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Ciclos frigoríficos

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Ciclo de compresión mecánica o convencional:

El sistema más generalizado actualmente para la producción de frío, es el llamado de compresión mecánica, al que denominamos convencional y que consistente en un circuito cerrado en el que se somete un fluido, gas frigorígeno, a sucesivas situaciones de cambios de estado, mediante compresión y expansión, transmitiendo y absorbiendo el calor producido con el ambiente y el medio a refrigerar. Es el llamado ciclo frigorífico de compresión, que se representa.

CompresionRealizamos un transporte de calor, bombeamos, desde un lado que se pretende enfriar (foco frío, 3) a otro que está a más temperatura (foco caliente, 1) donde se disipa. Las cuatro fases que conforman el circuito frigorífico y sus componentes principales son: 1) Condensación, 2) Expansión, 3) Evaporación y 4) Compresión

Para mejor comprender el funcionamiento de un ciclo de absorción, o de adsorción, aplicable a las plantas de trigeneración, describiremos previamente un ciclo de refrigeración por compresión mecánica, de uso más extendido y, por tanto más conocido a todos los niveles técnicos.

En un ciclo de compresión mecánica, los vapores del agente frigorígeno que se producen en el evaporador de la máquina dan lugar a la producción frigorífica. Tales vapores son aspirados por un compresor que ejerce las funciones de transportar el fluido y de elevar su nivel de entalpia. El vapor comprimido a alta presión y con un elevado nivel térmico se entrega a un intercambiador de calor, el condensador, para que ceda su energía a otro fluido, que no es utilizable para la producción frigorífica, y cambie de estado, pasando a ser líquido a alta presión y temperatura, y por lo tanto tampoco utilizable para la producción frigorífica.

Este líquido relativamente caliente se fuerza a pasar a través de un dispositivo en el que deja parte de la energía que contiene, por fricción mecánica fundamentalmente, y a partir del cual entra en una zona en la que la presión se mantiene sensiblemente más baja, debido a que el compresor está aspirando de ella, que la presión de saturación que correspondería en el equilibrio a la temperatura a la que se encuentra el agente frigorígeno en estado líquido.

Este desequilibrio entre las presiones y temperaturas de saturación y las reales a las que el refrigerante se encuentra, origina la evaporación parcial del líquido, que toma el calor latente de cambio de estado de la masa del propio líquido, enfriando hasta la temperatura de saturación que corresponde a la presión a la que se encuentra, punto en el que la evaporación se interrumpe. El refrigerante en estado líquido a baja temperatura entra en el evaporador, donde se evaporará, cerrando así el ciclo frigorífico.

Definición del C.O.P.
El concepto de C.O.P. (Coefficient of Performance) en refrigeración, es sinónimo de eficiencia energética y se define como la relación entre la cantidad de refrigeración obtenida y la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración (ASHRAE 1993, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) En este cómputo no se incluyen los consumos auxiliares de energía eléctrica necesarios para el funcionamiento de bombas y ventiladores.

Ciclos termodinámicos o no convencionales
En equipos de compresión mecánica, con compresores centrífugos y de tornillo, se consiguen en la actualidad COPs entre 4,5 y 5,5 kWf/kWe. Sin embargo en los ciclos termodinámicos, no convencionales, de absorción/adsorción son muy inferiores. En máquinas de absorción de una etapa, con Bromuro de Litio, no se superan C.O.P.s de 0,7 y lo mismo sucede en las máquinas de adsorción. En las de absorción de doble efecto se alcanzan valores de hasta 1,4. En ciclos de absorción con amoniaco/agua se consiguen valores de C.O.P. de 0,5 y pueden alcanzarse máximos de 0,8.

Puede sorprender, a primera vista, que estas diferencias tan espectaculares no hayan relegado las tecnologías no convencionales. La explicación está en que el coste de producir el trabajo mecánico necesario para obtener un kWf de refrigeración en ciclo de compresión mecánica de vapor es, normalmente, superior al coste necesario para recuperar la cantidad de calor a aplicar para obtener el mismo kW en un ciclo de absorción o de adsorción.

El coste de la energía primaria es el factor que determina la posible competitividad de los sistemas de absorción y adsorción frente a los de compresión mecánica. Por ejemplo: Si comparamos un sistema de refrigeración por compresión con un C.O.P. esperable de 5,5, y un sistema de absorción de doble etapa con un C.O.P. de 1, en una aplicación en la que se dispone de una fuente de calor recuperable cuyo coste por kW recuperado es de 1 unidad mientras que el coste de la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar las máquinas de compresión es de 6 unidades, será evidente el interés de utilizar el sistema de absorción, simplemente a partir de los costes de las energías, sin tener en consideración otras posibles ventajas.

Resulta, por tanto, evidente que, según publicó la ASHRAE en 1995 (Application guide for absorption cooling/refrigeration using recovered heat): siempre que exista la posibilidad de utilizar energías térmicas desechables, gratuitas, o de muy bajo coste, procedentes de energías renovables, o efluentes de procesos industriales o de sistemas de cogeneración, la aplicación de sistemas de absorción para la producción frigorífica será competitiva e interesante

La refrigeración convencional, además de ser consumidora intensiva de energía eléctrica, funciona mediante el uso de productos compuestos de cloro, flúor y carbono (CFC), que tienen un efecto dañino sobre la capa de ozono.

Las tecnologías para obtener refrigeración no convencional o térmica son muy antiguas y nacieron como resultado del desarrollo tecnológico iniciado en el campo de la refrigeración a mediados del siglo XVII.

Existen varias tecnologías de refrigeración, que utilizan energía térmica (agua caliente, agua recalentada, vapor o llama directa) y que casi no consumen electricidad, por lo cual se denominan también como técnicas de “refrigeración NO eléctrica” (en inglés: Non electric chiller), siendo las más utilizadas para su aplicación en instalaciones de trigeneración las siguientes:

º Refrigeración térmica por absorción con par agua/bromuro de litio, en versiones de simple efecto y doble efecto.
º Refrigeración térmica por absorción con par amoniaco/agua
º Refrigeración térmica por adsorción.

Las aplicaciones de la refrigeración térmica no se diferencian de las típicas de las tecnologías de refrigeración convencionales, siendo sus usos más frecuentes en la preparación y conservación de alimentos, como el envasado de carnes, bebidas y confituras; el almacenamiento y la distribución de alimentos; el uso en procesos industriales, como la separación y condensación de gases, el secado de aire, la medicina, la fabricación de hielo, etc.; el aire acondicionado industrial en laboratorios, la mecánica de precisión y fábricas textiles; y el aire acondicionado para lograr una temperatura agradable en viviendas y locales públicos, almacenes, grandes edificios y transporte.

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