Q_gen=m14*h_14+m13*h13 "Rectificador" P_1=P h_1=Enthalpy(Ammonia;T=T_1;P=P_1) Qu_1=Quality(Ammonia;T=T_1;P=P_1) T_15=T_1-2 "Algo inferior a T_1" P_15=P h_15=Enthalpy(water;T=T_15;P=P_15) "balance materia" m14=m15+m1 Anejo 3 - EES - Experimento 3 137 m14*x_14=m1 "balance energía" m14*h_14+Q_rect=m15*h_15+m1*h_1 "Condensador" {T_2=55+273 "Líquido subenfriado para asegurar condensaión"} P_2=P h_2=Enthalpy(Ammonia;T=T_2;P=P_2) Tsat_NH3=T_sat(Ammonia;P=P) "balance materia" m1=m2 "balance energía" m1*h_1+Q_cond=m2*h_2 "Mezclador m13+m15=m16" P16=P CALL NH3H2O(123;T16;P16; x16: T_16; P_16; x_16; h_16; s_16; u_16; v_16;Qu_16) "balance materia" m13+m15=m16 m13*x13=m16*x16 "balance energía" m13*h_13+m15*h_15=m16*h_16 "Intercambiador líquidos" P11=P x11=x12 CALL NH3H2O(123;T11; P11; x11: T_11; P_11; x_11; h_11; s_11; u_11; v_11;Qu_11) P7=P x7=x16 CALL NH3H2O(234;P7; x7; h7: T_7; P_7; x_7; h_7; s_7; u_7; v_7;Qu_7) "balance materia" m11=m12 m16=m7 "balance energía" m11*(h_12-h_11)=m16*(h_16-h7) Anejo 3 - EES - Experimento 3 138 "Tanque y absorbedor" "Margen de xm5b dependiendo de la temperatura y presión parcial, de forma que toda o la mayor parte del amoniaco este en fase gas:" Psat_NH3=P_sat(Ammonia;T=T_8)"La presión parcial del NH3 en la corriente m8 debe ser menor a este valor para asegurarnos que esta en fase gas." x8=x8_molar*17/(x8_molar*17+(1-x8_molar)*4)"fracción molar de NH3, necesaria para saber la presión parcial, que es necesaria para evitar que el amoniaco se vuelva a condensar y expulse calor." "Balance materia tanque y absorbedor" {m11*x_11=m8*x8+m7*x7"Amoniaco""Eliminamos esta ecuación al dar el valor de x8_molar, para minimizar la corriente m8. Al resolver el sistema quitando esta ecuación encuentra un unico resultado al problema, y además esta ecuación se sigue cumpliendo."} {m11*(1-x11)=m17*(1-x7)}"agua""Sobra, al cerrar el ciclo los valores de los parametros de esta ecuación ya los sabemos todos. Al resolver comprobamos que se cumple la ecuación" {m8*(1-x8)=m5"H2"} "Balance energía" h_8*m8+h7*m7+Q_abs=h_5*m5+h_11*m11 "Intercambiador gases y evaporadores" P8_NH3=P*x8_molar P8_He=P-P8_NH3 h8_NH3=Enthalpy(Ammonia;T=T_8;P=P8_NH3) h8_He=Enthalpy(Helium;T=T_8;P=P8_He) h_8=x8*h8_NH3+(1-x8)*h8_He P_5=P h_5=Enthalpy(Helium;T=T_5;P=P_5) "Balance MATERIA" m8=m5+m2 m8*x8=m2 "Balance energía" m2*h_2+m5*h_5+Q_evap=m8*h_8 "Tanque" Anejo 3 - EES - Experimento 3 139 P9=P T9=T11 x9=x11"Solución rica" CALL NH3H2O(123;T9; P9; x9: T_9; P_9; x_9; h_9; s_9; u_9; v_9;Qu_9) x10_molar=(x10/17)/(((1-x10)/2)+x10/17) P10=P P10_NH3=P*x10_molar P10_He=P*(1-x10_molar) h10_NH3=Enthalpy(Ammonia;T=T_10;P=P10_NH3) h10_He=Enthalpy(Helium;T=T_10;P=P10_He) h_10=x10*h10_NH3+(1-x10)*h10_He "Balance materia" m8*x8+m9*x9=m11*x11+m10*x10"amoniaco" m9*(1-x9)=m11*(1-x11)"Agua" m8*(1-x8)=m10*(1-x10)"H2" "Balance energía" h_8*m8+h_9*m9=m10*h_10+m11*h_11 "Absorbedor" "Las ecuaciones del absorbedor solo sirven para comprobar si es sistema se ha resuelto correctamente. Puesto que si las pusiera en el programa a resolver estaría sobre especificado." "Balance materia" m5-m10*(1-x10)=R_1"He" m7*x7+m10*x10-m9*x9=R_2"NH3" m7*(1-x7)-m9*(1-x9)=R_3"Agua" "Balance energía" m7*h7+m10*h_10+Q_abs-m5*h_5-m9*h_9=R_4 "Punto intermedia de los dos evaporadores" "Como el rango de evaporación va de -32ºC a 5ºC elijo una temperatura intermedia como salida del evaporador de baja temperatura, -13,5ºC" "Al punto intermedio lo llamo m6" T_6=(T_evaporacion+273+T_8)/2 P6_NH3=P_sat(Ammonia;T=T_6)"El amoniaco esta en el punto de saturación (parte gas parte líquido), por eso su presión parcial es la presión de saturación" P6_He=P-P6_NH3 h6_NH3=Enthalpy(Ammonia;T=T_6;x=Qu_6NH3)"Qu_6NH3 es la fracción de gas del amoniaco (sin tener en cuenta el H2) en la corriente 6" h6_He=Enthalpy(Helium;T=T_6;P=P6_He) h_6=x6_NH3*h6_NH3+(1-x6_NH3)*h6_He P_3=P h_3=Enthalpy(Ammonia;T=T_3;P=P_3) Anejo 3 - EES - Experimento 3 140 P_4=P T_4=T_3-(T_2-T_5)/2"Reduzco la diferencia de temperaturas a la entrada (11º) a la mitad." h_4=Enthalpy(Helium;T=T_4;P=P_4) T_4=T_6 x_evap1=Q_evap1/Q_evap Q_evap2=Q_evap-Q_evap1 "Balance materia" m6=m8 m3=m2 m4=m5 x6_NH3=x8 "Balance energía" (h_2-h_3)*m2+(h_5-h_4)*m5+Q_evap1=m6*(h_8-h_6) "Valores para la tabla y relaciones de las corrientes con las de la bibliografía" "Corriente m1, equivalente a m2. Composición: NH3 gas" m[1]=m1 T[1]=T_1-273 P[1]=P_1 h[1]=h_1 "Corriente m2, equivalente a m3. Composición: NH3 líquido" m[2]=m2 T[2]=T_2-273 P[2]=P_2 h[2]=h_2 "Corriente m3, intermedia entre los dos evaporadores. Composición: NH3 líquido" m[3]=m3 T[3]=T_3-273 P_[3]=P_3 h[3]=h_3 "Corriente m4, intermedia entre los dos evaporadores. Composición: H2" m[4]=m4 T[4]=T_4-273 P[4]=P_4 h[4]=h_4 "Corriente m5, equivalente a m5a. Composición: H2" m[5]=m5 T[5]=T_5-273 P[5]=P_5 h[5]=h_5 "Corriente m6. Composición: NH3 (gas y líquido) y H2" m[6]=m6 T[6]=T_6-273 P_NH3[6]=P6_NH3 P_He[6]=P6_He h[6]=h_6 Anejo 3 - EES - Experimento 3 141 Qu[6]=Qu_6NH3 x[6]=x6_NH3 "Corriente m7, equivalente a m8. Composición: NH3 líquido y agua" m[7]=m7 T[7]=T_7-273 P[7]=P_7 h[7]=h_7 x[7]=x7 Qu[7]=Qu_7 "Corriente m8, equivalente a m5b. Composición: NH3 gas y H2" m[8]=m8 T[8]=T_8-273 P_NH3[8]=P8_NH3 P_He[8]=P8_He h[8]=h_8 x[8]=x8 "Corriente m9, equivalente a m10l. Composición: NH3 líquido y Agua" m[9]=m9 T[9]=T_9-273 P[9]=P_9 h[9]=h_9 x[9]=x9 "Corriente m10, equivalente a m10g. Composición: NH3 gas y H2" m[10]=m10 T[10]=T_10-273 P_NH3[10]=P10_NH3 P_He[10]=P10_He h[10]=h_10 "Corriente m11, equivalente a m6. Composición: NH3 líquido y Agua" m[11]=m11 T[11]=T11-273 P[11]=P_11 h[11]=h_11 x[11]=x11 Qu[11]=Qu_11 "Corriente m12, equivalente a m7a. Composición: NH3 líquido y Agua" m[12]=m12 T[12]=T_12-273 P[12]=P_12 h[12]=h_12 x[12]=x12 Qu[12]=Qu_12 "Corriente m13, equivalente a m1b. Composición: NH3 y Agua" m[13]=m13 T[13]=T_13-273 P[13]=P_13 h[13]=h_13 x[13]=x13 Qu[13]=Qu_13 "Corriente m14, equivalente a m1cg. Composición: NH3 gas y vapor de agua" Anejo 3 - EES - Experimento 3 142 m[14]=m14 T[14]=T_14-273 P[14]=P_14 h[14]=h_14 x[14]=x_14 Qu[14]=Qu_14 "Corriente m15, equivalente a m1d. Composicion:Agua líquido" m[15]=m15 T[15]=T_15-273 P[15]=P_15 h[15]=h_15 "Corriente m16, equivalente a m7b. Composición: NH3 líquido y agua" m[16]=m16 T[16]=T16-273 P[16]=P_16 h[16]=h_16 x[16]=x_16 Qu[16]=Qu_16 "Energias" Q[1]=Q_evap Q[2]=Q_evap1 Q[3]=Q_evap2 Q[4]=Q_gen Q[5]=Q_rect Q[6]=Q_cond Q[7]=Q_abs