Información Tecnológica-Vol. 15 N°6-2004, págs.: 3-8

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MATERIA

Empleo de Enfriadoras de Absorción para Climatización en el Sector Doméstico como Alternativa a Enfriadoras por Compresión en Configuración Partida

Use of Absorption Chillers as an Alternative to Split Compression Chillers for Home Air Conditioning

J.I. Linares y B.Y. Moratilla
Universidad Pontificia Comillas de Madrid, Núcleo Tecnológico, Esc. Técnica Superior de Ingeniería (ICAI), c/ Alberto Aguilera Nº23,
28015 Madrid-España (e-mail: linares@dfc.icai.upco.es)

Resumen

En este trabajo, se analiza la viabilidad técnica de sustituir enfriadoras domésticas por compresión de vapor en configuración partida aire/aire, por máquinas de absorción de simple efecto con agua/bromuro de litio y que trabajen en el modo aire/aire. Para ello se ha modificado una herramienta informática propia ya validada y desarrollada para diseñar máquinas de compresión para que sea capaz de diseñar máquinas de absorción. Con dicha herramienta modificada se han obtenido los diseños de ambas máquinas para condiciones de carga dadas. Los resultados indican que la máquina de absorción presenta dimensiones mayores, debiendo diseñarse los intercambiadores con bajo salto térmico. Se concluye que, el proyecto es técnicamente viable y por tanto es posible adaptar una tecnología, hasta ahora reservada a las grandes instalaciones, al sector doméstico.

Abstract

The technical feasibility of replacing home vapour compression split chillers in an air/air configuration with single effect absorption devices having water/lithium bromide in an air/air mode, has been analyzed. For this, in-house software previously used in the design of compression plants was modified for the design of absorption devices. Designs for both types of machines  were obtained from the modified software, and applied under  equivalent load conditions. The results showed that the absorption machine was larger in size, and that the heat exchangers required a design having a low thermal gap. It was concluded that the project was technically feasible and thus capable of adapting a technology originally reserved for large installations to the domestic sector.

Keywords: air conditioning, absorption, LiBr/H₂O, split devices, chillers

INTRODUCCIÓN

Recientemente se ha despertando el interés por las máquinas de climatización por absorción debido a que, pese su bajo valor de coeficiente de operación (COP), la energía consumida para su accionamiento es principalmente  de tipo térmico, pudiendo provenir de calores residuales, lo que facilita su integración en plantas de cogeneración, dando lugar a la llamada trigeneración (Izquierdo et al., 1999; Ramos, 2003), que constituye una de las maneras más eficaces para hacer frente al compromiso de Kyoto.

Una máquina de absorción de simple efecto consta de los mismos elementos que otra basada en compresión mecánica del vapor, a excepción del compresor, que es sustituido por un “compresor térmico”. Tal dispositivo permite transportar el refrigerante a la zona de alta presión disuelto en un líquido adecuado. De este modo, cuando el refrigerante sale del evaporador es conducido a un intercambiador de calor, el absorbedor, en el que disipando calor al exterior se logra su absorción en el fluido de transporte. Esta mezcla líquida formada constituye la solución rica, que es bombeada a la presión del condensador. Antes de entrar en el condensador la solución rica pasa por otro intercambiador de calor, el generador, donde mediante el aporte de calor el refrigerante pasa a vapor separándose del fluido de transporte. Dicho fluido de transporte aún contiene algo de refrigerante, constitu-yendo una solución pobre, que es devuelta al absorbedor. El refrigerante separado pasa al condensador para comenzar el ciclo frigorífico. La figura 1 muestra el esquema de una de estas máquinas, donde el circuito 2-3-4-1 es idéntico al de un ciclo de refrigeración por compresión, recorrido por una masa de refrigerante “m_ref”, liberando el calor “Q_K” en el condensador y tomando el calor “Q_E” en el evaporador. El compresor térmico está en el circuito 1-2, donde el absorbedor libera el calor “Q_a” recibiendo la masa “m_p” de solución pobre y el generador toma el calor “Q_G” recibiendo la masa “m_r” de solución rica.

En el ámbito de la climatización el fluido más empleado es el par agua/bromuro de litio, donde el primero actúa como refrigerante y el segundo como fluido de transporte. Uno de los problemas que presenta dicho fluido es que al tratarse de una sal puede cristalizar bajo  ciertas  condiciones de operación, lo que obliga a detener la máquina para disolverla de nuevo. El COP obtenido en máquinas de simple efecto como las descritas es del orden de 0,7.

Tradicionalmente las máquinas de climatización por absorción disipan el calor del condensador y del absorbedor a través de una torre de refrigeración, produciendo el evaporador agua fría, para una red de "fancoils" (Martínez, 2001). En un clima continental como el de Madrid, las temperaturas de condensación y absorción obtenidas, superiores a 40ºC, son demasiado elevadas para la temperatura de evaporación requerida, en torno a 6ºC, produciendo rendimientos tremendamente bajos debido a la escasa diferencia entre la concentración de la solución rica y pobre (Arzoz et al., 2002). A estos problemas hay que añadir las necesidades de mantenimiento que genera una torre de refrigeración para evitar los riesgos sanitarios, tales como la legionella (Martín y Gurrutxaga, 2003; Herold et al., 1996; Martínez, 2001). La problemática ante-rior hace que en la práctica la climatización por absorción se restrinja al ámbito de las grandes instalaciones, resultando inviable para el sector doméstico (Martínez, 2001).

El objetivo de este trabajo es analizar las posibilidades de empleo de estas máquinas de absorción en el sector doméstico, sustituyendo así a los habituales equipos de compresión en configuración partida o “split” que operan en modo aire/aire, es decir, cediendo el calor del condensador al aire atmosférico y enfriando de forma directa el aire del local a climatizar, sin recurrir a la producción de agua fría. Mantener el esquema aire/aire de las máquinas de compresión es vital para el sector doméstico, al eliminar las servidumbres que conlleva el mantenimiento de una torre de refrigeración.

El aporte de calor en máquinas de simple efecto no es económicamente viable realizarlo mediante llama directa (Izquierdo et al., 1999), pero en aplicaciones domésticas cada vez está cobrando más interés el uso de pequeñas plantas de cogeneración, hoy día mediante microturbinas de gas y a medio plazo mediante pilas de combustible de baja temperatura (Largo, 2003), permitiendo ambos sistemas emplear los calores residuales como fuente térmica para la máquina de absorción.

METODOLOGÍA

Herramienta de simulación

En trabajos previos se ha desarrollado una herramienta informática capaz de dimensionar y simular equipos de compresión “split”, la cual ha sido validada convenientemente (Linares y Moratilla, 2003). Dicha herramienta es de estructura modular y permite obtener los tamaños de los diferentes equipos de la planta a partir de una condiciones nominales (temperatura ambiente, temperatura del local y carga térmica) y unas características térmicas básicas de los intercambiadores (saltos térmicos, espaciado de aletas, materiales, subenfriamiento a la salida del condensador, recalentamiento a la salida del evaporador) y del compresor (rendimiento interno, espacio perjudicial, régimen de giro) para a partir de ellos llevar a cabo un cálculo detallado del proceso de transferencia de calor y de pérdida de carga en el condensador y el evaporador, mediante el cual es posible establecer sus diámetros y longitudes, siendo ésta la principal diferencia entre esta herramienta y otras que se pueden encontrar en el mercado (Linares y Granada, 2001).

Este análisis se complementa con balances energéticos y másicos en el resto de componentes, lo que permite obtener el resto de parámetros de la planta, tales como la cilindrada del compresor, carga de refrigerante, tensión del muelle de la válvula de expansión, etc. La herramienta ha sido implantada en EES (F-Chart Software, 2000) que es un entorno amigable de desarrollo de procesos térmicos.

El primer paso del trabajo consistió en reemplazar en la herramienta descrita el módulo del compresor mecánico por el compresor térmico que emplea un ciclo de absorción. El resto de módulos se han mantenido, pues el trabajo pretende evaluar el comportamiento de la máquina de absorción condensando y evaporando de la misma forma que la de compresión. Esta modificación permite mantener la validez de la herramienta, pues el análisis térmico de los intercambiadores es el que ya estaba validado y el modelo introducido se limita a la resolución del ciclo de absorción, para el que el entorno EES ya ha demostrado su precisión (Herold et al., 1996). En la herramienta no se han introducido los modelos detallados del absorbedor y del generador, de modo que no es posible dimensionarlos.

Caso de referencia

Para analizar las posibilidades técnicas de sustitución de los equipos “split” por los de absorción se han tomado unas necesidades típicas de climatización del sector doméstico y se ha aplicado la herramienta informática para obtener las dimensiones del equipo “split” de compresión y del de absorción, procediendo así a comparar ambos diseños.

La carga térmica considerada es de 3 kW, la temperatura ambiente de 40ºC y la del recinto a climatizar de 22ºC. Las aletas del condensador y evaporador tienen una conductividad térmica de 208 W/m-K, un espesor de 0,1 mm y una relación de altura a diámetro exterior del conducto de 1,2. En el evaporador se colocan 472 aletas/m y en el condensador 590 aletas/m.

La máquina de absorción es de simple efecto y emplea como fluido de trabajo agua/bromuro de litio. La temperatura del generador es de 95ºC y la del absorbedor de 46ºC. El COP conseguido es de 0,71; valor consistente con el hallado en la literatura (Herold et al., 1996; Izquierdo et al., 1999).

El equipo de compresión emplea como fluido de trabajo R22 (CHClF₂), que si bien es un HCFC y según el Protocolo de Montreal ya no puede ser fabricado (Monasterio et al., 1993) resulta todavía de uso común en instalaciones del sector residencial. La distancia entre las unidades exterior e interior es de 7,5 m. El COP conseguido es de 2,2, similar al encontrado en la literatura (Monasterio et al., 1993).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La Tabla 1, recoge las características más significativas del condensador y del evadorador diseñados por la herramienta para el equipo de compresión y el de absorción en respuesta al caso de referencia. En dicha tabla “U” es el coeficiente global de transferencia de calor, “D” es el diámetro nominal del intercambiador, “L” es la longitud del mismo, “T_k” la temperatura de condensación, “T_e” la temperatura de evaporación, “T_amb” la temperatura ambiente, “T_habit” la temperatura del local, “Sub” el subenfriamiento a la salida del condensador, “Rec” el recalentamiento a la salida del evaporador y “P” la presión.

Los valores mostrados en la Tabla 1 ponen de manifiesto que las presiones de trabajo del agua como refrigerante para las temperaturas de condensación y evaporación de un sistema de estas características son muy bajas (1,7 a 7 kPa), lo que provoca que los diámetros de los conductos e intercambiadores sean mayores que en la máquina de compresión, con objeto de lograr que las pérdidas de carga sean pequeñas comparadas con la presión del intercambiador. Esto impide que se emplee recalentamiento a la salida del evaporador, pues ello incrementa mucho el volumen específico del refrigerante y en consecuencia, las pérdidas de fricción. Por otra parte, tecnológicamente no se requiere de este recalentamiento pues en el absorbedor no puede haber el temido “golpe de líquido” de los compresores alternativos. Como ventaja se tiene que la ausencia de recalentamiento en el evaporador permite que su coeficiente de transferencia de calor sea mucho mayor que la habitual en máquinas de compresión. La ausencia de recalentamiento en las máquinas de absorción se muestra tan eficaz para controlar las pérdidas de carga, que en el caso analizado el diámetro del evaporador en la máquina de absorción resulta menor que en la de compresión.

En cuanto al subenfriamiento a la salida del condensador, su empleo obliga también a aumentar el diámetro y reduce el coeficiente de transferencia, si bien su efecto es menor debido a los mejores coeficientes de película del líquido y a su menor volumen específico. No suele emplearse en sistemas de absorción, no siendo algo crítico. Por otra parte, la obligada presencia de una zona de vapor sobrecalentado a la entrada del condensador ya supone unas limitaciones importantes en su diámetro y en su coeficiente global de transferencia de calor. Esto hace que el diámetro del condensador en estos equipos sea mayor que el del evaporador, a diferencia de lo que ocurre en las máquinas de compresión.

Para reducir las pérdidas de carga sería preciso montar el condensador y el evaporador  de forma compacta, pudiendo llevar el compresor térmico a una unidad exterior, empleando conductos de diámetro apropiado para conectarse a la unidad exterior que aloja de forma compacta al condensador y al evaporador.

El empleo de un evaporador de expansión seca que directamente refrigere  el  aire  del local y que trabaje con un salto térmico reducido, de 6 K, permite elevar el COP y emplear el aire ambiente directamente como medio de refrigeración para el condensador y el absorbedor. Así las temperaturas de con densación y absorción se mantienen ELE densación y absorción se mantienen elevadas, a 46ºC, dificultando la cristalización de la sal. Pese a esto, el valor de la temperatura de condensación no debe subir mucho más del valor anterior para no repercutir negativamente en el COP. Estos reducidos saltos térmicos provocan un incremento en la longitud del condensador y del evaporador respecto a la máquina de compresión mecánica. Existen prototipos de absorbedor refrigerados por aire con un salto térmico de sólo 6 K entre la temperatura final de absorción y la ambiente (Arzoz et al., 2002).

El salto térmico de 6 K planteado para el evaporador y el absorbedor condiciona la temperatura de generación, y con ella la del medio de accionamiento de la máquina de absorción. La figura 2 representa la evolución del COP de la máquina de absorción en función del salto térmico (se ha tomado el mismo en todos los intercambiadores) para dos temperaturas de generación (T_g) distintas, 95ºC y 105ºC. Se aprecia cómo hasta 6 K el COP no es sensible a la temperatura de generación. Sin embargo, conforme se incrementa el salto térmico se debe incrementar también la temperatura  de generación  para no penalizar el COP, si bien la temperatura de generación no puede ser mucho mayor de 105ºC para no provocar problemas de cristalización del bromuro de litio.

CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos, de su análisis y discusión se concluye que, desde un punto de vista técnico, es posible sustituir los equipos de compresión de configuración partida empleados en el sector doméstico por máquinas de absorción de simple efecto, que empleen agua/bromuro de litio como par de trabajo y usen aire como foco para sus intercambiadores, con tal de que cumplan las siguientes

restricciones de diseño: 1) No se emplee recalentamiento a la salida del evaporador ni subenfriamiento a la salida del condensador; 2) El evaporador y el condensador constituyan una unidad compacta; 3) Los intercambiadores se diseñen con bajo salto térmico, no mayor de 6 K, lo que permite una mayor flexibilidad en la temperatura de generación.

Las restricciones de diseño anteriores producen instalaciones de mayor tamaño que las tradicionales de compresión, pero las ventajas de la integración de la máquina de absorción con pequeñas plantas de cogeneración o con colectores solares térmicos de vacío hacen que este inconveniente quede superado.

Junto a estos factores se deben contemplar también aspectos de viabilidad económica y medioambiental, con objeto de tener una valoración completa. 

REFERENCIAS

Arzoz, D., M. Izquierdo, M. de Vega, Análisis exergético de máquinas de absorción de BrLI condensadas por aire, Anales Ing. Mec., 4, 2531-2537 (2002).

F-Chart Softtware, EES. Engineering equation solver, F-Chart Software, Middleton (2000).

Herold, K.E., R. Radermacher y S.A. Klein, Absorption chillers and heat pumps. CRC Press LLC, Boca Ratón - USA (1996).

Izquierdo, M., P. Rodríguez, M. Vega, E. Martín, Viabilidad energética, económica y ambiental de los sistemas de climatización por absorción en España, El Instalador 356, 5-14 (1999).

Largo, J., Las pilas de combustible en instalaciones de micro-cogeneración aplicadas a climatización, Actas del II Congreso Español de Ciencias y Técnicas del Frío CYTEF 2003, 489-496, Vigo (2003).

Linares, J.I. y A. Granada, Herramienta de diseño y simulación de bomba de calor por compresión de vapor, Actas de las II Jornadas de Ingeniería Termodinámica, 145-152, Tarra- gona (2001).

Linares, J.I. y B.Y. Moratilla, Validación experimental de una herramienta de simulación de enfriadoras tipos split, Actas del II Congreso Español de Ciencias y Técnicas del Frío CYTEF 2003, 369-378, Vigo (2003).

Martín, J.V. y P. Gurrutxaga, Problemática y propuesta de actuación monitorizada en tratamiento antilegionella de torres de refrigeración y condensadores evaporativos, Actas del II Congreso Español de Ciencias y Técnicas del Frío CYTEF-2003, 152-161, Vigo (2003).

Martínez, P., Simulación en estado estacionario de sistemas de absorción mediante adaptación del programa TRNSYS. Aplicación con la mezcla H₂O-LiBr. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Valencia - España (2001).

Monasterio, R., P. Hernández J. y Saiz, La bomba de calor. Fundamentos, técnicas y aplicaciones. McGraw-Hill, Madrid - España (1993).

Ramos, J., Integración térmica de plantas de cogeneración y refrigeración en el sector residencial-comercial, Actas Electrónicas de las III Jornadas de Ingeniería Termodinámica, Valencia (2003).

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