Modelo matemático de los sistemas de refrigeración por absorción amoniáco/agua y agua/bromuro de litio

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales CEETA. Trabajo de Diploma ‘’MODELO MATEMÁTICO DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN AMONÍACO/AGUA Y AGUA/BROMURO DE LITIO’’. Autor: Willian Fleites Bosch Tutor: Dr. Pablo Roque Díaz Consultante: Ing. Félix González González. Santa Clara, junio del 2017.

(2) Pensamiento Es en la crisis cuando nace esta inventiva, los descubrimientos y las grandes estrategias. Quien supera la crisis se supera a sí mismo sin quedar ‘superado’. Albert Einstein.

(3) Dedicatoria A mis padres (Linsay y William) los cuales siempre han depositado su confianza en mí y me han alentado a seguir adelante sin importar los percances que te impone la vida. A mis abuelas y mis tíos que sin su ayuda nada de esto habría sido posible. A mi familia en general. Muchas gracias por todo..

(4) Agradecimientos A la UCVL (Facultad Ing. Mecánica) por permitirme terminar los estudios y poder convertirme en una mejor persona. A mis padres (Linsay y William), por sus consejos y apoyo incondicional en los momentos más difíciles. A mis abuelas y mis tíos por su ayuda brindada cuando más lo necesité. A mi familia en general. A mis tutores, el Dr. Pablo Roque Díaz y Félix Gonzáles Gonzáles por la confianza depositada en mí, sus consejos y servirme de guías en esta etapa tan difícil. A todos mis amigos más cercanos en especial Andy, Nestor y Milagros por las cosas q hicieron por mí en todo este tiempo. Sé, que me quedan muchas personas por mencionar, pero en fin, a todas las personas que de una forma u otra me han ayudado a atravesar esta gran aventura que es la vida, GRACIAS..

(5) Resumen El presente trabajo muestra un modelo matemático mediante ecuaciones de balances energéticos y exegéticos para los sistemas de refrigeración por absorción. Se demuestra la validez de los modelos con un estudio de caso en una unidad frigorífica con el uso de un sistema de refrigeración por absorción de simple efecto con fluido de trabajo amoníaco/agua. En la central eléctrica de grupos electrógenos Villa Clara Industrial se comprobaron los modelos mediante la sustitución de equipos de climatización por compresión, por un sistema de absorción de simple efecto con fluidos de trabajo agua/bromuro de litio. A través del estudio de factibilidad económica y ambiental se determina el ahorro operativo anual, y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.. Abstract The main purpose of this work is to determine a mathematical model by means of equations of energy and exergy an absorption refrigeration systems. The validity of the models is demonstrated with a case study in a refrigerating unit with the use an absorption refrigeration system using ammonia/water simple effect as the working fluids In the electric power station Villa Clara Industrial the models were proven by means of the substitution of air conditioning teams for compression, for a absorption system using lithium bromide/water simple effect as the working fluids. Through the study of economic and environmental feasibility the annual operative saving, and the reduction of the emissions of gases of effect hothouse is determined..

(6) Nomenclatura. 𝑚̇ : Flujo de masa, kg 𝑥 : Concentración ℎ: Entalpia, kJ/kg 𝑣: Volumen, m3 𝑄: Flujo de calor, kW W : Flujo de trabajo, kW. 𝑃𝑜𝑡: Potencia, kW 𝐶𝑂𝑃 : Coeficiente de operación. 𝐺𝑒𝑛: Generador 𝑅𝑒𝑐𝑡: Rectificador 𝐶𝑜𝑛𝑑: Condensador 𝐴𝑏𝑠: Absorbedor 𝐸𝑐𝑜𝑛: Economizador 𝐸𝑣𝑎𝑝: Evaporador 𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎: Bomba de disolución 𝑉𝑎𝑙𝑣1: Válvula de expansión 𝑉𝑎𝑙𝑣2: Válvula de estrangulamiento 𝑒𝐻02 𝑂 : Exergía química estándar del agua, kJ/kmol 0 𝑒𝑁𝐻 : Exergía química estándar del amoníaco, kJ/kmol 3 0 𝑒𝐿𝑖 : Exergía química estándar del litio, kJ/kmol.

(7) 0 𝑒𝐵𝑟2 : Exergía química estándar del dibromuro, kJ/kmol 0 𝑒𝐿𝑖𝐵𝑟 : Exergía química estándar del bromuro de litio, kJ/kmol. 𝑉 : Velocidad m/s 𝑔: Aceleración de la gravedad, m/s2 𝑧: Altura, m 𝑀𝑆𝑜𝑙 : Peso molecular de la solución, kg/mol 𝑀𝐿𝑖𝐵𝑟 : Peso molecular del bromuro de litio, kg/mol 𝑀𝐻2 𝑂 : Peso molecular del agua, kg/mol 𝑀𝑁𝐻3 : Peso molecular del amoníaco, kg/mol 𝑅̅: Constante universal de los gases ideales 𝑎: Actividad 𝑎𝐻2 𝑂 : Actividad del agua 𝑎𝐿𝑖𝐵𝑟 : Actividad del bromuro de litio 𝑎𝑁𝐻3 : Actividad del amoníaco 𝑎𝑏𝑠 : Absoluto. Subíndices. 𝐸𝑛𝑡: Flujo de entrada 𝑆𝑎𝑙: Flujo de salida 𝑀𝑎𝑥: Máximo 𝑀𝑖𝑛: Mínimo.

(8) 𝐸𝑛𝑓𝑟. : Circuito de enfriamiento por agua. 𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 : Fuente de calor 𝐹 : Física 𝑄: Química 𝑃: Potencial 𝐶 : Cinética. 𝐴𝑙𝑟: Alrededores 𝑑𝑒𝑠𝑡 : Destrucción 𝐸𝑥: Flujo de exergía 𝛥𝐸𝑥𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 : Variación de exergia del sistema. Griegas. 𝜂: Rendimiento de la conversión de energía eléctrica a energía mecánica ℇ: Eficiencia Ƴ: Radio de destrucción de exergía 𝜂𝐸𝑥 : Eficiencia exergética.

(9) Índice. pág.. Introducción ....................................................................................................................... 1 Capítulo 1. Fundamentos de la refrigeración por absorción para los sistemas amoníaco/agua y agua/bromuro de litio ............................................................................. 4 1.1. Evolución histórica .................................................................................................. 4 1.2. Aspectos teóricos de los sistemas de refrigeración por absorción ........................... 5 1.3. Principio de funcionamiento..................................................................................... 7 1.4. Descripción del ciclo de refrigeración por absorción amoníaco/agua de simple efecto ............................................................................................................................. 8 1.5. Descripción del ciclo de refrigeración por absorción agua/bromuro de litio de simple efecto ............................................................................................................................. 8 1.6. Sistemas de refrigeración por absorción de doble efecto agua/bromuro de litio ...... 9 1.6.1. Descripción del ciclo de refrigeración por absorción de doble efecto H2O/LiBr con configuración en paralelo ................................................................................... 10 1.6.2. Descripción del ciclo de refrigeración por absorción de doble efecto H2O/LiBr con configuración en serie ........................................................................................ 12 1.7. Cálculos de exergéticos ........................................................................................ 15 1.7.1. Exergía ........................................................................................................... 15 1.7.2. Estado muerto ................................................................................................ 15 1.7.3. Exergías asociadas ......................................................................................... 15 1.7.4. Transferencia de exergía por calor, trabajo y masa ........................................ 16 1.7.5. Cálculos de exergía de la soluciones H2O/LiBr y NH3/H2O .............................. 18 1.7.5.1. Exergía física ............................................................................................... 19 1.7.5.2. Exergía química ........................................................................................... 19 1.7.5.3. Exergía química estándar ............................................................................ 20 1.7.7. Balance general de exergía ............................................................................ 21 1.7.8. Eficiencia exergética ....................................................................................... 21.

(10) Capítulo 2. Modelo matemático ....................................................................................... 23 2.1. Ciclo de refrigeración por absorción de vapor de una etapa amoníaco/agua......... 23 2.2. Balances de masa, concentración, energía y exergía del sistema de refrigeración por absorción amoníaco/gua ........................................................................................ 25 2.2.1. Condensador .................................................................................................. 25 2.2.2. Evaporador ..................................................................................................... 26 2.2.3. Válvula de estrangulamiento ........................................................................... 27 2.2.4. Válvula de expansión ...................................................................................... 27 2.2.5. Absorbedor ..................................................................................................... 28 2.2.6. Economizador ................................................................................................. 29 2.2.7. Bomba ............................................................................................................ 30 2.2.8. Generador....................................................................................................... 31 2.2.9. Rectificador ..................................................................................................... 32 2.2.10. Sistema general ............................................................................................ 33 2.3. Ciclo de refrigeración por absorción de vapor de simple efecto agua/bromuro de litio ..................................................................................................................................... 34 2.3.1. Balances de masa, concentración, energía y exergía del sistema de refrigeración por absorción agua/bromuro de litio ............................................................................. 36 2.3.1.1. Generador.................................................................................................... 36 2.3.1.2. Sistema general ........................................................................................... 37 2.4. Modelo matemático del sistema de refrigeración por absorción de doble efecto agua/bromuro de litio con configuración en paralelo..................................................... 37 2.4.1. Economizador de baja presión ........................................................................ 37 2.3.2. Generador de baja presión-condensador de alta presión ................................ 38 2.3.3. Bomba de alta presión .................................................................................... 39 2.3.4. Economizador de alta presión ......................................................................... 39 2.3.5. Generador de alta presión .............................................................................. 39.

(11) 2.3.6. Válvula de refrigerante de alta presión ............................................................ 40 2.3.7. Condensador de baja presión ......................................................................... 40 2.3.8. Válvula de solución de alta ............................................................................. 40 Capítulo 3. Simulación de los sistemas de refrigeración por absorción agua/bromuro de litio y amoníaco/agua de simple efecto ............................................................................ 42 3.1. Estudio de caso 1 .................................................................................................. 51 3.1.1. Factibilidad económica.................................................................................... 54 3.1.2. Factibilidad ambiental ..................................................................................... 55 3.2. Estudio de caso 2 .................................................................................................. 56 3.2.1. Factibilidad económica ....................................................................................... 58 3.2.2. Factibilidad ambiental ..................................................................................... 59 Conclusiones ................................................................................................................... 60 Recomendaciones ........................................................................................................... 61 Bibliografía ....................................................................................................................... 62 Anexos ............................................................................................................................ 66.

(12) Introducción El desarrollo económico actual se encuentra basado en el uso de recursos energéticos de origen fósil, provocando un gran impacto medioambiental y desequilibrios socioeconómicos. Estos dos efectos obligan a definir un nuevo modelo de desarrollo sostenible (FERNÁNDEZ, 2015). El desarrollo sostenible es aquél que garantiza que se cumplan de manera simultánea el crecimiento económico, el progreso social y el uso racional de los recursos. Mientras aumenta el desarrollo tecnológico y las crecientes necesidades de la población mundial, aumenta la necesidad de aplicaciones de refrigeración y climatización ya sea para lograr temperaturas de confort en locales o para producir, almacenar y distribuir alimentos (Fernández Seara, 2012). Es por ello que se han llevado a cabo diferentes investigaciones para el desarrollo de otros sistemas de refrigeración con el objetivo de prescindir del consumo de energía eléctrica o reducirla, ya que la producción de esta depende casi completamente de combustibles fósiles. Uno de esos sistemas en desarrollo es el sistema de refrigeración por absorción (MAURICIO ERNESTO CAÑADAS NAVARRO, 2010). Estas máquinas se activan térmicamente, y por esta razón, la alta entrada de energía eléctrica no es necesaria. Donde la electricidad es cara o no disponible, las máquinas de absorción proporcionan un efecto de enfriamiento mediante el calor geotérmico, solar, o rechazado de un proceso industrial (Sierra, 2007). La economía cubana tiene una fuerte dependencia del petróleo y al ser insuficiente la producción nacional, depende de importaciones para garantizar su desarrollo económico y social. Dentro de los Programas de la Revolución Energética en Cuba se han trazado varios objetivos estratégicos de la nación para cambiar su matriz energética. Aumentar la utilización de las fuentes renovables de energía, no incrementar la dependencia de importaciones de combustibles para la generación eléctrica, 1.

(13) reducir los costos de la energía entregada por el sistema energético nacional y reducir la contaminación medioambiental, (gramos de CO2 por kWh servidos) son algunos de los objetivos en desarrollo para afrontar problemas fundamentales de la energía en Cuba. Dentro de los sistemas altamente consumidores de energía eléctrica se encuentran los sistemas de refrigeración y climatización. En un gran número de empresas estos sistemas consumen un 40-70 % del consumo total de energía eléctrica (Sierra, 2007). En cuanto a la electricidad, (Anexo D) se observa que la generación por plantas termoeléctricas presenta un gran porcentaje a nivel nacional, a pesar de que en la última década se ha incrementado la generación por otras tecnologías como las de turbinas de gas, grupos electrógenos e inclusive por fuentes renovables de energía (Dra. Tanya Moreno Coronado, 2013). Aproximadamente el 80% del consumo energético proviene de combustibles fósiles (Anexo E). Muchos de estos procesos industriales utilizan gran cantidad de energía térmica proveniente de la quema de combustibles para producir vapor o calor para diferentes propósitos. Luego de estos procesos, el calor es rechazado hacia los alrededores como desecho. Este calor de desecho puede ser convertido en refrigeración útil mediante el uso de un sistema de refrigeración operado por calor, tal como un ciclo de refrigeración por absorción. Sustituyendo los sistemas de compresión por sistemas de refrigeración por absorción, que utilizan energías residuales de procesos industriales, provocaría una disminución considerable de energía eléctrica en el país y aumentaría la eficiencia energética de muchos procesos industriales. Mediante el uso de este tipo de tecnología se minimizaran los costos de producción energética y el impacto ambiental.. 2.

(14) Problema científico Los sistemas de refrigeración por absorción son una alternativa eficiente para el aprovechamiento de las energías residuales, por lo que es necesario la confección de modelos matemáticos para determinar el comportamiento de los principales parámetros del sistema. Objetivo general Obtener modelos matemáticos para los sistemas de refrigeración por absorción amoníaco/agua de simple efecto y agua/bromuro de litio de simple y doble efecto, mediante balances energéticos y exegéticos de cada uno de los componentes de los sistemas. Objetivos específicos 1. Desarrollar un modelo matemático mediante ecuaciones de balances de masa, concentración, energía y exergía para en sistema de refrigeración por absorción amoníaco/agua simple efecto y agua/bromuro de litio de simple y doble efecto. 2. Modelar los sistemas de refrigeración por absorción amoníaco/agua y agua/bromuro de litio de simple efecto utilizando un software especializado (EES). 3. Realizar un estudio de factibilidad para los sistemas de refrigeración por absorción. Hipótesis A partir de la obtención de modelos matemáticos de los sistemas de refrigeración por absorción se puede definir como es el comportamiento de los flujos energéticos y exegéticos en cada componente del sistema, para poder evaluar alternativas para la implementación de un sistema de cogeneración.. 3.

(15) Capítulo 1. Fundamentos de la refrigeración por absorción para los sistemas amoníaco/agua y agua/bromuro de litio 1.1. Evolución histórica Fue el inglés Joseph Priestly quien en 1774 aísla los gases de amoníaco, oxígeno y dióxido de carbono. Podemos considerar este hecho el comienzo del desarrollo científico en el campo de la refrigeración por absorción. Bien es cierto, que su aplicación para la producción de frío no sería estudiada hasta Faraday. Este utilizó un tubo en forma de U, en un extremo del cual se aplicaba calor para aumentar la presión, mientras que en el otro se enfriaba. Demostró que se producía frío al evaporar amoníaco en un extremo del tubo y absorberse en cloruro de plata en el otro extremo. En los años posteriores aparecerían varios estudios relacionados con el principio de refrigeración por absorción, pero fue Edmond Carré el que inventó la primera máquina de absorción en 1850, utilizando ácido sulfúrico/agua como par refrigerante/absorbente. No obstante, en 1859 su hermano Ferdinand Carré demostró el principio de funcionamiento de una máquina de refrigeración por absorción con el par amoníaco/agua. Fue patentada en 1860 en Estados Unidos, comenzando su comercialización en 1886. La máquina de absorción se utilizó por primera vez a gran escala durante la guerra de secesión norteamericana, cuando los estados del norte cortaron el suministro de hielo natural a los estados de la confederación (Cano, 2011). El uso del agua/bromuro de litio como par refrigerante/absorbente comenzó en los años 30. Sería la empresa Carrier la primera en patentar una máquina de absorción de H2O/LiBr en 1945. En la década de los 60 las máquinas de absorción de H2O/LiBr se desarrollaron en base a los ciclos de simple efecto. Estas máquinas son la base de la tecnología de absorción. En la evolución del ciclo de absorción se han experimentado diversas parejas de refrigerante/absorbente, pero comercialmente hay únicamente dos: la formada por el agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente, y la que utiliza el amoníaco como refrigerante y agua como absorbente. Cada una de estas dos 4.

(16) técnicas tiene sus peculiaridades. Mientras la utilización del agua como refrigerante limita la temperatura de evaporación por encima de 0 °C, permite, una mayor eficiencia energética que la que se consigue con el ciclo de amoníaco que, por su parte, presenta la ventaja de poder bajar las temperaturas muy por debajo de 0 °C y condensar a temperaturas más altas (MARCOS, 2015). En los últimos años se ha incrementado el interés en desarrollar máquinas de absorción para ser integradas en el sector residencial y en el de la automoción. Las razones para este resurgimiento son de índole medioambiental y de ahorro energético. 1.2. Aspectos teóricos de los sistemas de refrigeración por absorción Debido a la fuerte dependencia de una fuente de energía eléctrica, comúnmente nos encontramos que la mayoría de sistemas de refrigeración son de compresión, es decir, que en el ciclo existe un proceso adiabático donde se realiza trabajo para comprimir el vapor refrigerante aumentando su presión considerablemente. Para esto se incluye en la instalación un compresor, que para realizar ese proceso, consume energía de la red eléctrica de acuerdo al tamaño o capacidad calorífica (M.M. Talbi, 2016). Los ciclos de refrigeración por absorción tienen baja necesidad de energía eléctrica comparado con los sistemas de compresión de vapor. El calor rechazado en procesos industriales puede ser utilizado como fuente de energía. Son muy atractivos económicamente ya que el costo de energía térmica es mucho más bajo que los costos eléctricos. No posee amenaza global al agotamiento de ozono y puede tener poco impacto o ser otra opción para disminuir el calentamiento global (MARCOS, 2015). El uso de sistemas de refrigeración operados por calor, ayuda a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero debidas a procesos de combustión de combustibles fósiles (JAIME ANDRÉS BARATTO OROZCO, 2014). Hoy en día el desarrollo tecnológico ha hecho de la refrigeración por absorción una alternativa efectiva y económica en comparación con los ciclos por compresión de vapor. El aumento de los costos de la electricidad y los problemas 5.

(17) ambientales han hecho que estos ciclos operados por calor, sean más atractivos tanto para las aplicaciones industriales como para las aplicaciones residenciales (MAURICIO ERNESTO CAÑADAS NAVARRO, 2010). Cuando el calor utilizado por la máquina de absorción es de origen gratuito o residual, el ahorro se considera absoluto, mientras que en los casos de aplicación de llama directa este dependerá de la energía primaria y las características de producción de la electricidad sustituida. Este aspecto es particularmente importante, tanto económica como estratégicamente, en países como el nuestro donde la producción de energía eléctrica depende mayoritariamente de la importación de combustibles de origen fósil (O.M. Ibrahim, 2006). Los sistemas de refrigeración por absorción han ganado popularidad debido a que operan con refrigerantes amigables con el ambiente conforme a los protocolos de Kyoto y Montreal. Estos aprovechan las fuentes de energías alternativas de bajos costos como la geotérmica, biomasa, la energía solar o las fuentes de calor de los subproductos de desecho. Por lo tanto, en años recientes las investigaciones se han enfocado en el mejoramiento de estos sistemas. La principal manera de mejorar la eficiencia es a través de los análisis termodinámicos y de la optimización de estos sistemas (FERNÁNDEZ, 2015). En cuanto a los refrigerantes utilizados, en el caso del H2O/LiBr, tiene un alto coeficiente de desempeño (COP), con respecto al ciclo NH3/H2O pero la temperatura de evaporación tiene que ser mayor de 0°C ya que a esta temperatura comienzan a aparecer partículas sólidas como resultado de la congelación del agua, por lo que solo es utilizado en aplicaciones de acondicionamiento de aire (Chad B. Dorgan, 1995). El otro par refrigerante/absorbente más utilizado en los sistemas de absorción es NH3/H2O. Siendo el amoníaco la sustancia refrigerante, también conocida como R717, presenta excelentes ventajas con respecto al resto de refrigerantes utilizados en la actualidad. Se puede destacar su excelente transferencia de calor, no daña la capa de ozono, ni es un gas de efecto invernadero y pueden utilizarse en un amplio campo de aplicación. Después de su vida útil como refrigerante, resulta un 6.

(18) excelente fertilizante vegetal. Algo que no podemos decir de ninguno de los refrigerantes que comúnmente se utilizan (Fernández Seara, 2012). Los sistemas de absorción operados por vapor a baja presión, están disponibles en rangos de capacidades entre 100 y 1500 toneladas de refrigeración (TR). Los sistemas de absorción están disponibles comercialmente en dos diseños: simple efecto y doble efecto. Los sistemas de simple efecto entregan un COP térmico aproximadamente de 0.7 y requieren cerca de 8.2 kg de vapor a 2.0 bar (abs) por TR. Los sistemas de doble efecto son cerca del 40% más eficientes, pero requieren de gran cantidad de energía térmica de entrada, utilizando cerca de 4.5 kg de vapor a 6.9-10.3 bar (abs) por TR. El COP de los sistemas de absorción de doble efecto está en el rango de 0.9-1.2 (Keith E. Herold, 2006). 1.3. Principio de funcionamiento Los equipos de refrigeración por absorción, al igual que los de compresión de vapor, se basan en el principio de condensación y evaporación de un refrigerante para la obtención de frío o calor. La diferencia se encuentra, en que los sistemas de absorción, el compresor es sustituido por un absorbedor, una bomba y un generador (Figura 1). En el absorbedor el refrigerante proveniente del evaporador es absorbido por una solución que tiene gran afinidad con dicho fluido. Luego esta mezcla es bombeada hacia el generador donde se aporta el calor y el refrigerante se separa del absorbente por ebullición, por la presión generada, el refrigerante recorre el circuito de alta presión donde se condensa y continua el ciclo de la misma manera que en el sistema de compresión de vapor (Cano, 2011).. 7.

(19) Figura 1. Ciclo básico de refrigeración por absorción. 1.4. Descripción del ciclo de refrigeración por absorción amoníaco/agua de simple efecto Mediante la bomba se succiona la mezcla líquida de amoníaco/agua del absorbedor y se envía al generador donde se le suministra calor y al tener el amoníaco (refrigerante) menor temperatura de ebullición que el agua (absorbente) a iguales presiones se separan y el vapor de amoníaco se dirige hacia el condensador mientras que el agua con un pequeño porciento de amoníaco (solución débil) se dirige nuevamente al absorbedor (Figura 6). En el condensador ocurre un cambio de fase y el amoníaco se condensa y pasa por una válvula a la zona de baja presión luego el refrigerante es llevado al evaporador y después continua al absorbedor (Chad B. Dorgan, 1995). 1.5. Descripción del ciclo de refrigeración por absorción agua/bromuro de litio de simple efecto En el caso de la disolución de H2O/LiBr el absorbente es el bromuro de litio y el refrigerante el agua. El refrigerante se hace pasar a través del condensador y el evaporador, de igual forma que en una máquina de compresión mecánica. Luego el refrigerante en estado de vapor, a baja presión y temperatura, es absorbido exotérmicamente en el absorbedor. La disolución contenida en el absorbedor se 8.

(20) bombea hasta el generador, que trabaja a la misma presión que el condensador (Figura 15). En el generador se transfiere calor, y la disolución alcanza la temperatura de ebullición, separándose vapor refrigerante y la disolución restante rica en absorbente que vuelve al absorbedor y continua el ciclo, (Chad B. Dorgan, 1995). 1.6. Sistemas de refrigeración por absorción de doble efecto agua/bromuro de litio Un sistema de refrigeración de doble efecto o doble etapa tiene dos ciclos de generación para separar el refrigerante del absorbente. La entrada de calor en este sistema es a una temperatura mucho más alta que en el sistema de simple efecto. El COP de los sistemas de doble efecto, también es mayor a los sistemas de simple efecto, ya que estos sistemas de doble efecto son capaces de utilizar mayor disponibilidad (exergía) que ofrece un intercambiador de calor a una mayor temperatura (JAIME ANDRÉS BARATTO OROZCO, 2014). Adicional a lo anterior, existe una transferencia de calor entre los dispositivos generador de baja presión-condensador de alta presión para generar el primer efecto de separación del refrigerante de la sustancia absorbente (Figura 2). Los sistemas de refrigeración por absorción de doble efecto se pueden encontrar en tres configuraciones; de flujo en paralelo, de flujo en serie (cuando la solución llega primero al generador de alta temperatura) y de flujo en serie (cuando la solución llega primero al generador de baja).. 9.

(21) Figura 2. Esquema de doble efecto del sistema de refrigeración por absorción H2O/LiBr (Keith E. Herold, 2006). 1.6.1. Descripción del ciclo de refrigeración por absorción de doble efecto H2O/LiBr con configuración en paralelo En la configuración de un sistema de doble efecto de flujo en paralelo (Figura 3), en el condensador y en el absorbedor, el calor es removido del sistema a través del flujo de agua proveniente de una torre de enfriamiento. En el condensador ingresa el refrigerante en fase de vapor proveniente del generador de baja-condensador de alta, entrando este se condensa liberando calor que será transferido al agua de enfriamiento. El refrigerante sale como liquido saturado y después se expande del propio dispositivo. El refrigerante a baja presión ingresa al evaporador, donde absorbe el calor del medio a refrigerar (en este caso agua, que debe ser refrigerada para propósitos de acondicionamiento de aire).. 10.

(22) Figura 3. Diagrama esquemático de un sistema de absorción de flujo en paralelo de doble efecto H2O/LiBr. Después de pasar por el evaporador, el refrigerante, a baja presión y temperatura (ya en fase de vapor), sigue para el absorbedor, donde es absorbido por la solución concentrada de LiBr. Una vez que el refrigerante fue absorbido, este se condensa liberando vapor como causa del cambio de fase por el efecto de absorción. Para remover el calor generado de estos dos procesos, un flujo de agua de enfriamiento circula en la sección del absorbedor. Este flujo es requerido para mantener y controlar la presión como temperatura y concentración. En la salida del absorbedor se tiene una solución diluida. Esta solución diluida es bombeada hacia el generador de baja-condensador de alta, pasando antes por el primer intercambiador de la solución donde es precalentada. Este intercambiador de calor es muy importante ya que reduce la cantidad de calor necesario para ingresar al generador. En la salida del primer intercambiador de la solución una fracción de la solución ingresa al generador de baja-condensador de alta y otra fracción de la solución es bombeada al generador de alta, pasando antes por el. 11.

(23) segundo intercambiador de la solución. En el generador de alta por la adición de calor, se evapora el refrigerante de la solución H2O/LiBr hasta alcanzar la temperatura de saturación a alta presión (presión en el generador de alta). El vapor del refrigerante, a alta presión y temperatura, sigue hacia el generador de baja-condensador de alta donde se entrega el calor. Después de rechazar calor el refrigerante sale como líquido saturado del generador de baja-condensador de alta, luego después se expande en el propio dispositivo e ingresa al condensador como una mezcla de fases, cerrando el ciclo del refrigerante que sale del generador de alta. En la salida del generador de alta la solución concentrada (una vez que el refrigerante fue evaporado) pasa por el segundo intercambiador de calor de la solución, donde es pre-enfriada. Después de pasar por este intercambiador, la solución concentrada pasa por el dispositivo de expansión, donde la presión es reducida. En este proceso parte del refrigerante de la solución es pre-enfriada nuevamente. Después de pasar por el primer intercambiador de calor de la solución, la solución concentrada pasa nuevamente por el dispositivo de expansión donde la presión es reducida de nuevo. Después de esto la concentración entra al absorbedor, cerrando el ciclo de la solución. Uno de los mejores diseños que se escogen en los sistemas de doble efecto, es cuando se eligen los circuitos de conexión de la solución. Las opciones básicas son los flujos en serie y paralelo. 1.6.2. Descripción del ciclo de refrigeración por absorción de doble efecto H2O/LiBr con configuración en serie El flujo en paralelo ofrece beneficios termodinámicos y de transferencia de calor sobre los sistemas de flujo en serie, pero para alcanzar estos beneficios relativamente pequeños se requiere de un control más complejo. Los diagramas esquemáticos de los sistemas de doble efecto de flujo en serie se muestran en las figuras 4 y 5. Estos sistemas se diferencian por la instalación de cómo la solución sale del absorbedor. En la configuración de la figura 4, la solución es enviada primero al generador de alta y luego al generador de baja, y 12.

(24) en la figura 5 el circuito se comporta de manera inversa. En ambos casos, los procesos de intercambio de calor internos entre el condensador de alta y el generador de baja limitan las temperaturas. El condensador de alta debe tener una temperatura lo suficientemente alta para proveer la transferencia de calor que genera el potencial para poner en funcionamiento el calor dentro del generador de baja (Keith E. Herold, 2006).. Figura 4. Diagrama esquemático de un sistema de absorción de flujo en serie de doble efecto H2O/LiBr (solución a alta temperatura).. 13.

(25) Figura 5. Diagrama esquemático de un sistema de absorción de flujo en serie de doble efecto H2O/LiBr (la solución llega primero al generador de baja). Como se puede observar (Tabla 1), las diferencias entre los COP favorecen al sistema con la configuración de flujo en paralelo. Sin embargo, las capacidades de refrigeración favorecen a las configuraciones de flujo en serie (Keith E. Herold, 2006). Tabla 1. Comparación de los ciclos de flujo en paralelo y en serie para un sistema de absorción de doble efecto de agua/bromuro de litio. Configuración. COP. Capacidad (kW). Paralelo. 1.32. 350. Serie, generador de alta. 1.24. 370. Serie, generador de baja. 1.23. 370. 14.

(26) De acuerdo a lo previamente explicado, para propósitos de este trabajo, se realizó el análisis al sistema de refrigeración por absorción de doble efecto de configuración en paralelo (Figura 3). 1.7. Cálculos de exergéticos 1.7.1. Exergía El término de exergía fue utilizado en primera instancia por Rant en 1956, y se refiere a las letras griegas ex (exterior) y ergos (trabajo). Otro término que describe lo mismo es energía disponible o simplemente disponibilidad. El termino exergía también se relaciona con el trabajo ideal como se explicara más adelante, y las pérdidas de exergía se relacionan con las pérdidas de trabajo (JAIME ANDRÉS BARATTO OROZCO, 2014). La propiedad exergía sirve como una valiosa herramienta en la determinación de la calidad de la energía y en la comparación de los potenciales de trabajo de diferentes fuentes de energía o sistemas (Yunes A Cengel, 2012). 1.7.2. Estado muerto El estado muerto de un sistema de masa y composición constantes es aquel estado del sistema en el que su presión y temperatura coinciden con las del medio ambiente. Se denomina así porque al no existir desequilibrio de temperatura o presión entre el sistema y el entorno, no hay capacidad de producir trabajo útil. 1.7.3. Exergías asociadas A igual que sucede con la energía, la exergía total asociada a una corriente de materia excluyendo efectos magnéticos, superficiales se manifiestan en cuatro diferentes formas.. 𝐸𝑥 = 𝐸𝑥𝐹 + 𝐸𝑥𝑄 + 𝐸𝑥𝑃 + 𝐸𝑥𝐶. (1). Los cuatro componentes exergéticos tiene el siguiente significado: . 𝐸𝑥𝑃 Exergía debido a la energía potencial. . 𝐸𝑥𝐶 Exergía debido a la energía cinética. 15.

(27) Sus valores son insignificantes con respecto al valor de la exergía física y química, estos términos no se tiene en cuenta en un análisis exergético. . 𝐸𝑥𝐹 Exergía Física: Atribuible a la diferencia de temperatura y presión entre las corrientes y el entorno.. . 𝐸𝑥𝑄 Exergía Química: Debida a las diferencias de composición existente entre los sistemas analizados y el ambiente.. 1.7.4. Transferencia de exergía por calor, trabajo y masa . Transferencia de exergía por calor, Q. La exergía del calor que se desprende de una fuente sería la capacidad de trabajo útil máxima que es posible obtener del calor por medio del empleo de una máquina térmica de Carnot, o sea, los flujos de exergía asociados a los flujos de calor debido a la diferencia de temperatura entre la frontera y el ambiente (Rodríguez et al., 2006). El calor es una forma de energía desorganizada y solo una porción de él puede convertirse en trabajo (RAFAEL ARTURO MURILLO PÚA, 2012). La transferencia de calor Q en una ubicación que se encuentra a temperatura termodinámica T siempre está acompañada por la transferencia de exergía (𝐸𝑥𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 ) en la cantidad de: 𝑇. 𝐸𝑥𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 = (1 − 0 )𝑄 𝑇. . (2). Transferencia de exergía por trabajo, W. El trabajo máximo se define como la mayor cantidad de trabajo útil que puede producirse o el trabajo mínimo que necesita ser proporcionado cuando un sistema experimenta un proceso entre los estados inicial y final especificados. Si la energía cinética y potencial no tienen una influencia apreciable, la capacidad de trabajo útil máxima coincidirá con la exergía.. 16.

(28) Para trabajo de frontera:. 𝐸𝑥𝑊 = 𝑊 + 𝑊𝐴𝑙𝑟. (3). Para otras formas de trabajo:. 𝐸𝑥𝑊 = 𝑊𝑀𝑎𝑥. (4). Donde:. 𝑊𝐴𝑙𝑟 = 𝑃0 (𝑣2 − 𝑣1 ). (5). En la ecuación anterior la 𝑃0 es la presión atmosférica, así como 𝑣1 y 𝑣2 son los volúmenes iniciales y final del sistema. Por consiguiente, la transferencia de exergía debida al trabajo es igual al trabajo W mismo (RAFAEL ARTURO MURILLO PÚA, 2012). . Transferencia de exergía por masa, m. Los flujos de masa en un sistema en entrada o salida de este son proporcionales a la exergía, es decir las tasas de transportación de energía y entropía son proporcionales a los flujos másicos. La exergía para un flujo dado puede ser expresada como:. 𝐸𝑥 = (ℎ − ℎ0 ) − 𝑇0 (𝑆 − 𝑆0 ) +. 𝑉2 2. + 𝑔𝑧. (6). El subíndice 0 en T, h y S se refiere la temperatura, entalpia y entropía de la sustancia que compone el flujo cuando esta se encuentra 𝑇0 , ℎ0 y 𝑆0 , es decir en condiciones de equilibrio con el medio ambiente donde ya no es capaz de realizar más trabajo técnico. Cuando se desprecia la energía cinética y potencial la exergía para un flujo másico quedaría de la siguiente forma:. 𝐸𝑥 = (ℎ − ℎ0 ) − 𝑇0 (𝑆 − 𝑆0 ). (7). Para realizar los cálculos exegéticos es preciso tener en cuenta las variaciones de entalpia y entropía, para un proceso a presión constante se determinan como: 17.

(29) ∆ℎ = 𝑐𝑝 (𝑇2 − 𝑇1 ) 𝑇. ∆𝑆 = 𝑐𝑝 𝑙𝑛 ( 2) 𝑇. (8) (9). 1. 1.7.5. Cálculos de exergía de la soluciones H2O/LiBr y NH3/H2O En la bibliografía existen artículos donde se aplican análisis termodinámicos y exergéticos para sistemas de refrigeración por absorción que utilizan como fluido de trabajo las soluciones H2O/LiBr y NH3/H2O. En este tipo de estudios es necesario hacer un cálculo de la exergía de fluido de trabajo en diferentes puntos del sistema. Desafortunadamente, hasta ahora se encuentran en los diferentes estudios (Keith E. Herold, 2006) y (Arzu S¸encana, 2005), que la exergía de la solución se calcula considerando solo un componente térmico (exergía física) y la exergía química no es considerada. Para el presente propósito sobre el cálculo de la exergía, se tuvo en cuenta los procedimientos presentados en (JAIME ANDRÉS BARATTO OROZCO, 2014), para los cuales se llevaron a cabo los cálculos tanto de la exergía química como la exergía física, por medio de la realización de una serie de algoritmos de programación, con la ayuda de las correlaciones suministras en las librerías de Engineering Equiation Solver (EES), tanto para la entalpía como la entropía de las soluciones H2O/LiBr y NH3/H2O (Anexo A). Para el cálculo de la exergía de las soluciones, las propiedades termodinámicas son muy importantes. La entalpía específica y la entropía específica son importantes para el cálculo de la exergía física, y la consideración de la actividad de los componentes de la solución es importante para el cálculo de la exergía de una mezcla. Las propiedades para el cálculo exergético de la solución H2O/LiBr fueron tomadas de (JAIME ANDRÉS BARATTO OROZCO, 2014) y las propiedades del NH3/H2O fueron encontradas en (O.M. Ibrahim, 2006). La exergía de las soluciones H2O/LiBr y NH3/H2O puede ser calculada a través de la suma de la exergía física y química.. 𝐸𝑥 = 𝐸𝑥𝐹 + 𝐸𝑥𝑄. (10) 18.

(30) 1.7.5.1. Exergía física La exergía física puede ser calculada a partir de la siguiente expresión (Bazzo, 2009). 𝐸𝑥𝐹 = (ℎ − ℎ0 ) − 𝑇0 (𝑆 − 𝑆0 ). (11). 1.7.5.2. Exergía química La exergía química o máximo trabajo que se puede obtener cuando la sustancia es llevada del estado de equilibrio de presión y temperatura con el ambiente hasta el estado de equilibrio de concentraciones con el ambiente mediante procesos que involucran transferencia de calor y masa (JAIME ANDRÉS BARATTO OROZCO, 2014). Una vez que las soluciones H2O/LiBr y NH3/H2O son soluciones no ideales, para el cálculo de la exergía química es utilizada la siguiente expresión tomada de (Bazzo, 2009) en función de las actividades y de las exergías de referencia de componentes puros.. 𝐸𝑥𝑄(𝑠𝑜𝑙) = (. 1. 𝑀𝑆𝑜𝑙. ) [∑𝑛𝑖=1 𝑥𝑖 𝑒𝑖0 + 𝑅̅𝑇0 ∑𝑛𝑖=1 𝑥𝑖 𝑙𝑛 𝑎𝑖 ]. (12). Para el caso de las soluciones H2 O/LiBr y NH3 /H2 O: 1 0 0 𝐸𝑥𝑄(𝑁𝐻3 /𝐻2 𝑂) = 𝑀 [𝑥𝐻2 𝑂 𝑒𝑄,𝐻 + 𝑥𝑁𝐻3 𝑒𝑄,𝑁𝐻 + 𝑅̅ 𝑇0 (𝑥𝐻2 𝑂 𝑙𝑛(𝑎𝐻2 𝑂 ) + 2𝑂 3 𝑆𝑜𝑙. 𝑥𝑁𝐻3 𝑙𝑛(𝑎𝑁𝐻3 ))]. (13). 1 0 0 𝐸𝑥𝑄(𝐻2 𝑂/𝐿𝑖𝐵𝑟) = 𝑀 [𝑥𝐻2 𝑂 𝑒𝑄,𝐻 + 𝑥𝐿𝑖𝐵𝑟 𝑒𝑄,𝐿𝑖𝐵𝑟 + 𝑅̅ 𝑇0 (𝑥𝐻2 𝑂 𝑙𝑛(𝑎𝐻2 𝑂 ) + 2𝑂 𝑆𝑜𝑙. 𝑥𝐿𝑖𝐵𝑟 𝑙𝑛(𝑎𝐿𝑖𝐵𝑟 ))]. (14). En la exergía química se pueden distinguir dos partes: . Exergía química de referencia para dos componentes puros:. Exergía química de referencia para la solución H2 O/LiBr. 𝐸𝑥𝑄,0 = (. 1. 𝑀𝑆𝑜𝑙. 0 ) 𝑥𝐻2 𝑂 𝑒𝐻02 𝑂 + 𝑥𝐿𝑖𝐵𝑟 𝑒𝐿𝑖𝐵𝑟. (15). 19.

(31) Exergía química de referencia para la solución NH3 /H2 O. 𝐸𝑥𝑄,0 = ( . 1 𝑀𝑆𝑜𝑙. 0 ) 𝑥𝐻2 𝑂 𝑒𝐻02 𝑂 + 𝑥𝑁𝐻3 𝑒𝑁𝐻 3. (16). La exergía química destruida debido a un proceso de disolución:. Exergía química destruida debido a un proceso de disolución para H2 O/LiBr. 𝐸𝑥𝑄,𝑠𝑜𝑙 =. 𝑅̅ 𝑇0 𝑀𝑆𝑜𝑙. (𝑥𝐻2 𝑂 𝑙𝑛(𝑎𝐻. 2𝑂). + 𝑥𝐿𝑖𝐵𝑟 𝑙𝑛(𝑎𝐿𝑖𝐵𝑟) ). (17). Exergía química destruida debido a un proceso de disolución para NH3 /H2 O. 𝐸𝑥𝑄,𝑠𝑜𝑙 =. 𝑅̅ 𝑇0 𝑀𝑆𝑜𝑙. (𝑥𝐻2 𝑂 𝑙𝑛(𝑎𝐻. 2𝑂). + 𝑥𝑁𝐻3 𝑙𝑛(𝑎𝑁𝐻 ) ) 3. (18). 1.7.5.3. Exergía química estándar Para el cálculo de las exergías químicas de componentes puros. Las exergías químicas estándar para el agua y el litio fueron encontrados en el texto de (JAIME ANDRÉS BARATTO OROZCO, 2014) El cálculo de la exergía química estándar para una mezcla de LiBr se puede determinar de la siguiente manera.. 𝑒𝐻02 𝑂 = 0.9 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 0 𝑒𝐿𝑖 = 339 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 0 𝑒𝐵𝑟2 = 339 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 1. 𝐿𝑖 + 𝐵𝑟2 ⟶ 𝐿𝑖𝐵𝑟. (19). 2. 𝛥𝑔̃0 𝑓 𝐿𝑖𝐵𝑟 = −342,0 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 1. 0 0 0 𝑒𝐿𝑖𝐵𝑟 = 𝛥𝑔̃0 𝑓 𝐿𝑖𝐵𝑟 + 𝑒𝐿𝑖 + 𝑒𝐵𝑟2 2. (20). 0 𝑒𝐿𝑖𝐵𝑟 = 101,6 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙. 20.

(32) Este valor será usado después para el cálculo de la exergía química de la solución H2O/LiBr. Para el caso de la exergía química estándar para NH3 fue tomada de (Szargut, 2005). 0 𝑒𝑁𝐻 = 337,9 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 3. 1.7.7. Balance general de exergía El balance de exergía para cualquier sistema que experimenta cualquier proceso se puede expresar más explícitamente como:. 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡 − 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙 − 𝐸𝑥𝑑𝑒𝑠𝑡 = 𝛥𝐸𝑥𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎. (21). 1.7.8. Eficiencia exergética El. parámetro. usado. tradicionalmente. para. evaluar. el. funcionamiento. termodinámico de un sistema es la eficiencia térmica, definida en términos generales como la proporción entre la energía en la forma deseada y la energía suministrada al sistema. En esta definición, las cantidades de energía se comparan sin hacer referencia a la calidad de esta. Empleando el concepto de exergía, la calidad de la energía puede compararse. Por otro lado, la eficiencia térmica es significativa solo para procesos cíclicos y generalmente es inútil para procesos abiertos, mientras que la eficiencia exergética es igualmente útil tanto en procesos cíclicos como procesos abiertos (RAFAEL ARTURO MURILLO PÚA, 2012). La eficiencia exergética se define en términos generales como la proporción entre la exergía del producto y la exergía consumida.. 𝜂𝐸𝑥 =. 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔í𝑎ú𝑡𝑖𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔í𝑎. (22). La eficiencia exergética es un asunto que requiere cuidado ya que puede variar para cada planta en particular y cada componente en particular dependiendo del sentido de operarla e instalarla.. 21.

(33) En el caso de intercambiadores de calor cuya finalidad es aumentar la exergía de la corriente fría a costa de una reducción en la exergía de la corriente caliente, la exergía de producto es el aumento en la exergía de la corriente fría y la exergía de recurso es la reducción en al exergía de la corriente caliente (Bazzo, 2009). Para las bombas, la exergía de producto se considera que es el aumento en la exergía del fluido entre la entrada y la salida de la bomba; la exergía del recurso es la potencia que se suministra (Bazzo, 2009). En algunos casos donde la eficiencia exergética no sea el parámetro más adecuado para evaluar el funcionamiento de ciertos componentes podríamos utilizar el radio de destrucción de exergía (JAIME ANDRÉS BARATTO OROZCO, 2014).. Ƴ=. Exd del equipo Exsuministrada al sistema. (23). 22.

(34) Capítulo 2. Modelo matemático El modelo matemático presentado se basa principalmente en mostrar mediante ecuaciones los balances de concentración, masa y energía para cada componente del sistema de refrigeración por absorción de vapor amoníaco/agua de simple efecto y agua/bromuro de litio de simple y doble efecto. También se realiza un balance exergético para cada uno de los sistemas analizados. Se consideran las propiedades de los fluidos refrigerante y absorbente, así como el primer principio de la termodinámica, el principio de conservación de la masa y ecuaciones de transferencia de calor. 2.1. Ciclo de refrigeración por absorción de vapor de una etapa amoníaco/agua. Figura 6. Esquema del ciclo de refrigeración por absorción de vapor de simple efecto amoníaco/agua.. 23.

(35) Tabla 2. Estados termodinámicos de cada punto del sistema amoníaco/agua. Puntos. Estado. Notas. 𝐸𝑛𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎. Líquido. Solución fuerte de amoníaco/agua a la salida del absorbedor. 𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎. Líquido. Solución fuerte de amoníaco/agua a la salida de la bomba. 𝐸𝑛𝑡1 𝐺𝑒𝑛. Líquido. Solución fuerte de amoníaco/agua a la entrada del generador. 𝑆𝑎𝑙2 𝐺𝑒𝑛. Líquido. Solución débil de amoníaco/agua a la salida del generador. 𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2. Líquido. Solución débil de amoníaco/agua a la salida del economizador. 𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2. Líquido. Solución débil de amoníaco/agua a la salida de la válvula de estrangulamiento. 𝑆𝑎𝑙1 𝐺𝑒𝑛. Vapor. Vapor de amoníaco con pequeñas cantidades de absorbente (agua). 𝐸𝑛𝑡2 𝐺𝑒𝑛. Líquido. Agua resultado del proceso de rectificado del refrigerante. 𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑. Vapor. Amoniaco puro con cero contenido de agua. 𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑. Líquido. Amoníaco condensado. 𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝. Líquido +Vapor. Al pasar por la válvula de expansión ocurre el proceso de evaporación del refrigerante. 𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝. Vapor. El vapor refrigerante se encuentra con su máxima calidad. 24.

(36) 2.2. Balances de masa, concentración, energía y exergía del sistema de refrigeración por absorción amoníaco/gua 2.2.1. Condensador En el condensador es donde se efectúa el cambio de fase del vapor refrigerante proveniente del generador. Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑. (24). 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑. (25). Balance de concentración. 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 = 𝑥𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑. (26). Figura 7. Esquema del condensador El condensador es considerado adiabático y se desprecian las pérdidas de calor al ambiente. Balance de energía. 𝑄𝐶𝑜𝑛𝑑 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 − ℎ𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑 ). (27). 𝑄𝐶𝑜𝑛𝑑 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 (ℎ𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑 − ℎ𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 ). (28). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝐶𝑜𝑛 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 − 𝑚𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑 − 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑. (29). 25.

(37) 2.2.2. Evaporador El evaporador es un intercambiador de calor, a través de él circula vapor y líquido refrigerante que al hervir a la presión de evaporación, transfiere calor latente al fluido que circula por el exterior del evaporador. Este dispositivo se considera adiabático. Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣1. (30). 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝. (31). Balance de concentración. 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 = 𝑥𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝 = 𝑥𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣1. (32). Figura 8. Esquema del evaporador Balance de energía. 𝑄𝐸𝑣𝑎𝑝 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 (ℎ𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝 − ℎ𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 ). (33). 𝑄𝐸𝑣𝑎𝑝 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 (ℎ𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 − ℎ𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝 ). (34). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝐸𝑣𝑎𝑝= 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝 − 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝. (35). 26.

(38) 2.2.3. Válvula de estrangulamiento Esta válvula se encarga de la reducción de presión isoentálpica de la disolución desde la presión del generador a la presión del absorbedor. Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2. (36). Balance de concentración. 𝑥𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2 = 𝑥𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2. (37). Balance de energía. ℎ𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2 = ℎ𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2. (38). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝑉𝑎𝑙𝑣2 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2. (39). Figura 9. Esquema de la válvula de estrangulamiento 2.2.4. Válvula de expansión Esta válvula efectúa la trasformación del refrigerante en estado líquido saturado procedente del condensador a una mezcla de dos fases a la temperatura y presión de evaporación. Este proceso implica un aumento de la entropía del fluido como resultado de la irreversibilidad y entalpia constante. Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣1 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣1 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑. (40). 27.

(39) Balance de concentración. 𝑥𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣1 = 𝑥𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣1 = 𝑥𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑. (41). Figura 10. Esquema de la válvula de expansión Balance de energía. ℎ𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣1 = ℎ𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣1. (42). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝑉𝑎𝑙𝑣1 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣1 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣1 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣1 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣1. (43). 2.2.5. Absorbedor El absorbedor es el dispositivo donde el vapor refrigerante proveniente del evaporador es absorbido por una sustancia absorbente, mediante una reacción exotérmica, formándose una mezcla liquida para ser bombeada al generador. El buen funcionamiento de la maquina depende de la capacidad de absorción de este dispositivo. Debe tenerse en cuenta la transferencia de masa y calor ya que la capacidad de absorción depende de la temperatura de absorción (Cesar Alejandro Isaza Roldán, 2010). Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 + 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠. (44). 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠. (45). Balance de concentración. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 + 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2 𝑥𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠 𝑥𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠. (46) 28.

(40) Figura 11. Esquema del absorbedor Balance de energía. ℎ𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 + ℎ𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2 − ℎ𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠 = 𝑄𝐴𝑏𝑠. (47). 𝑄𝐴𝑏𝑠 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 (ℎ𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠 − ℎ𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 ). (48). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝐴𝑏𝑠 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 + 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝐴𝑏𝑠 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠 − 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠. (49). 2.2.6. Economizador El intercambiador de calor es el dispositivo encargado de elevar la temperatura de la mezcla amoníaco/agua para su posterior entrada al generador a una temperatura mayor que la temperatura del absorbedor. También se encarga de bajar la temperatura de la sustancia absorbente (agua) para su llegada al absorbedor a una temperatura menor que la temperatura del generador. Su función principal es el mejoramiento del ciclo (Bassols, 2015). Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2. (50) 29.

(41) 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛. (51). Balance de concentración. 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 = 𝑥𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2. (52). 𝑥𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛. (53). Balance de energía. 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛 − ℎ𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ) = 𝑄𝐸𝑐𝑜𝑛. (54). 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 − ℎ𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2 ) = 𝑄𝐸𝑐𝑜𝑛. (55). El calor máximo que podría transferir el economizador seria:. 𝑄𝐸𝑐𝑜𝑛𝑀𝑎𝑥 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 − ℎ𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ). (56). Para calcular la eficiencia del economizador es necesario determinar el cociente entre el calor generado por la disolución fría entre el máximo que se podría transferir.. ℇ𝐸𝑐𝑜𝑛 =. (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛 −ℎ𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ) (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 −ℎ𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ). (57). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝐸𝑐𝑜𝑛 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 − 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2. (58). 2.2.7. Bomba Este dispositivo tiene el propósito de circular el fluido y generar una diferencia de presiones en el sistema. Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠. (59). 30.

(42) Balance de concentración. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 𝑥𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑥𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠 𝑥𝑆𝑎𝑙𝐴𝑏𝑠. (60). Figura 12. Esquema de la bomba Balance de energía. 𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 (ℎ𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 − ℎ𝐸𝑛𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ). (61). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎. (62). 2.2.8. Generador En el generador se produce un aumento de la temperatura de la mescla líquida, donde se desprende vapor de uno de los dos fluidos. El vapor refrigerante es dirigido al condensador y el líquido caliente con bajo contenido en refrigerante se envía al economizador. El generador se considera adiabático y no se transfiere calor al ambiente(Bassols, 2015). Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛. (63). 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒. (64). 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2 𝐺𝑒𝑛 = 0. (65). 31.

(43) Balance de concentración. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 𝑥𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 𝑥𝐸𝑛𝑡2 𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝑥𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 𝑥𝑆𝑎𝑙2 𝐺𝑒𝑛 = 0. (66). Figura 13. Esquema del generador. Balance de energía. ℎ𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 + ℎ𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 − ℎ𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 − ℎ𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 + 𝑄𝑔𝑒𝑛 = 0. (67). 𝑄𝑔𝑒𝑛 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 − ℎ𝑆𝑎𝑙𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 ). (68). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝐺𝑒𝑛 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙1 𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒. (69). 2.2.9. Rectificador Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1 𝐺𝑒𝑛. (70). 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝑅𝑒𝑐𝑡 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝑅𝑒𝑐𝑡. (71) 32.

(44) Figura 14. Esquema del rectificador. Balance de concentración. 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝑥𝑆𝑎𝑙1 𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 𝑥𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 = 0. (72). Balance de energía. ℎ𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 − ℎ𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 − ℎ𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 − 𝑄𝑅𝑒𝑐𝑡 = 0 (73) Balance de exergía 𝐸𝑥𝑅𝑒𝑐𝑡 = 𝑚̇ 𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙1 𝐺𝑒𝑛 + 𝑚̇ 𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝑅𝑒𝑐𝑡 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑓𝑟𝐸𝑛𝑡𝑅𝑒𝑐𝑡 −. 𝑚̇ 𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡2𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇ 𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 − 𝑚̇ 𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝑅𝑒𝑐𝑡 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑓𝑟𝑆𝑎𝑙𝑅𝑒𝑐𝑡. (74). 2.2.10. Sistema general El uso de la energía en máquinas de refrigeración se evalúa mediante el Coeficiente de Rendimiento Energético o Coeficiente de Operación (COP). A través de este parámetro se puede comparar el efecto útil con la energía consumida para producirlo. Se puede expresar el COP de la siguiente forma cuando se desprecia el consumo de energía de la bomba.. 𝐶𝑂𝑃 = 𝑄𝐸𝑣𝑎 /𝑄𝐺𝑒𝑛. (75). La energía eléctrica consumida por la bomba se puede expresar como el cociente entre la potencia suministrada por la bomba y el rendimiento de la conversión de energía eléctrica a energía mecánica. 33.

(45) 𝑊𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑃𝑜𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 /𝜂𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎. (76). Si se tiene en cuenta el consumo eléctrico de la maquina entonces el COP quedaría de la siguiente manera.. 𝐶𝑂𝑃 = 𝑄𝐸𝑣𝑎 /𝑄𝐺𝑒𝑛 + 𝑊𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎. (77). Balance de energía. 𝑄𝐺𝑒𝑛 − 𝑄𝑅𝑒𝑐𝑡 − 𝑄𝐶𝑜𝑛𝑑 + 𝑄𝐸𝑣𝑎 − 𝑄𝐴𝑏𝑠 + 𝑊𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 0. (78). 2.3. Ciclo de refrigeración por absorción de vapor de simple efecto agua/bromuro de litio En el ciclo de absorción de simple efecto (H2O/LiBr) el diagrama es igual al ciclo amoníaco/agua, exceptuando que no se utiliza el rectificador ya que se realiza una separación completa de las dos sustancias en el generador. Por esta razón los balances de masa, concentración, energía y exergía son iguales exceptuando el generador, que se realiza a continuación.. Figura 15. Esquema del ciclo de refrigeración por absorción de vapor de simple efecto agua/bromuro de litio.. 34.

(46) Tabla 3. Estados termodinámicos de cada punto del sistema bromuro de litio/agua. Puntos. Estado. Notas. 𝐸𝑛𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎. Líquido. Solución fuerte de agua/bromuro de litio a la salida del absorbedor. 𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎. Líquido. Solución fuerte de agua/bromuro de litio a la salida de la bomba. 𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛. Líquido. Solución fuerte de agua/bromuro de litio a la entrada del generador. 𝑆𝑎𝑙𝐺𝑒𝑛. Líquido. Solución débil de agua/bromuro de litio a la salida del generador. 𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2. Líquido. Solución débil de agua/bromuro de litio a la salida del economizador. 𝑆𝑎𝑙𝑉𝑎𝑙𝑣2. Líquido. Solución débil de agua/bromuro de litio a la salida de la válvula de estrangulamiento. 𝐸𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑. Vapor. Vapor de agua puro, cero contenido de sal (bromuro de litio). 𝑆𝑎𝑙𝐶𝑜𝑛𝑑. 𝐸𝑛𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝. Líquido. Agua pura. Líquido +. Al pasar el líquido por la válvula de expansión. Vapor. se evapora para su posterior llegada al evaporador. 𝑆𝑎𝑙𝐸𝑣𝑎𝑝. Vapor. El vapor se encuentra con su máxima calidad. 35.

(47) 2.3.1. Balances de masa, concentración, energía y exergía del sistema de refrigeración por absorción agua/bromuro de litio 2.3.1.1. Generador Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛. (79). 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 = 0. (80). 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒. (81). Balance de concentración. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝑥𝑆𝑎𝑙1 𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 𝑥𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 = 0. (82). Figura 16. Esquema del generador. Balance de energía. ℎ𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛 − ℎ𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 − ℎ𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 + 𝑄𝑔𝑒𝑛 = 0. (83). Balance de exergía. 𝐸𝑥𝐺𝑒𝑛 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛 + 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐸𝑥𝐸𝑛𝑡𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙1𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙2 𝐺𝑒𝑛 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙2𝐺𝑒𝑛 − 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐸𝑥𝑆𝑎𝑙𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒. (84). 36.

(48) 2.3.1.2. Sistema general Balance de energía. 𝑄𝐺𝑒𝑛 − 𝑄𝐶𝑜𝑛𝑑 + 𝑄𝐸𝑣𝑎 − 𝑄𝐴𝑏𝑠 + 𝑊𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 0. (85). 2.4. Modelo matemático del sistema de refrigeración por absorción de doble efecto agua/bromuro de litio con configuración en paralelo Para los dispositivos: evaporador, absorbedor, bomba de solución de baja presión, válvula de solución de baja temperatura y válvula refrigerante de baja presión los balances de masa, concentración, energía y exergía son iguales que los presentados en el ciclo de simple efecto. Las ecuaciones de balance para los dispositivos restantes del sistema de refrigeración por absorción de doble efecto de configuración en paralelo con fluidos de trabajo agua/bromuro de litio se muestran a continuación. 2.4.1. Economizador de baja presión Balance de masa. 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2. (86). 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎𝐵𝑎𝑗𝑎 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡1𝐺𝑒𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎. (87). Balance de concentración. 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎 = 𝑥𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2. (88). 𝑥𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎𝐵𝑎𝑗𝑎 = 𝑥𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎. (89). Balance de energía. 𝑚̇𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎𝐵𝑎𝑗𝑎 (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐺𝑒𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎 − ℎ𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ) = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎 (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎 − ℎ𝐸𝑛𝑡𝑉𝑎𝑙𝑣2 ) = 𝑄𝐸𝑐𝑜𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎. (90). El calor máximo que podría transferir el economizador sería:. 𝑄𝐸𝑐𝑜𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎𝑀𝑎𝑥 = 𝑚̇𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎 (ℎ𝐸𝑛𝑡𝐸𝑐𝑜𝑛𝐵𝑎𝑗𝑎 − ℎ𝑆𝑎𝑙𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎𝐵𝑎𝑗𝑎 ). (91). 37.