Refrigeración mediante el Ciclo de Absorción
Las técnicas de generación de frío más importantes son aquellas que emplean los ciclos de:
- Compresión mecánica de vapor.
- Compresión por absorción.
Las diferencias fundamentales son:
- El ciclo de vapor consume energía mecánica, mientras que el ciclo de absorción consume energía térmica.
- En igualdad de condiciones, por cada unidad de efecto refrigerante, se requiere más energía calorífica en el sistema de absorción que energía mecánica en el sistema de compresión de vapor.
- El precio de la energía mecánica es superior al de la energía térmica, que a menudo proviene de una fuente residual prácticamente gratuita.
| Ventajas de los ciclos de absorción vs. compresión | ||
| Absorción | Compresión | |
| Consumo eléctrico | X | |
| Costo inicial | X | |
| Desgaste y mantenimiento | X | |
| Ruido | X | |
| Medio ambiente | X | |
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:
| Rendimientos de los sistemas de absorción | |
| Sistema | COP |
| Agua / BrLi | 0,7 |
| NH2 / Agua | 0,4-0,5 |
Características de los Refrigerantes y Absorbentes
Los refrigerantes y absorbentes presentan las siguientes propiedades:
| Propiedades de refrigerantes y absorbentes | |||
|
R-717 Amoniaco |
R-718 Agua |
BrLi Sal diluida |
|
| Estabilidad química | Media | Alta | Alta |
| Toxicidad | Alta | Nula | Baja |
| Disponibilidad | Alta | Alta | Alta |
| Efectos contaminantes | Bajos | Nulos | Nulos |
| Calor latente vaporizado | 1,25J/kh | 2,5MJ/kg | N/A |
| Coste | Medio | Bajo | Medio |
Ventajas y Desventajas de las Sustancias en Sistemas de Absorción
| Ventajas e inconvenientes de las sustancias en sistemas de absorción | ||
| Refrigerante / Absorbente | Ventajas | Inconvenientes |
| Agua / LiBr |
El refrigerante agua tiene una alta capacidad calorífica. La solución de bromuro de litio no es volátil. Las sustancias no son tóxicas ni inflamables. |
El sistema no puede enfriar a temperaturas menores del punto de congelación del agua. El bromuro de litio es solvente en agua solo limitadamente. El vacío demanda una alta impermeabilidad del sistema. |
| NH / Agua |
El refrigerante amoniaco tiene una alta capacidad calorífica. Aplicaciones de temperaturas muy bajas, hasta -60ºC. Propiedades muy buenas de transferencia de calor y masa. |
Presión muy alta del refrigerante (tuberías más gruesas). Volatilidad del solvente (es necesaria una rectificación). Toxicidad del amoniaco. |
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, y el agua, sólo en 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.
Elementos Constitutivos del Ciclo de Absorción
La máquina de absorción se divide en cuatro partes principales, que son:
1. Evaporador
Se produce la evaporación del agua (refrigerante). Esto permite absorber el calor latente de evaporación del sistema que se encuentra en el interior de los tubos, refrigerando ésta hasta un mínimo de 4,5ºC.
2. Absorbedor
Se produce la absorción de vapor de agua por parte de la disolución de sal concentrada de Bromuro de Litio.
3. Concentrador o generador
Se produce la evaporación mediante una aportación térmica suficiente, procedente de calores residuales. Con esta evaporación se produce la separación del refrigerante (agua) de la solución diluida de Bromuro de Litio. El refrigerante en forma de vapor pasa al condensador, mientras que la solución caliente y concentrada de bromuro de litio es bombeada hasta los pulverizadores del absorbedor.
4. Condensador
El condensador es un intercambiador de calor donde se produce la condensación del refrigerante (agua) procedente de la evaporación producida en el generador. Este refrigerante condensado está listo para ser pulverizado otra vez sobre los tubos del intercambiador de la sección del evaporador, cerrando de esta manera el ciclo de absorción.
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.
Los tres grandes grupos de usuarios en el mercado del frío industrial español son:
- Industria agroalimentaria.
- Aplicaciones industriales no alimentarias.
- Transporte refrigerado.
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
La máquina de absorción puede ser alimentada con energía térmica procedente de los motores de combustión.
Esta energía se obtiene de la recuperación del calor de los humos procedentes de la combustión y del agua caliente de refrigeración de las camisas del motor.
Instalaciones con Cogeneración para Producción de Vapor y Calderas de Post Combustión
En las calderas de postcombustión se obtiene vapor a distintas presiones que puede utilizarse para las máquinas de absorción. De esta manera se puede obtener un rendimiento del 29% de la potencia aportada en combustión como potencia frigorífica disponible.
Las instalaciones de cogeneración mediante turbina de gas y ciclo combinado con ciclo de vapor exigen que el consumo eléctrico sea constante, ya que la turbina alcanza sus máximos rendimientos a plena carga, siendo desaconsejable su utilización para instalaciones que van a ser utilizadas frecuentemente a carga parcial.
Instalaciones con Energía Solar
Los paneles solares producen agua caliente a una temperatura aproximada de 80ºC. Mediante un intercambiador de calor, el circuito de los paneles cede su energía al agua almacenada en un tanque de acumulación.
La máquina de absorción se acciona con el agua caliente del tanque, y produce frío que es distribuido al local a través de los fan-coils.
Aislamiento
- El aislamiento es el factor más importante, las pérdidas mínimas se obtendrían en una envolvente cúbica.
- Cuanto mayor sea la altura de las cámaras, menor será la superficie aislada.
- El tamaño en planta de los bloques de cámaras adyacentes conviene que sea el mayor posible.
- Un valor medio aceptable es de 2,2m3/m2, para almacenes de volumen importante.
Sistemas de Producción
Compresores
- Cambiar los compresores de tipo hermético por otros de tipo abierto.
- Considerar la posible aplicación de compresores de tornillo, conjuntamente con compresores alternativos, para ajustar mejor la capacidad del sistema a las necesidades a carga parcial.
- Emplear sistemas de compresión en doble escalón, con refrigeración intermedia con separación de líquido.
- En plantas de funcionamiento de temporada deben disponerse un número de compresores que hagan frente al enfriamiento masivo de fruta en verano, y que permitan un funcionamiento económico en invierno.
Condensadores
- Ampliar la capacidad de los condensadores.
- Permitir que la presión de condensación descienda tan bajo como sea posible.
- Sustitución de condensadores húmedos por condensadores por aire, en el caso de climas templados y húmedos.
- Emplear un tratamiento de agua adecuado para evitar incrustaciones y ensuciamiento en los condensadores.
Alumbrado
- En las cámaras de conservación y congelación, cambiar el sistema de alumbrado de incandescencia a fluorescencia.
- Utilizar los sistemas de alumbrado de las cámaras de conservación solamente cuando sea estrictamente necesario.
Motores
- Emplear motores eléctricos dotados de sistemas de regulación de la velocidad.
- Emplear motores eléctricos ajustados a las necesidades.
Bombas
- En las bombas centrifugas ajustar el tamaño del rodete a las necesidades reales de presión.
- En los sistemas de bombeo, mantener limpios los filtros.
Mantenimiento
- Revisar la selección de las válvulas termostáticas de expansión, para que trabajen entre límites de presión más próximos.
- Revisar el aislamiento de tuberías y equipos, valorando adecuadamente la importancia de la barrera de vapor como posible fuente de pérdidas.
- Mantener limpios los filtros de las líneas de refrigerante líquido.
- Reparar las fugas de agua o salmuera.
- Comprobar y ajustar periódicamente la purga continua en las torres, para evitar pérdidas de agua y productos químicos.
- Establecer un buen programa de mantenimiento preventivo.
- Comprobar, ajustar y equilibrar las instalaciones.
Instalación
- Favorecer la instalación de equipos centralizados.
- Valorar la conveniencia de los sistemas de enfriamiento rápido, desde el punto de vista energético.
- En cuanto a la congelación por aire, cuyo consumo energético es el más importante, debe valorarse sobre todo el consumo de ventiladores, que es un factor importante que debe tratar de reducirse.
- Considerar la posibilidad de utilizar las horas nocturnas para la generación de frío.
- En el caso de tener producciones de frío a distintas temperaturas, se instalarán circuitos independientes a cada una de ellas.
- Considerar la posibilidad de elevar la temperatura de evaporación hasta valores compatibles con la calidad de los productos, o con los procesos de enfriamiento.
- Si se posee una central generadora de vapor a alta presión, estudiar la posible utilización de turbinas de vapor para accionar los equipos mecánicos.
- En el tratamiento de aguas, no utilizar mayor cantidad de productos químicos que los necesarios.
Regulación y Control
- Comprobar con frecuencia el calibrado de los aparatos de regulación.
- Automatizar las instalaciones con control manual.
- Mantener los aparatos de control de temperatura fuera del alcance de personas no autorizadas.
- En las cámaras de conservación, comprobar que los relojes programadores funcionan correctamente y mantienen los ventiladores parados, cuando se elimina el agua de desescarche, y se enfrían los evaporadores.
- En los evaporadores con desescarche eléctrico, montar un termostato de control de desconexión de las resistencias.
Las principales ventajas e inconvenientes de los sistemas de refrigeración por absorción son:
Ventajas
- Inexistencia de elementos móviles.
- Alta fiabilidad.
- Dilatado número de horas de funcionamiento, sin revisiones ni averías.
- Escaso mantenimiento y pocos controles.
- Menores costes de explotación y reducción de la demanda punta de electricidad.
- Fácil integración en procesos industriales.
- Uso de refrigerantes no agresivos con la capa de ozono.
- Imposibilidad total de descargas de gases nocivos o peligros hacia la atmósfera.
Inconvenientes
- El precio del sistema de absorción es mayor que el de un sistema convencional, aunque se amortiza más rápidamente por su bajo consumo de energía y mantenimiento.
- Rendimiento menor que en el método por compresión (0,8 frente a 5,5), sin embargo en algunos casos compensa el que la energía proveniente de una fuente calórica sea más económica o incluso residual.
- La cristalización, aunque es un problema que puede resolverse sin sustitución de elementos, únicamente con mano de obra y en cuestión de pocas horas.
- Los aparatos son más voluminosos y requieren inmovilidad.
