Mezclas de trabajo para sistemas de refrigeración y calentamiento por absorción

Máquinas Térmicas[pic 1][pic 2]

Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Primer Semestre.

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UNIVERIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MORELOS

INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIAS BÁSICAS Y APLICADAS

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

Materia

Máquinas Térmicas

Tema

“Mezclas de trabajo para sistemas de refrigeración y calentamiento por absorción”

ALUMNO

I.I. MAYRA HARUMI BELLO GUADARRAMA

Catedrático: Dr. Armando Huicochea R.

Cuernavaca, Morelos a 09 de diciembre 2021

Mezclas de trabajo

El rendimiento de un sistema de absorción depende críticamente de las propiedades químicas y termodinámicas de la mezcla de trabajo [1]. La mezcla de trabajo está constituida por un refrigerante y un absorbente. Un requisito fundamental de este par de trabajo es que debe ser químicamente estable, no tóxica y no explosiva. Aunado a esto, la mezcla de trabajo debe cumplir con los siguientes requisitos:

• La elevación del punto de ebullición (la diferencia entre el punto de ebullición del refrigerante puro y la mezcla a la misma presión debe ser la más alta posible).
• El refrigerante debe contar con un calor de vaporización alto y una concentración alta dentro del absorbente, para mantener una velocidad de circulación baja entre el generador y el absorbedor por unidad de capacidad de enfriamiento.
• Tanto el refrigerante como el absorbente deben ser no corrosivos, respetuosos con el medio ambiente y de bajo costo.

• Ser favorable termodinámica y físicamente. Las propiedades termodinámicas y de transporte que influyen en la transferencia de calor y de masa, por ejemplo, la viscosidad, la conductividad térmica y el coeficiente de difusión deben ser favorables y adecuados para la operación en un ciclo de absorción. En este último requisito, las siguientes condiciones son necesarias:

•  La elevación del punto de ebullición (diferencia en el punto de ebullición entre el refrigerante puro y la solución de refrigerante/absorbente a la misma presión) debe ser tan grande como sea posible.
• El calor latente de vaporización del refrigerante debe ser tan grande como sea posible para que una mayor cantidad de calor sea transferido con la menor carga de refrigerante.
• La combinación absorbente/refrigerante en fase líquida debe obtener una amplia miscibilidad dentro del rango de temperaturas de funcionamiento del ciclo.

A partir de la revisión de estos criterios se puede reconocer fácilmente que no existe un fluido de trabajo “ideal” disponible para todas las aplicaciones de los sistemas de absorción. Por lo cual, la selección de un fluido de trabajo para una aplicación particular es un compromiso entre varios factores.

Existen varias combinaciones potenciales de fluidos de trabajo que satisfacen los requerimientos para ser utilizados en ciclos de refrigeración por absorción.

MEZCLAS DE TRABAJO QUE UTILIZAN NH3  COMO REFRIGERANTE

NH3-H2O (Amoniaco- Agua)

Desde la invención de los sistemas de refrigeración por absorción, la mezcla NH3-H2O ha sido ampliamente utilizada. Tanto el amoniaco como el agua son estables en un amplio rango de operación de temperatura y presión. NH3 es considerado un refrigerante viable debido a su alto calor latente de vaporización y su punto de congelación de -77°C [2]. Sin embargo; la combinación del amoniaco con el aire es inflamable en una concentración del 25%, la toxicidad que presenta, el ataque por corrosión y la necesidad de un sistema adicional denominado rectificador [3], incrementa el costo del sistema de absorción.

Se agregó NaOH al H2O + NH3 para mejorar la separación de NH3 en el generador y reducir tanto la temperatura de conducción del enfriador como las pérdidas de rectificación, y la simulación del ciclo basada en sus datos experimentales mostró que el COP era aproximadamente un 20% más alto que el NH3 + H2O bajo mismas condiciones y usando una eficiencia de separación de hidroxilo del 99% para NaOH.

MEZCLAS DE TRABAJO QUE UTILIZAN H2O COMO REFRIGERANTE

LiBr- H2O (Bromuro de Litio – Agua)

La mezcla H2O-LiBr posee una diferencia considerable entre los puntos de ebullición del agua y el bromuro de litio.  Una de las principales ventajas de esta mezcla es que no requiere equipos de rectificación, ya que el refrigerante no es volátil. Cuando el agua es utilizada como fluido refrigerante, la temperatura del evaporador no debe estar por debajo de los 5°C, los sistemas son operados con bajas presiones y presentan riesgo de cristalización sobre el 70% de concentración en peso de bromuro de litio [4], otra desventaja de esta mezcla es que tiene altos problemas de corrosión.

Carrol- Agua (Bromuro de litio, etilenglicol, relación 4.5)

Es una mezcla que puede solucionar parte de las desventajas que presenta la mezcla LiBr - Agua. Esta mezcla fue desarrollada por Carrier Co., para sistemas de refrigeración solar. Esta mezcla fue probada anteriormente por Carrier Co. en sistemas de absorción para acondicionamiento de aire. Esta mezcla es una sustancia formada por los compuestos químicos: LiBr y un compuesto orgánico (etilenglicol) como aditivo, en relación 4.5/1 en peso y como aditivos para promover la transferencia de calor, nonilamina o fenilmetilcarbinol. La ventaja de Carrol™ sobre la mezcla LiBr – agua es que el etilenglicol inhibe la cristalización, por lo cual puede ser utilizada a concentraciones y temperaturas mayores. Carrol™ ha demostrado tener un mejor desempeño en comparación con los sistemas que operan con la mezcla LiBr – agua. Carrol™ presenta algunas desventajas, como una mayor viscosidad con respecto a la mezcla tradicional LiBr – agua. [5]

CaCl2 - H2O (Cloruro de Calcio – Agua)

El cloruro de calcio está disponible en México y no es caro. Es seguro y no tóxico. También se ha utilizado como mezcla de trabajo en transformadores de calor de absorción simple obteniendo parámetros de diseño teórico para el Sistema de agua-cloruro de calcio en un solo transformador de calor de absorción.  

H2O + CHO2Na + LiBr (relación de 2: 1)

Se recomendó como una alternativa a H2O + LiBr al comparar las características de transferencia de masa de la absorción de vapor de H2O en LiBr y sales orgánicas de sodio y potasio (formiato, acetato y lactato) [6].

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