Refrigeración en ciclo de ABsorción

Los ciclos de absorción se basan en la capacidad que tienen algunas sustancias para absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias. Son, por tanto, sistemas de dos componentes, donde una de las sustancias es disuelta en la otra y el enfriamiento se produce extrayendo una de las dos sustancias de la solución por medio de la aplicación de calor y luego reabsorbiéndola hacia la solución.

El ciclo termodinámico de absorción, es similar al de las máquinas de compresión (ciclo inverso de Rankine), con la diferencia de sustituir el compresor eléctrico por un compresor térmico. Así pues, los sistemas de refrigeración por absorción presentan la ventaja, respecto a los de convencionales de compresión, de requerir una demanda eléctrica muy baja, sustituyendo ésta por un alto consumo térmico. La máquina de absorción está formada principalmente por intercambiadores de calor, el único componente con partes móviles son las bombas de la solución. Por ello, correctamente operadas, tienen un mantenimiento reducido y una alta fiabilidad.

El proceso de absorción se lleva a cabo en el absorbedor, en el que entra el elemento refrigerante procedente del evaporador y la solución de transporte concentrada procedente del generador, necesitando enfriar para mejorar el proceso. La solución diluida se bombea hasta el generador, donde se aporta calor para volver a separar el refrigerante de la solución. A continuación, el refrigerante se dirige al condensador para continuar el ciclo de Rankine convencional.

La solución de transporte, antes de ir concentrada al absorbedor, se hace pasar por un regenerador, al que aporta calor que se aprovecha para calentar la solución diluida procedente de la bomba y con destino al generador, con el consiguiente aprovechamiento energético y mejora del COP.

El trabajo mecánico consumido por el ciclo se limita al accionamiento eléctrico de la bomba, que es exiguo en comparación con el consumido por un compresor en el ciclo convencional. La principal energía consumida es el calor que se debe aportar en el generador para separar al refrigerante de la solución.

Los dos pares de refrigerantes más usados son la combinación de agua-bromuro de litio (BrLi), para obtener refrigeración a temperatura de hasta +6ºC, y el amoniaco-agua que es capaz de obtener temperaturas negativas por debajo del punto de congelación del agua, hasta de -60ºC. El fluido citado en primer lugar representa el refrigerante, mientras que el otro hace de absorbente.

Absorción con par agua/sales bromuro de litio (BrLi)

En este caso el refrigerante es el agua y la solución absorbente la sal de bromuro de litio (Br-Li). La ilustración muestra el principio de funcionamiento de un ciclo de absorción de simple efecto.

El agua no puede condensar o evaporar por debajo de 0,01°C, por lo que no puede ser empleada en equipos de producción de frío de temperatura negativa. Utilizando agua como refrigerante, se trabaja a presiones inferiores a la atmosférica (vacío) para las temperaturas habituales de climatización, lo cual obliga a diseños de máquinas muy compactas para minimizar las pérdidas de carga en tuberías.

Bajo ciertas condiciones de operación, se puede producir la cristalización del Bromuro de Litio. Este fenómeno provoca la parada del equipo hasta su posterior fusión. Para evitarlo se debe prestar especial atención a las variables críticas. Este tema, que era muy importante en las máquinas antiguas, está actualmente superado mediante dispositivos de control adecuados.

Según la temperatura del foco caliente las clasificamos en dos tipos:

- Absorción simple efecto: La fuente térmica es agua caliente a una temperatura entre 80 y 95ºC, obteniéndose un COP del orden del 0,7.
- Absorción doble efecto: La fuente térmica puede ser vapor de agua, gases de escape de motores o turbinas o, incluso, fuego directo, obteniéndose un COP hasta de 1,4.

Es importante destacar que los modelos actuales más perfeccionados permiten obtener con la máquina agua caliente para ACS o calefacción en las temporadas de invierno (funcionamiento en modo “bomba de calor”), mejorando notablemente la rentabilidad de las inversiones en los equipos.

Absorción con par amoniaco/agua

Desde hace décadas, las plantas de absorción con el par amoniaco/agua se vienen utilizando con éxito para la refrigeración a bajas temperaturas.

Para conseguir temperaturas de hasta –60°C, una planta de compresión suele ser de múltiple etapa mientras que en una de absorción es suficiente con una sola. Por ello cuanto más baja sea la temperatura de evaporación el proceso de absorción tiene mayores ventajas en comparación con las plantas por compresión.

Las propiedades termodinámicas del amoniaco como refrigerante son magnificas y se puede emplear para producción de frío a baja temperatura, posibilitando el uso del equipo como bomba de calor en inviernos fríos.

El amoniaco no afecta a la capa de ozono, pero es tóxico e inflamable por lo que pérdidas de este compuesto en el sistema pueden afectar mediante el contacto directo o por la contaminación de los alimentos presentes en la cámara frigorífica. Es por ello que esta tecnología requiere de un control estricto en su explotación, y una alta calificación del personal técnico encargado de su funcionamiento.

En el caso del amoniaco/agua, el COP no supera el 0,5. Este valor y los inconvenientes mencionados hacen que se utilice el par amoniaco/agua para instalaciones que requieran baja temperatura (industria alimentaria), mientras que el agua/bromuro de litio es el par empleado para climatización.

El origen de la energía térmica para el accionamiento de la máquina de absorción puede ser muy diverso. Caben las siguientes posibilidades:

- De la combustión directa de cualquier combustible en la misma máquina la misma máquina (típicamente gas natural).
- De la refrigeración del bloque de motor (circuito de baja temperatura) en simple efecto BrLi.
- Calor residual en procesos industriales.
- Calor de los gases de escape en plantas de cogeneración en motores o turbinas:

* Conexión mediante fluido intermedio, los gases de escape pasan por una caldera donde se produce vapor o agua caliente que, a su vez, se usa para la propulsión de la máquina de absorción. La ventaja de este sistema es que el vapor o agua caliente puede usarse simultáneamente para otras aplicaciones. Por ejemplo en empresas con grandes fluctuaciones en el consumo de vapor,esta máquina, puede consumir los excedentes de vapor. De esta forma la planta de cogeneración puede operarse a régimen constante aunque haya fluctuaciones en el consumo de vapor.

* Conexión directa, los gases de escape pueden usarse directamente para propulsar la máquina de absorción. Esta posibilidad es interesante cuando toda la energía térmica de la cogeneración está destinada a la producción de frío, por la reducción de costes de inversión y de mantenimiento al evitar tener un circuito de vapor adicional.

Las primeras aplicaciones industriales de los principios termodinámicos de la absorción de un vapor por un líquido, con el fin de conseguir la refrigeración de otro líquido, datan de los primeros años 30, del pasado siglo. La comercialización a mayor escala de plantas frigoríficas de absorción con ciclo amoniaco-agua comienzan en los 40 y la puesta en el mercado de las primeras plantas con ciclo agua-bromuro de litio tiene lugar a principio de los 50.

* Algunas reflexiones sobre el rendimiento de las máquinas de ABsorción

El 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

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.

Como ejemplo en una instalación de aire acondicionado comparemos el coste de producir 1.000 KWf a) Mediante máquina por compresión con un COP de 4,5 de alimentación eléctrica (0,11 E/kwh) b) Mediante máquina de absorción de doble etapa con un COP. de 1,4 alimentado con astilla de madera 25 % humedad con PCI 4,2 KW/Kg y un coste de 65 E/t. Haciendo operaciones:

El resultado muestra que:

- Con potencias medias-elevadas, el ahorro en generación, puede compensar sobradamente el mayor coste de inversión de las instalaciones de absorción.
- El ahorro aún será mayor si existe 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.

Por último, recordar aquí como ventaja adicional de la ABsorción que esta utiliza en el ciclo compuestos de muy bajo impacto ambiental, mientras que 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.