Enfriadoras de agua de absorción de triple-efecto

Se han propuesto una gran variedad de configuraciones de ciclos de triple-efecto. Estos ciclos se han caracterizado frecuentemente en términos del número de componentes de intercambio de calor que contienen. Esta caracterización proporciona una medida de la complejidad del sistema. También es importante considerar el número de bombas, los niveles de temperatura y presión, y el rango de concentraciones en los cuales opera el ciclo (intervalo de solubilidad).

Los sistemas de refrigeración por absorción que contienen varios generadores fueron patentados por Mamiya (1973, 1974). En estas patentes, el ciclo utiliza H2O/LiBr como

fluido de trabajo y dispone de sistemas de multi-etapa generador-condensador y al menos una etapa del sistema evaporador-absorbedor. También posee de una bomba de solución para elevar la presión entre las etapas. Esta configuración obtiene un mayor efecto frigorífico en función de la cantidad de calor que se utiliza para el accionamiento del ciclo. Además, permite la operación con concentraciones de LiBr no tan elevadas, con lo cual se consigue reducir los problemas de cristalización del absorbente.

Oouchi et al. (1985) propusieron un ciclo de tres condensadores y tres generadores (figura 2.4), el cual es una extensión del ciclo convencional de doble-efecto que permite obtener valores de COP de 1.67. Este ciclo consta de 16 componentes: un evaporador EVP(1) y un absorbedor ABS(2), los cuales intercambian calor con corrientes externas; tres condensadores (CND6, CND7 y CND8), tres generadores (GEN3, GEN4 y GEN5), tres intercambiadores de calor de solución (HEX9, HEX10 y HEX11), tres válvulas de expansión (V12, V13 y V14) y tres mezcladores (MIX15, MIX16 y MIX17). La solución diluida a la salida del absorbedor ABS(2) se distribuye a cada uno de los tres generadores (GEN3, GEN4 y GEN5) en arreglo de flujo en paralelo. Con esta configuración, se reduce el efecto de corrosión en el generador de alta temperatura. El calor suministrado al generador de alta temperatura (GEN5) proviene de una fuente externa de energía, mientras que los otros dos generadores (GEN3 y GEN4) son accionados mediante la recuperación del calor de cada condensador de la etapa siguiente de mayor temperatura (CND7 y CND6, respectivamente). El acoplamiento entre cada par condensador-generador se consigue a través de la circulación de un fluido térmico

este acoplamiento puede lograrse físicamente, mediante la integración de dos componentes de manera que la condensación del refrigerante en el lado interno de la superficie de intercambio de calor proporcione calor a la solución desorbida en el otro lado de la superficie (Grossman et al., 1994).

Figura 2.4. Configuración de ciclo triple-efecto 3 condensadores-3 generadores con arreglo de flujo en paralelo (Oouchi et al., 1985; Grossman et al., 1994).

Grossman et al. (1994) simularon varias configuraciones de ciclos de triple-efecto en un amplio rango de las condiciones de operación, incluyendo el estudio del efecto de algunos de los parámetros de operación sobre las prestaciones de estos ciclos. El coeficiente de operación (COP) calculado es de 1.729 para la configuración del ciclo de tres condensadores y tres generadores con H2O/LiBr como fluido de trabajo y

disposición de flujo en paralelo. También realizaron la simulación de la configuración del ciclo de tres condensadores y tres generadores de disposición de flujo en serie (figura 2.5) obteniendo un COP de 1.272. La configuración en serie dispone de un mezclador menos que el arreglo en paralelo, manteniendo las mismas unidades de intercambio de calor, sin embargo, generalmente requiere de tres bombas de circulación de solución, mientras que la disposición en paralelo puede operar con solo una bomba.

Figura 2.5. Configuración de ciclo triple-efecto 3 condensadores-3 generadores con arreglo de flujo en serie (Grossman et al., 1994).

Gommed y Grossman (1990) y Grossman et al. (1994) mostraron para varias configuraciones del ciclo que la disposición de flujo en paralelo posee un desempeño superior en términos del aumento del COP y menor riesgo de cristalización, pero con una pequeña reducción de la capacidad. También, Kaita (2002) realizó simulaciones de ciclos de triple-efecto con H2O/LiBr como fluido de trabajo y diferentes disposiciones

de flujo: paralelo, serie y flujo inverso. Además del COP, identificó dos factores importantes en la evaluación de las prestaciones del ciclo: la presión y la temperatura máxima de operación de cada ciclo, los cuales determinan la necesidad de materiales de construcción resistentes a la corrosión. Como resultado obtuvo que el ciclo de triple- efecto con disposición del flujo en paralelo tiene un COP mayor que las otras configuraciones, mientras que la disposición del flujo inverso tiene los menores valores de presión y de temperatura máximas de operación del ciclo.

Otra configuración de ciclo de triple-efecto, propuesta por Miyoshi et al. (1985) y DeVault y Biermann (1993) se muestra en la figura 2.6, en la cual se utiliza H2O/LiBr

como fluido de trabajo. Esta configuración consta de dos condensadores acoplados y un circuito de solución en disposición de flujo en paralelo o en serie que circula a los tres generadores de alta, media y baja temperatura (GEN5, GEN4 y GEN3, respectivamente). En el ciclo se recupera el calor disipado en el condensador de alta temperatura (CND6) y se transfiere al generador de temperatura media (GEN3) mediante el circuito de corrientes 3-4, de la misma forma se recupera el calor del condensador CND7 como fuente de accionamiento para el generador de media temperatura GEN4, mediante el circuito de corriente 1-2-5. Esta configuración es similar a la mostrada en la figura 2.4, pero incluye un intercambiador de calor adicional. El COP obtenido para una temperatura máxima de accionamiento del generador de 228ºC y disposición de flujo en paralelo es de 1.680 mientras que para la disposición de flujo en serie es de 1.384 (DeVault y Biermann, 1993).

Figura 2.6. Configuración del ciclo de triple-efecto con dos condensadores acoplados en arreglo de flujo en paralelo (Grossman et al., 1994).

Una variación del ciclo anterior se muestra en la figura 2.7. Este ciclo se diferencia del anterior en que no posee el intercambiador de calor HEX(18). En su lugar, la recuperación de calor del condensado caliente se consigue enviando el condensado proveniente del CND(6) al condensador CND(7) y similarmente, el condensado

esta configuración posee mejor desempeño que las anteriores y con igual o incluso menor número de componentes de intercambio de calor.

Figura 2.7. Configuración del ciclo de triple-efecto con dos condensadores acoplados alternados en arreglo de flujo en paralelo (Grossman et al., 1994).

Una configuración diferente es el ciclo de triple-efecto de doble-circuito (dual-loop), mostrada en la figura 2.8. Este ciclo está formado por dos ciclos de simple-efecto, uno de ellos opera sobre un mayor rango de temperatura que el otro (DeVault, 1988). Este ciclo recupera calor del condensador y del absorbedor de uno de los circuitos para accionar el generador del otro, produciendo el efecto de enfriamiento en los evaporadores de ambos circuitos. Con esta configuración, los resultados obtenidos muestran un aumento en el aprovechamiento de la fuente de energía para la producción del efecto frigorífico en el evaporador, con un aumento entre 30 y 50% sobre la eficiencia de las máquinas de doble-efecto (DeVault, 1988). Además, esta configuración presenta ventajas sobre los ciclos mostrados previamente porque los dos ciclos separados permiten utilizar fluidos de trabajo diferentes, lo cual puede ser apropiado para el rango en que opera cada fluido. El circuito de baja temperatura puede utilizar un fluido de trabajo convencional como la mezcla H2O/LiBr, con algún aditivo para

mejorar la transferencia de calor y de masa y un inhibidor de corrosión. Otros fluidos de trabajos para este circuito pueden ser NH3/H2O, una mezcla ternaria de metanol con

bromuro de zinc, una mezcla ternaria de agua con cloruro de zinc y bromuro de litio, y otros fluidos de trabajo (DeVault, 1988). La desventaja de esta configuración es que requiere que el fluido de trabajo del circuito de mayor temperatura tenga un amplio rango de solubilidad, lo cual limita esta aplicación a la disponibilidad de un fluido de trabajo que opere bajo esas condiciones. Algunos fluidos de trabajo que se han propuesto para el circuito de mayor temperatura son: NH3/H2O, NH3 con LiBr y H2O, la

mezcla de NH3 y varias mezclas de sales tiocianato, hidróxido y agua, trifluroetanol

(TFE) y varios absorbentes, entre otros.

Varios autores propusieron otras configuraciones posibles de ciclos de triple-efecto (Alefeld, 1985; Perez-Blanco, 1993; Ziegler et al., 1993; Erickson et al., 1996). En estos estudios se realizaron consideraciones importantes de varios sistemas que incluyen no solo eficiencia energética del ciclo sino también su practicidad y su costo inicial.

Figura 2.8. Esquema de la configuración del ciclo de doble-circuito (dual- loop).

Alefeld (1982) propuso un método útil para evaluar y comparar diferentes ciclos de refrigeración por absorción de triple-efecto basado en un gráfico simplificado P-T-X del ciclo, el cual indica la localización de las unidades del intercambio de calor. DeVault y Marsala (1990) emplearon métodos similares para realizar comparaciones iniciales de varias configuraciones del ciclo de triple-efecto. Sin embargo, una variación en las conexiones entre los componentes de intercambio de calor (conexiones en flujo paralelo o en serie) no se incluye en un gráfico simplificado P-T-X, pero puede representar una diferencia significativa de su desempeño (Erickson et al., 1996).

En 1994, la empresa York y el laboratorio nacional Oak Ridge (ORNL) de EEUU financiaron el desarrollo de una enfriadora de agua de absorción de triple-efecto. Después de una revisión de diferentes configuraciones de enfriadoras de agua de absorción de ciclo triple-efecto con H2O/LiBr como fluido de trabajo, eligieron la

configuración del ciclo de doble condensador acoplado, patentado por DeVault y Biermann (1993). Posteriormente, York anunció la finalización de las pruebas con la enfriadora de agua de 1408 kW construida (figura 2.9), accionada con gas, obteniendo un COP de 1.35 (Mori et al., 2005).

Figura 2.9. Prototipo experimental de la enfriadora de agua de triple-efecto de la compañía York, basado en la configuración de doble condensador acoplado (ORNL, 2012).

En el año 2000, la compañía Trane notificó la existencia del prototipo experimental de una enfriadora de agua de triple-efecto (figura 2.10) basada en la configuración del ciclo de doble-circuito (dual-loop). La enfriadora de agua de absorción permite obtener un COP de 1.6, que representa una mejora 30% en el desempeño de las tecnologías de doble-efecto equivalentes. La enfriadora de agua de triple-efecto desarrollada por Trane opera a temperatura de solución en el generador de 232ºC (Deng et al., 2011).

Figura 2.10. Prototipo de la compañía Trane de una enfriadora de agua absorción de triple-efecto con la configuración de doble circuito (ORNL, 2012).

A partir del 2001, la asociación de gas de Japón de manera conjunta con Kawasaki Thermal Engineering (KTE) y otros fabricantes iniciaron el proyecto de desarrollo de un nuevo prototipo de refrigeración por absorción de triple-efecto. Los principales desafíos del proyecto se basan en el desarrollo de inhibidores de corrosión, componentes más compactos y de mayor eficiencia y la optimización del sistema de control (Makita, 2006). En 2004, el prototipo de esta enfriadora de triple-efecto de 527 kW de potencia frigorífica consiguió un COP de 1.49.

Basándose en los resultados de este proyecto, en el año 2005, KTE inició la comercialización de la primera enfriadora/calentadora de absorción de triple-efecto en el mercado, mostrada en la figura 2.11. Esta máquina emplea H2O/LiBr como fluido de

trabajo y obtiene valores de COP entre 1.6 y 1.7 en condiciones de carga parcial. Además, un total de cuatro modelos de enfriadoras/calentadoras fueron desarrollados, entre los cuales se incluyen dos modelos de llama directa con capacidad de enfriamiento de 651 kW y 1196 kW, y dos modelos accionados por agua caliente residual de 580 kW y 1090 kW. Para la KTE, el desarrollo de una tecnología para inhibir la corrosión que produce el absorbente a alta temperatura fue uno de los principales desafíos. A pesar de adición de inhibidores, se observaron pequeños indicios de corrosión luego de varias pruebas (Makita, 2006).

A partir del año 2011, un nuevo proyecto está en desarrollo por la compañía Thermax de la India basado en un sistema de refrigeración solar compuesto por una enfriadora de absorción de triple-efecto que trabaja con la mezcla H2O/LiBr y un sistema de

captadores cilíndrico-parabólicos, también desarrollados por Thermax específicamente para esta aplicación. Los colectores solares permiten aprovechar la energía solar de una manera eficaz para proporcionar temperaturas de 140°C a 210°C y están integrados efectivamente a una enfriadora de agua de triple-efecto. La enfriadora de agua tiene una capacidad frigorífica nominal de 100 kW, la temperatura de accionamiento es de 210°C

y el COP de 1.7. Thermax tiene previsto iniciar la fabricación y comercialización de estas máquinas, con un rango de potencias desde 100 a 3000 kW (Thermax, 2012; Montero, 2012).

Figura 2.11. Vista exterior de una enfriadora de agua de absorción comercial de triple-efecto (Makita, 2006).