Capítulo 4. Desarrollo metodológico
4.10. Simulación del modelo
Para realizar la validación de los parámetros de diseño estimados se emplea el programa Aspen Hysys V9, un software de simulación de procesos químicos el cual matemáticamente puede modelar desde operaciones unitarias hasta plantas químicas completas y refinerías.
La Figura 35 muestra el ciclo de refrigeración diseñado en Hysys según el diseño propuesto donde para cada componente real en el diseño corresponde un componente en la simulación, exceptuando el tanque de almacenamiento, el cual se divide entre las operaciones unitarias que se realizan en su interior siendo estas el proceso de generación de amoniaco, la extracción de calor a través de las paredes para la solución con concentración débil y el proceso de absorción.
Figura 35. Simulación del ciclo de refrigeración por absorción en Aspen Hysys V9 según diseño propuesto.
Fuente: Elaboración propia utilizando Aspen Hysys V9.
La Tabla 29 relaciona los componentes empleados en el diseño propuesto con los componentes utilizados en la simulación ilustrados en la Figura 35:
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
130
Tabla 29. Relación entre los componentes del diseño y los componentes empleados en la simulación.
Componente en el diseño componente en Nombre del la simulación
Tipo de componente en
la simulación Conducto de salida de refrigerante desde el tanque de
almacenamiento Vapor Amoniaco 1 Flujo de material Válvula de salida 1 Válvula 1 Válvula Conducto de flujo de refrigerante desde la válvula 1
hasta el condensador Vapor Amoniaco 2 Flujo de material Condensador Condensador Enfriador por aire Conducto de flujo de refrigerante desde el condensador
hasta la válvula de expansión Amoniaco Líquido a alta presión Flujo de material Válvula de expansión entre el condensador y el
evaporador Válvula de Expansión Válvula Conducto de flujo de refrigerante desde la válvula de
expansión hasta el evaporador Amoniaco líquido a baja presión Flujo de material
Evaporador Evaporador Calentador
Carga total de enfriamiento enfriamiento Carga de Flujo de energía Conducto de salida de amoniaco del evaporador Amoniaco Gas 1 Flujo de material
Válvula de salida 2 Válvula 2 Válvula Conducto de salida entre la válvula 2 y el tanque de
almacenamiento Amoniaco Gas 2 Flujo de material Absorción en el tanque de almacenamiento Absorbente Mezclador Generación de solución concentrada en el tanque de
almacenamiento concentrada Solución Flujo de material Generación de refrigerante amoniaco en el tanque de
almacenamiento Generador Tanque
Intercambio de calor entre el colector solar y el tanque
de almacenamiento Colector Solar Flujo de energía Generación de solución con baja concentración
Solución Concentración
Débil Alta Temperatura
Flujo de material Enfriamiento de solución con concentración débil en el
tanque de almacenamiento Enfriamiento por Paredes Enfriador por aire Generación de solución con baja concentración a baja
temperatura Solución Concentración Débil Baja Temperatura Flujo de material
En la simulación se define la utilización del par de trabajo Amoniaco – Agua (𝑁𝐻3− 𝐻2𝑂) de acuerdo con el diseño propuesto, siendo el agua el fluido absorbente y el amoniaco el refrigerante. La Tabla 30 muestra los parámetros de entrada en la simulación en donde se definen variables dependientes de factores externos al ciclo como lo es la temperatura ambiente (𝑇0), la temperatura
de almacenamiento (𝑇𝑎𝑙𝑚), la temperatura del proceso de absorción (𝑇1) (la cual se estableció según la temperatura ambiente tal como se describe en la sección 4.7, la carga total de refrigeración
(𝑄𝑇) la cual depende de los productos que se ingresen la cámara frigorífica, el calor de generación
(𝑄𝐺) el cual se obtiene del colector solar, y el volumen del tanque de almacenamiento (𝑉).
También se definen las variables termodinámicas en una de las líneas de flujo, en donde se escoge el flujo de solución concentrada, por lo cual se define como entrada su flujo másico y concentración molar (𝑀̇𝐶 𝑦 𝑋𝐶𝑀) así como la presión inicial en el proceso de absorción (𝑃3).
Tabla 30. Comparación entre parámetros en el modelo y parámetros de entrada dentro de la simulación.
Parámetro de entrada Valor en el modelo Valor en la simulación Ubicación del parámetro en la simulación Temperatura ambiente (𝑇0) 26,6 °C 26,6 °C Amoniaco Líquido a Alta Presión Temperatura de almacenamiento (𝑇𝑎𝑙𝑚) -20 °C -20 °C Amoniaco Líquido a Baja Presión Temperatura del proceso
de absorción (𝑇1) 24 °C 24 °C Solución Concentrada Carga total de refrigeración (𝑄𝑇) 558,55 kJ/h 558,55 kJ/h Carga de enfriamiento Calor de generación (𝑄𝐺) 767,29 kJ/h 218 kJ/h Colector Solar Volumen del tanque de
almacenamiento (𝑉) 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 Generador Flujo másico de la solución concentrada (𝑀̇𝐶) 1,57 kg/h 1,57 kg/h Solución Concentrada Concentración molar (amoniaco) en la solución concentrada (𝑋𝐶𝑀) 40 % 40 % Solución Concentrada Presión inicial en
absorción(𝑃3) 28,96 kPa 28,96 kPa
Solución Concentrada Fuente: Elaboración propia.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
132
Cabe destacar que, siendo la carga total de refrigeración (𝑄𝑇) un parámetro de entrada en la
simulación se asume también como entrada en el sistema cada uno de sus componentes de cálculo (𝑄̇𝑖, 𝑄𝑃̇ y 𝑄𝑓𝑠̇ ), lo cual incluye la carga de enfriamiento de 5 kg de 𝐻2𝑂, incluida en la carga del producto a enfriar (𝑄̇ )𝑖 . Otro de los parámetros implícitos en la simulación es la temperatura de
condensación del refrigerante 𝑇2 la cual según el diseño se estableció en 30 °C, tal que la temperatura fuera mayor a la temperatura ambiente para poder contar con un flujo de calor al exterior. Esto se observa en la línea de flujo de Amoniaco Líquido a Alta Presión, en la cual se define como parámetro de entrada con un valor de 26,6 °C, equivalente con la temperatura ambiente (𝑇0).
Se encontró que el parámetro de entrada para el calor de generación 𝑄𝐺 generaba una variación en
el flujo másico de refrigerante 𝑀̇𝑅 y su temperatura (proceso de generación) en relación con los
valores calculados, así como variaciones en los parámetros posteriores dentro del ciclo de la simulación. Para un valor 𝑄𝐺 equivalente al valor calculado en el modelo (767,29 kJ/h), el flujo
másico del refrigerante equivale a 0,6485 kg/h con una temperatura máxima de 105 °C. Este no sería un factor acorde con la realidad ya que un colector solar de placa plana usualmente no trabajan a temperaturas superiores a los 100 °C (Mendoza, 2017). Por tanto, se estableció 𝑄𝐺
como una variable de entrada (en lugar de un parámetro) ajustándolo en relación con el proceso de generación de amoniaco, de tal forma que se estableciera el punto en el cual el colector solar logra una temperatura y un flujo de refrigerante según los cálculos realizados, para una posterior revisión de la validación matemática en la simulación. Con un flujo de calor en el colector solar 𝑄𝐺 de 218 kJ/h se genera un flujo de refrigerante de 0,4203 kg/h a una temperatura máxima de 85,5 °C, los cuales son valores muy aproximados a los del diseño propuesto. La Figura 36 muestra los resultados de la simulación del ciclo de absorción:
Figura 36. Resultados de la simulación del ciclo de absorción diseñado a través Aspen Hysys V9. Fuente: Elaboración propia utilizando Aspen Hysys V9
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
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La Tabla 31 muestra las variables en el modelo diseñado en relación con los valores obtenidos dentro de la simulación, así como su ubicación dentro de los componentes utilizados:
Tabla 31. Comparación entre variables en el modelo y variables de salida en la simulación.
Variable de salida Valor en el modelo Valor en la simulación Ubicación de la variable en la simulación Temperatura máxima en el generador (𝑇3) (equivalente a la temperatura máxima en el colector) 80 °C 88,69 °C Generador Temperatura máxima en el
refrigerante 80 °C 85,50 °C Vapor Amoniaco 1 Flujo másico del refrigerante
(𝑀̇𝑅)
0,420 kg/h 0,4203 kg/h Vapor Amoniaco 1 Flujo másico de la solución con
concentración débil (𝑀̇𝐷)
1,15 kg/h 1,15 kg/h Solución Concentración Débil Alta Temperatura Flujo másico del refrigerante en
solución concentrada (𝑀̇ 𝐶𝑅) 0,607 kg/h 0,607 kg/h Solución Concentrada
Flujo másico del agua en solución concentrada (𝑀̇ 𝐶𝐴)
0,963 kg/h 0,963 kg/h Solución Concentrada Flujo másico del refrigerante en
solución de concentración débil
(𝑀̇ 𝐷𝑅)
0,186 kg/h 0,2336 kg/h Solución Concentración Débil Alta Temperatura Flujo másico del agua en solución
de concentración débil (𝑀̇ 𝐷𝐴) 0,963 kg/h 0,9161 kg/h
Solución Concentración Débil Alta Temperatura Concentración másica (amoniaco)
en la solución concentrada (𝑋𝐶𝑤)
38,64 % 38,66 % Solución Concentrada Concentración molar (amoniaco)
en la solución con concentración débil (𝑋𝐷𝑀)
17 % 21,25 % Solución Concentración Débil Alta Temperatura Concentración másica (amoniaco)
en la solución con concentración débil (𝑋𝐷𝑤)
16,21 % 20,32 % Solución Concentración Débil Alta Temperatura Fuente: Elaboración propia.
Teniendo presente que el calor de generación (𝑄𝐺) depende de las entalpías de los componentes
en la simulación representa mayor exactitud en la definición de esta magnitud en la medida en que mide la temperatura de trabajo en el proceso. El valor de 𝑄𝐺 a partir del modelo de ecuaciones se
calcula a partir de temperaturas máximas teóricas (Tabla 28. Entalpias asociadas a los diferentes estados del refrigerante y el agua en el sistema.), lo cual también es un escenario factible dentro del ciclo. Para considerar ambos escenarios, se estima que 𝑄𝐺 se aproxima al promedio entre el valor
calculado en el modelo de ecuaciones (213,1 W) y el resultado de la simulación (60,6 W), lo cual equivale a 492,65 kJ/h (136 W). Según los cálculos estimados para el área del colector solar en la ecuación [24] a partir de la relación entre 𝑄𝐺 y los valores calculados de 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 y 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙, el área
del colector equivaldría a 0,86 𝑚2 frente a un área de 1,31 𝑚2 calculada teniendo en consideración
únicamente los resultados teóricos del modelo de ecuaciones. Finalmente, el Coeficiente de Rendimiento Teórico (𝐶𝑂𝑃) que tiene en cuenta la relación entre 𝑄𝑖 y 𝑄𝐺 (ver ecuación [29])
equivaldría a 0,6116, donde el calor absorbido (𝑄𝑖) es equivalente al valor en el modelo de
ecuaciones, incluido en la simulación al estar contenido en el calor total de refrigeración (𝑄𝑇), el
cual es un parámetro de entrada. El resultado obtenido del 𝐶𝑂𝑃 se encuentra dentro del rango
general para dispositivos de absorción de una fase, el cual es de 0,6 a 0,8 (SET4food, 2014). La Tabla 32 resume las variables modificadas según la simulación en donde se observa que cada una de las variables se encuentra asociada al calor de generación (𝑄𝐺), teniendo una mayor concentración de
amoniaco en la solución de concentración débil según la simulación.
Tabla 32. Magnitudes finales en variables modificadas según la simulación en Aspen Hysys V9
Variable Magnitud en modelo de ecuaciones
Magnitud definitiva según simulación
Calor de generación (𝑄𝐺) 767,29 kJ/h = 213,14 W 492,65 kJ/h = 136 W
Flujo másico del refrigerante en solución de concentración débil
(𝑀̇ 𝐷𝑅)
0,186 kg/h 0,2336 kg/h Flujo másico del agua en solución
de concentración débil (𝑀̇ 𝐷𝐴)
0,963 kg/h 0,9161 kg/h Concentración molar (amoniaco)
en la solución con concentración débil (𝑋𝐷𝑀)
17 % 21,25 %
Concentración másica (amoniaco) en la solución con concentración
débil (𝑋𝐷𝑤)
16,21 % 20,32 %
Área del colector solar 1,31 𝑚2 0,86 𝑚2
Coeficiente de Rendimiento
Teórico (𝐶𝑂𝑃) 0,393 0,612
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
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Dentro de los parámetros no calculados en la sección 4.8 y obtenidos a partir de la simulación se encuentra la caída de presión en la válvula de expansión entre el condensador y el evaporador, el cual equivale a 235,9 kPa para una temperatura final del amoniaco de -20 °C. Este valor es útil como referencia para establecer la máxima caída de presión que debería soportar la válvula de expansión, ya que para casos con temperaturas más elevadas de refrigeración la presión debería ser menor.
Un resultado particular en la simulación es el aumento de la presión en el tanque de almacenamiento la cual según advierte el programa llegan a ser de 482,6 kPa lo cual no se contempló dentro de los cálculos de diseño. Este valor de referencia es útil en la definición del material y el tipo de tanque de almacenamiento, el cual debería soportar esta presión máxima más un factor de seguridad adecuado. Esto también indica la necesidad de inclusión de un manómetro de lectura en el tanque. Comparación de proyectos de refrigeración