Ciclo de refrigeración con amoniaco
La refrigeración es el conjunto de técnicas que permiten enfriar una sustancia y mantenerla fría durante el tiempo que haga falta (desde segundos hasta años). El ambiente produce la frontera de los procesos refrigerativos que requieren un dispendio energético, excepto que dispongamos de una cantidad ilimitada de una sustancia que este fría. El ciclo de refrigeración por amoniaco es un ciclo por absorción. En los sistemas de refrigeración, la energía extraída de la región fría finalmente debe expulsarse a otra región que se encuentra a una temperatura considerablemente mayor. Esta segunda región suele ser el ambiente circundante. Para llevar a cabo el proceso de cesión de calor, la temperatura del fluido en el ciclo de refrigeración debe elevarse hasta un vapor superior al del ambiente. La técnica de refrigeración por absorción se basa en que el trabajo de entrada sea menor que en el ciclo por compresión. Para lograr esto el ciclo global se hace físicamente más complejo. Además es necesario utilizar una mezcla binaria, como amoniaco con agua, como fluido que circula por una parte del ciclo. Los fluidos con dos componentes tienen una característica importante que se debe reconocer. Cuando en el equilibrio están presentes dos fases, la composición de un componente dado no es la misma en las dos fases. La fase vapor contendrá más del componente más volátil a la temperatura dada. En el ciclo de amoniaco con agua, el amoniaco tiene una tendencia a evaporarse mucho mayor que la del agua a una temperatura dada. Así, en una disolución amoniaco-agua, la fase vapor contiene mucho más amoniaco que la fase liquida en equilibrio con ella. Rendimiento del ciclo de absorción
El ciclo de absorción requiere poco consumo de energía mecánica para el bombeo entre el absorbedor y el generador. Precisa energía térmica en cantidad considerable para producir la destilación en el generador. El rendimiento de un ciclo de absorción se denomina COP, coeficiente de operación, y se define como:
El COP de la mezcla de amoniaco amoniaco con agua es de 0.4 a 0.5
Ventajas y desventajas del sistema de absorción del amoniaco con agua
Las ventajas son que el refrigerante amoniaco tiene una alta capacidad calorífica se puede aplicar a temperaturas muy bajas, hasta -60ºC. Además tiene propiedades muy buenas de transferencia de calor y masa. Este tipo de refrigerante no es agresivo con la capa de ozono. Las desventajas son que la presión del refrigerante es muy alta en tuberías más gruesas, que el solvente es muy volátil (es necesaria una rectificación) y la toxicidad del amoniaco. Elementos constitutivos del ciclo de absorción de amoniaco-agua
La máquina de absorción se divide en cuatro partes principales, que son: 1. Evaporador 2. Absorbedor 3. Concentrador o generador 4. Condensador Válvula de estrangulamiento
8
1
7
Disolución diluida
6
Válvula de regulación
5
4
2
3
Disolución concentrada
El evaporador, el condensador y la válvula de estrangulamiento se utilizan también en el ciclo por compresión. Sin embargo, el compresor de este ciclo se
sustituye por cuatro dispositivos: un absorbedor, una bomba, un generador y una válvula. Del evaporador sale amoniaco puro en el estado 1, que entra en el absorbedor. El medio absorbente es una disolución diluida es decir de baja concentración de amoniaco y agua que entra continuamente en el estado 5. El proceso de absorción libera energía y, por tanto, para mantener la disolución a temperatura constante es necesario que circule agua de refrigeración por el absorbedor. La temperatura del fluido absorbente debe mantenerse lo más baja posible, ya que la cantidad de refrigerante puro (amoniaco) que puede absorberse decrece al aumentar la temperatura. No obstante, para que la transferencia de calor sea efectiva, el absorbedor debe funcionar a 10 o 20 grados por encima de la temperatura del agua de refrigeración. El líquido que sale del absorbedor en el estado 2 es una disolución concentrada de amoniaco. Esta mezcla liquida binaria se comprime con una bomba hasta el estado 3, que está a la presión deseada en el condensador. El aumento de temperatura de la mezcla binaria debido al trabajo de la bomba suele ser pequeño. Así, la disolución concentrada es líquido subenfriado cuando entra al generador. En el generador es necesario añadir un calor Qg para calentar el líquido que entra hasta la temperatura de saturación y extraer de la disolución una parte de amoniaco. El amoniaco casi puro pasa al condensador en el estado 6 y finalmente regresa al absorbedor en el estado 1. La disolución diluida que queda en el generador (estado 4) entra en una válvula de regularización, que baja la presión de la dilución hasta la del absorbedor. Se mezcla con la disolución que queda en el absorbedor y el vapor frio procedente del evaporador se añade a la disolución liquida total. La disolución amoniacoagua realiza un ciclo pasando por el absorbedor, la bomba, el generador y la válvula y sirve como medio de transporte para el refrigerante, que es el amoniaco. El dispositivo de refrigeración por absorción requiere una fuente de calor externa para generar el vapor del refrigerante. La refrigeración por absorción es sumamente atractiva cuando se dispone de una fuente de energía térmica de baja temperatura. En la práctica los equipos de refrigeración por absorción tienen dos modificaciones:
Es necesario calentar la disolución concentrada fría en el estado 3 antes de que entre en el generador y es necesario enfriar la disolución diluida caliente en el estado 4 antes de entrar en el absorbedor. Por tanto se
coloca un cambiador de calor entre el absorbedor y el generador que permite transferir calor de la dilución diluida a la concentrada. Una exigencia fundamental es que el amoniaco que sale del generador debe estar libre de agua cuando pasa por el circuito condensador-válvula de estrangulamiento-evaporador. Cualquier traza de agua se congelara en la válvula de expansión y en el evaporador. Por eso, el vapor que sale del generador pasa por un dispositivo denominado rectificador antes de entrar al condensador. El rectificador separa cualquier residuo de vapor de agua de la corriente de vapor que sale del generador y devuelve el agua al generador.
Máquina frigorífica de absorción
Las máquinas de absorción producen frío a partir de calor residual de algún proceso de fabricación. El calor producido en las plantas de cogeneración y el calor residual de los motores térmicos, son fuentes térmicas que pueden ser utilizadas para accionar las máquinas de absorción. Los sistemas de absorción utilizan como refrigerante el amoníaco, en refrigeración y aire acondicionado. Aunque se han estudiado diversas combinaciones de refrigerante y agente absorbente, en la práctica, en la industria sólo se utilizan sistemas a base de amoniaco-agua o agua-bromuro de litio. La máquina de absorción es cilíndrica y de una sola pieza para asegurar una alta hermeticidad de todo el conjunto. Las máquinas de absorción trabajan a presiones muy por debajo de la atmosférica, en depresión. Las máquinas de absorción tienen unas aplicaciones muy determinadas en aquellos proyectos en los que existe la posibilidad de obtener efluentes térmicos gratuitos. En caso contrario, los estudios de viabilidad demuestran periodos de amortización más largos que las máquinas de compresión convencionales, ya que los COP obtenidos en máquinas de absorción sólo son rentables si la energía térmica de calentamiento no tiene coste económico ninguno. Existen tres tipos principales de instalación con obtención de fluentes térmicos residuales o gratuitos en los que se recomienda mayoritariamente la instalación de máquinas de absorción:
Instalaciones con cogeneración para producción de agua caliente y motores de combustión. Instalaciones con cogeneración para producción de vapor y calderas de post combustión. Instalaciones con energía solar.
Bibliografía
Ciclos de refrigeración. Rufes Martínez Pedro, Miranda L. Ángel Ediciones CEAC Termodinámica Wark Kenneth, Richards Donald E. Mc Graw-Hill Sexta edición http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/refrigeracionmediante-el-ciclo-de-absorcion#ancla
