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La refrigeración en ciclo de ABsorción

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La refrigeración en ciclo de Absorción fue desarrollada por Sir John Leslie, que utilizó el ácido sulfúrico como absorbente y el agua como refrigerante. Más tarde, en 1859, Ferdinand Carré inventó la primera máquina de absorción, funcionando con el par amoniaco-agua.

Las primeras aplicaciones industriales de los principios termodinámicos de la absorción de un vapor por un líquido, con el fin de conseguir la refrigeración de otro líquido, datan de los primeros años 30, del pasado siglo. La comercialización a mayor escala de plantas frigoríficas de absorción con ciclo amoniaco-agua comienzan en los 40 y la puesta en el mercado de las primeras plantas con ciclo agua-bromuro de litio tiene lugar a principio de los 50.

altLos ciclos de absorción se basan en la capacidad que tienen algunas sustancias para absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias. Son, por tanto, sistemas de dos componentes, donde una de las sustancias es disuelta en la otra y el enfriamiento se produce extrayendo una de las dos sustancias de la solución por medio de la aplicación de calor y luego reabsorbiéndola hacia la solución.

Los sistemas de refrigeración por absorción presentan la ventaja, respecto a los de convencionales de compresión, de requerir una demanda eléctrica casi despreciable, sustituyendo ésta por demanda térmica. Una planta de este tipo está formada principalmente por intercambiadores de calor. El único componente con partes móviles es la bomba de la solución. Por ello estas plantas prácticamente no tienen desgaste, siendo de alta fiabilidad y reducidos gastos de mantenimiento.

El principal atractivo de estos equipos es su capacidad para aprovechar el calor residual en procesos industriales o en plantas de cogeneración, utilizando el calor de los gases de escape de los motores o de las turbinas, con diferentes formas para el aprovechamiento de dicha energía:

º Conexión mediante fluido intermedio, los gases de escape pasan por una caldera donde se produce vapor o agua caliente que, a su vez, se usa para la propulsión de la máquina de absorción. La ventaja de este sistema es que el vapor o agua caliente puede usarse simultáneamente para otras aplicaciones. Por ejemplo en empresas con grandes fluctuaciones en el consumo de vapor,esta máquina, puede consumir los excedentes de vapor. De esta forma la planta de cogeneración puede operarse a régimen constante aunque haya fluctuaciones en el consumo de vapor.

º Conexión directa, los gases de escape pueden usarse directamente para propulsar la máquina de absorción. Esta posibilidad es interesante cuando toda la energía térmica de la cogeneración está destinada a la producción de frío, por la reducción de costes de inversión y de mantenimiento al evitar tener un circuito de vapor adicional.

En ambos casos la refrigeradora no influye en la cogeneración, pues no precisa un suministro constante de calor, ni hay requisitos especiales para la puesta en marcha o parada de la planta. El control es completamente automático e independiente de la cogeneración.

La energía térmica, necesaria para el funcionamiento de la refrigeradora de adsorción, también puede proceder de la combustión directa de cualquier combustible sobre la misma máquina.

El ciclo termodinámico de absorción, llamado de Carré, es similar a un ciclo inverso de Rankine, con la diferencia de sustituir el compresor eléctrico por un compresor térmico. Para hacer más fácil la compresión del ciclo de simple efecto se presenta, en el siguiente esquema, la similitud entre ambos.

altEl proceso de absorción se lleva a cabo en el absorbedor, en el que entra el elemento refrigerante procedente del evaporador y la solución de transporte concentrada procedente del generador, necesitando enfriar para mejorar el proceso. La solución diluida se bombea hasta el generador, donde se aporta calor para volver a separar el refrigerante de la solución. A continuación, el refrigerante se dirige al condensador para continuar el ciclo de Rankine convencional.

La solución de transporte, antes de ir concentrada al absorbedor, se hace pasar por un regenerador, al que aporta calor que se aprovecha para calentar la solución diluida procedente de la bomba y con destino al generador, con el consiguiente aprovechamiento energético y mejora del COP.

El trabajo mecánico consumido por el ciclo se limita al accionamiento eléctrico de la bomba, que es exiguo en comparación con el consumido por un compresor en el ciclo convencional. La principal energía consumida es el calor que se debe aportar en el generador para separar al refrigerante de la solución.

Los dos pares de refrigerantes más usados son la combinación de agua-bromuro de litio (BrLi), para obtener refrigeración a temperatura de hasta +6ºC, y el amoniaco-agua que es capaz de obtener temperaturas negativas por debajo del punto de congelación del agua, hasta de -60ºC. El fluido citado en primer lugar representa el refrigerante, mientras que el otro hace de absorbente.

Absorción con par agua/sales bromuro de litio

En este caso el refrigerante es el agua y la solución de transporte la sal de bromuro de litio (Br-Li) Ver esquema  que ilustra el principio de funcionamiento de una máquina de refrigeración con ciclo de absorción de simple efecto.

El agua no puede condensar o evaporar por debajo de 0,01°C, por lo que no puede ser empleada en equipos de producción de frío de temperatura negativa. Utilizando agua como refrigerante, se trabaja a presiones inferiores a la atmosférica (vacío) para las temperaturas habituales de climatización, lo cual obliga a diseños de máquinas muy compactas para minimizar las pérdidas de carga en tuberías.

Bajo ciertas condiciones de operación, se puede producir la cristalización del Bromuro de Litio. Este fenómeno provoca la parada del equipo hasta su posterior fusión. Para evitarlo se debe prestar especial atención a las variables críticas. Este tema, que era muy importante en las máquinas antiguas, está actualmente superado mediante dispositivos de control adecuados.

Según la temperatura del foco caliente las clasificamos en dos tipos:

º Absorción simple efecto: La fuente térmica es agua caliente a una temperatura entre 80 y 95ºC, obteniéndose un COP del orden del 0,7.
º Absorción doble efecto: La fuente térmica puede ser vapor de agua, gases de escape de motores o turbinas o, incluso, fuego directo, obteniéndose un COP hasta de 1,4

Presentamos el principio de funcionamiento de una central de climatización BROAD en ciclo termodinámico de absorción con el par agua/bromuro de litio,  que reúne en un sólo equipo las funciones de producir agua fría para refrigeración, agua caliente para calefacción y ACS, en cualquier época del año. BROAD cuenta con la única tecnología demostrable en el mundo, que es capaz de disponer las tres funciones en una sola unidad. Ver esquema de principio  funcionando alternativamente  en modos de refrigeración y calefacción, y en ambos con producción de ACS.

Absorción con par amoniaco/agua

Desde hace decenios, las plantas de refrigeración por absorción con el par amoniaco/agua se utilizan para la refrigeración a bajas temperaturas. Actualmente, con métodos avanzados de diseño y construcción, estas máquinas se aplican en sectores donde la fiabilidad es de importancia primordial. Por ejemplo en la liofilización de café a –55°C, prácticamente sólo se usan plantas de refrigeración por absorción con el par amoniaco-agua.

Para conseguir temperaturas de hasta –60°C, una planta de compresión suele ser de múltiple etapa mientras que en una de absorción es suficiente con una sola. Por ello cuanto más baja sea la temperatura de evaporación el proceso de absorción tiene mayores ventajas en comparación con las plantas por compresión.

El amoniaco no afecta a la capa de ozono, pero es tóxico e inflamable y tiene consecuencias directas sobre la salud del ser humano, por lo que pérdidas de este compuesto en el sistema pueden afectar mediante el contacto directo o por la contaminación de los alimentos presentes en la cámara frigorífica. Es por ello que esta tecnología requiere de un control estricto en su explotación, y una alta calificación del personal técnico encargado de su funcionamiento.

Las propiedades termodinámicas del amoniaco como refrigerante son magnificas y se puede emplear para producción de frío a baja temperatura, posibilitando el uso del equipo como bomba de calor en inviernos fríos.

En el caso del amoniaco/agua, el COP no supera el 0,5. Este valor y los inconvenientes mencionados hacen que se utilice el par amoniaco/agua para instalaciones que requieran baja temperatura (industria alimentaria), mientras que el agua/bromuro de litio es el par empleado para climatización.

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