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PROYECTO FIN DE CARRERA. ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN.

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CAPÍTULO 2.

SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO Y SISTEMAS DE

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA SOLAR.

2.1. INTRODUCCIÓN. Como se mencionó en el capítulo 1, la gran tendencia que seguimos en el aumento del consumo energético y en especial de la refrigeración, hacen que se busquen otras alternativas a las convencionales principalmente para paliar el consumo de electricidad y el evitar las emisiones de CO2, en muchos lugares del territorio español por ejemplo la demanda de refrigeración es necesaria cuando son disponibles grandes cantidades de radiación solar, que podrían usarse para procesos generados térmicamente, por como la refrigeración y aire acondicionado. Las diferentes tecnologías que hacen posible esto son aplicaciones de tecnologías extensamente probadas como es el caso de las máquinas de absorción que se trata de la producción de refrigeración con generación térmica que se ha aplicado durante las últimas décadas en muchos mercados, pero en grandes capacidades, usando el calor residual o el calor procedente de la producción combinada de calor y energía (cogeneración). Sin embargo, la combinación de esta tecnología con calor solar es nueva y complica el proceso. Hasta la fecha, el número de instalaciones de refrigeración solar se cuentan en centenares de instalaciones en todo el mundo, y con el transcurso de los años se ve una tendencia creciente ya que el número de instalaciones aumentan con los años, y no sólo de refrigeración solar por absorción si no también con instalaciones de adsorción y enfriamientos con desecantes. Esto se da principalmente en países de Europa, como España, Italia, Alemania, Austria y Francia. Las soluciones de climatización solar contribuyen a un sistema de suministro respetuoso con el medio ambiente en edificios, los principales argumentos para la refrigeración solar asistida se centran en el ahorro de energía, dentro de ello tenemos algunas ventajas como: − Aplicaciones donde se disponga de abundante energía térmica el ahorro electricidad y por lo tanto las

fuentes primarias de energía convencionales. − Reducción de la demanda pico de electricidad, lo cual es un beneficio para la red eléctrica y podría

conducir a ahorros en los costos adicionales del pico más caros energía eléctrica cuando se aplica a gran escala.

− El uso de materiales ambientalmente racionales que no perjudican al ozono y sin potenciar (o contribución muy pequeña) al calentamiento global.

− Bajo nivel vibraciones y ruido hace que sea recomendable por ejemplo residencias de ancianos, hospitales.

− Energía solar está disponible casi al mismo tiempo, cuando el enfriamiento es necesario, este argumento es válido para ambos, la energía solar térmica y solar los sistemas basados en electricidad.

− Dada la baja temperatura que requiere el generador, el caso de las máquinas de absorción agua/bromuro de litio (80 – 110º C), y las máquinas de adsorción (60 – 90º C) serían adecuadas para el aprovechamiento de energía solar.

− La utilización del calor solar combinado para calentar, refrigerar y obtener agua caliente sanitaria (ACS), permitiendo una alta utilización del sistema térmico solar durante todas las estaciones.

− Ahorro de emisiones de CO2 por la no utilización de fuentes de energías convencionales.


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Se presentan algunos de los organismos, plataformas y programas a nivel internacional que están en marcha para el fomento, difusión y estudio de las diferentes tecnologías, para el aprovechamiento de la energía solar y su utilización en refrigeración, sobre todo con el fin de buscar alternativas a combustibles fósiles y en el desarrollo de nuevas tecnologías. THE AUSTRALIAN SOLAR COOLING INTEREST GROUP. Este grupo fundado el 2008 pertenece al Australia's Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) y sus actividades tienen como objetivo la promoción y reconocimiento de la refrigeración solar como una tecnología viable para reducir las emisiones y combatir el cambio climático, las actividades del grupo tienen cuatro puntos importantes. − Localización de las tecnologías y evaluación de las barreras − Desarrollo de la estandarización. − Demostración, financiamiento e investigación. − Educación, entrenamiento y promoción. US DEPARTMENT OF ENERGY SOLAR PROGRAM. Este programa centraliza y coordina los esfuerzos entre la industria, las universidades y centros de investigación para la mejora de las tecnologías de energía solar. Dentro del departamento de energía solar de U.S.A. cabe destacar el programa SunShot DOE que es una iniciativa de colaboración de todos los estados unidos de norte América, se basan en la búsqueda de tecnologías y elementos para convertir el costo de la energía solar en competitiva con otras formas de energía, a finales de la década 2020. Se pretende reducir el costo de instalación de sistemas de energía solar en un 75% de la unidad general, con la adopción a gran escala de esta tecnología y restaurar el liderazgo de EE.UU. en la carrera mundial de energía limpia. THE CHINA SUSTAINABLE ENERGY PROGRAM (CSEP). Agencia que desarrolla y coordina los programas de desarrollo sustentable del gigante asiático, país que se ha convertido en los últimos años en el donde tecnologías tienen el más rápido crecimiento del planeta y convirtiéndose en el país, que lleva el liderazgo en el desarrollo de proyectos de ERNC así como el principal productor de los insumos para esta industria, con lo que ayuda a bajar los costos por las economías de producción a gran escala. PLATAFORMA TECNOLÓGICA EUROPEA PARA CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN RENOVABLES (RHC-ETP). RHC-ETP se creó en 2005 y está integrada por la Asociación Europea de la Biomasa (AEBIOM), la Agencia de Centros Europeos de Investigación en Energías Renovables (EUREC), la Asociación Europea de Geotermia (EGEC) y la Federación Europea de la Industria Solar Térmica. La Plataforma reúne a todos los agentes que participan en la generación de energía con biomasa, geotermia y solar térmica, con el objetivo de definir una estrategia común para incrementar el uso de las tecnologías renovables de calor y frío. Los principales objetivos de la RCH-ETP son: − Definir la visión global a corto, medio y largo plazo del desarrollo de los sistemas de generación de

calor y frio con fuentes renovables a nivel europeo. Se ha generado un documento que plasma la penetración esperada en el mercado europeo y la evolución prevista hasta el año 2020.

− Establecer una agenda de investigación compartida, que identifique las líneas de I+D más prometedoras y las prioridades estratégicas para mantener el liderato europeo tanto científico como industrial en sistemas de calefacción y refrigeración con renovables.


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− Implementar un “roadmap” para el desarrollo, a gran escala, de los sistemas de calefacción y refrigeración con renovables, incluyendo las acciones para armonizar la formación europea en este campo.

SOLAR HEATING AND COOLING PROGRAM. Este programa de la Agencia de Energía Internacional fue establecido en 1977 y funciona gracias a los esfuerzos de los países miembros. Los objetivos del programa son: − Acelerar el traspaso de la tecnología desarrollada. − Promover la estandarización. − Impulsar los programas de investigación y desarrollo de los países miembros. − Fomentar la formación de especialistas Incentivar el ahorro de energía y recursos. EL PROGRAMA INTELLIGENT ENERGY EUROPE (IEE) 2007-2013. Forma parte del Programa marco para la innovación y la competitividad (CIP) de la Unión Europea. Su presupuesto global de 730 millones de euros, está destinado a apoyar proyectos europeos seleccionados en convocatorias anuales de propuestas. El financiamiento cubre hasta el 75% de los costos de los proyectos. Cualquier organización pública o privada establecida en la Unión Europea, puede presentarse a una convocatoria de propuestas con proyectos diseñados para ayudar a alcanzar los objetivos de la UE en materia de energía y cambio climático. En los proyectos, que por lo general tienen una duración de entre dos y tres años, deben participar al menos tres socios de tres países. Al aumentar la eficiencia energética y promover un mayor uso de energías nuevas y renovables, el programa EIE pretende impulsar acciones que ayuden a lograr los objetivos de la UE, lo que incluye medidas para: − Fomentar la eficiencia energética y el uso racional de los recursos energéticos. − Promover fuentes de energías nuevas y renovables y apoyar la diversificación de las fuentes

energéticas.

También cabe mencionar algunos proyectos con temas de refrigeración solar ya finalizados o algunos en desarrollo en Europa. IEA-SHC TAREA 48: “Garantía de calidad y medidas de apoyo para la refrigeración solar”. El objetivo principal de esta tarea es ayudar a un desarrollo del mercado fuerte y sostenible de los sistemas de refrigeración solar, el proyecto empezó en octubre del 2011 y continuará hasta marzo del 2015. Se centra en los sistemas que incluyen una tecnología de refrigeración solar térmica (sin limitación de la potencia o en área de captador) que se puede utilizar en modo de calefacción. El proyecto propuesto está destinado tanto para crear una lógica de seguimiento de los trabajos de IEA SHC ya realizadas por tratando de encontrar soluciones para hacer el calentamiento solar térmica impulsada y sistemas de refrigeración, al mismo tiempo eficiente, confiable y competitiva en costos. Más información en: http://www.iea-shc.org/task48/ SOLAIR: El objetivo de SOLAIR ha sido el promover y aumentar el uso y la implementación de mercado de la energía solar para sistemas de aire acondicionado SAC, (aire acondicionado solar). El proyecto fue enfocado en pequeños y medianos sistemas SAC en los sectores residencial y comercial, que combinan el suministro de agua caliente sanitaria y calefacción con aire acondicionado. El proyecto finalizo en diciembre del 2009.

http://www.iea-shc.org/task48/


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La intención de SOLAIR fue el resolver algunos de los principales obstáculos del mercado, que son el escaso conocimiento sobre la tecnología e instrumentos disponibles en este ámbito y la falta de información homogénea al respecto. Más información en: http://www.solair-project.eu/148.0.html SOLCO: el proyecto inició en enero de 2007 y finalizo en febrero del 2009. El título del proyecto es “Eliminación de las barreras no tecnológicas para la tecnología de frío solar en el sur de las islas europeas.” El proyecto ha sido financiado por el programa Energía Inteligente, se desarrolló en cuatro regiones insulares diferentes europeas: Islas Canarias, Creta, Chipre y Sicilia. Esto confirmo que la disponibilidad de radiación solar en todas las islas del sur de Europa es ideal para la refrigeración solar. También se buscó de la eliminación de las barreras no tecnológicas en un esfuerzo para mejorar la penetración y aceptación de las tecnologías de sistemas solares y sistemas de refrigeración. Más información en: http://www.solcoproject.net/ ALTO COMBI: El proyecto de ALTO COMBI, inicio en junio de 2007 y concluyo el 31 de diciembre del 2011 de título “'calefacción de alta fracción de energía solar y sistemas de refrigeración con la combinación de componentes y métodos innovadores” En el proyecto se realizó la construcción de instalaciones de demostración (en Grecia, Italia, Austria y España), utilizando diferentes tecnologías, componentes y estrategias de control a fin de conseguir altos valores de las fracciones solares. Más información en: http://www.highcombi.eu/ IEA SHC TAREA 38: "Solar Aire Acondicionado y Refrigeración", es una tarea de cuatro años iniciada el 1 de septiembre 2006 y finalizó el 31 de diciembre 2010, por la IEA Solar & Cooling Programme. Con el proyecto se buscó las condiciones para introducir en el mercado residencial los sistemas de refrigeración solar de aire acondicionado. El trabajo se ha logrado a través de actividades enfocadas a la mejora de los componentes y conceptos del sistema. Los participantes trabajaron en las áreas de pre diseño de sistemas para aplicaciones residenciales y pequeños aplicaciones comerciales, a medida los sistemas de grandes edificios no residenciales aplicaciones industriales y de modelos, y análisis y la difusión del mercado. Más información en: http://www.iea-shc.org/task38/index.html SAHC: "Calefacción y Refrigeración Solar asistida", basado en la necesidad de calor de baja temperatura en las industrias de alimentos y bebidas, se buscó integrar a través de las tecnologías de refrigeración y captadores solares térmicos reducir el consumo energético y aprovechar plenamente el potencial solar. Más información en: http://www.sahc.eu/ MEDISCO: proyecto de duración de tres años y finalizo el 2009, se buscó evaluar qué sistemas podrían situarse mejor con la demanda futura de los sectores de la industria alimentaria y la estimación en términos técnicos y económicos. El proyecto se ha dedicado al desarrollo de la tecnología de refrigeración solar de alto rendimiento, con miras a la mejor solución de compromiso hacia el uso de tecnologías innovadoras, ahorro de energía primaria y las cuestiones económicas. Más información en: http://www.medisco.org/ ROCOCO: fue una acción específica con el 6 º Programa Marco de la Comisión Europea, que se centró en la reducción de los costes de los sistemas de refrigeración solar. Finalizó en abril del 2008.

http://www.solair-project.eu/148.0.html

http://www.solcoproject.net/

http://www.highcombi.eu/

http://www.iea-shc.org/task38/index.html

http://www.sahc.eu/

http://www.medisco.org/


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El proyecto ROCOCO tuvo como objetivo el desarrollo competitivo de las tecnologías de aire acondicionado solar frente a los sistemas convencionales por tal de promover activamente la eficiencia energética. Más información en: http://aiguasol.coop/?page=606 KEEPCOOL: El objetivo principal de este proyecto financiado por la UE fue la difusión del conocimiento sobre las estrategias y las tecnologías disponibles de confort en verano el proyecto finalizó en febrero de 2007. Más información en: www.energyagency.at/%28en%29/projekte/keepcool/index.htm PROYECTO CLIMASOL: El proyecto, finalizó en 2004, dirigida al diseño de los edificios para trabajar con refrigeración solar teniendo en cuenta un enfoque integrado de la demanda de refrigeración en edificios del sector terciario. El objetivo final del proyecto CLIMASOL ha sido el reducir la cantidad de energía convencional utilizada para la climatización de edificios. Más información en: http://www.eve.es/ext/climasol/index.htm IEA-SHC TAREA 25: "Aire Acondicionado Solar asistida de los edificios". Este trabajo de la IEA, inicio en 1999 y terminó el 31 de mayo del 2004 y ha sido destinado a mejorar las condiciones para la entrada en el mercado de sistemas solares de refrigeración asistida con el fin de promover una reducción del consumo de energía primaria y las cargas de pico de electricidad debido a la refrigeración. Más información en: http://www.iea-shc.org/task25/ SACE: “Aire acondicionado solar en Europa”. La duración del proyecto fue de 18 meses y finalizó en agosto de 2003, se buscaba un estudio completo del aire acondicionado solar en Europa y fomentar su crecimiento futuro y la integración de los mercados. SACE fue coordinado por la Universidad Técnica Delft (Países Bajos). Más información en: http://www.solair-project.eu/218.0.html

2.2. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO. Lo que se entiende por producción de frío, a un proceso, o conjuntos de procesos, que pueden producir bajas temperaturas de manera controlada. La refrigeración es importante debido a su implicación en diversas actividades como la conservación de productos alimenticios, el mantenimiento de fármacos, el desarrollo adecuado de procesos industriales, el acondicionamiento de viviendas o edificios, entre los usos más comunes.

Existen una gran diversidad de métodos de producción de frío, los cuales en su mayoría están basados en la extracción de calor de un cuerpo o un espacio por medio de un fluido al que llamamos refrigerante, el cual se utiliza, para cambiar su estado de agregación, como puede ser la evaporación, fusión, sublimación, etc. cuyas transiciones se desarrollan a bajas temperaturas, que como consecuencia baja la temperatura del recinto.

Como se mencionó existen muchas formas de lograrlo ya sean por medios naturales y otros artificiales en la Figura 2.1 se puede observar una clasificación detallada de los sistemas de producción de frío.

http://aiguasol.coop/?page=606

http://www.energyagency.at/%28en%29/projekte/keepcool/index.htm

http://www.eve.es/ext/climasol/index.htm

http://www.iea-shc.org/task25/

http://www.solair-project.eu/218.0.html


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Figura 2.1. Sistemas de producción de frío.

Otro de los elementos importantes a considerar sobre el enfriamiento son los niveles de temperatura que es necesario trabajar. Si consideramos a la temperatura ambiente como base. − Enfriamiento: entre 24º C y los 14º C, se pueden conseguir por procesos naturales. − Refrigeración: entre 14º C y los 0º C, cuando comienza a producirse el cambio de estado del agua. − Sub- enfriamiento: operando en el rango de temperatura de 0º C hasta los -15º C, este rango se forma

el hielo. − Congelación: en el rango entre -15º C y los -35º C. Rango que se utiliza para la conservación de

productos. − Sub - congelación: el rango de los -30º C y los -200º C. − Criogenia o muy baja temperatura: alrededor del cero absoluto.

En la Tabla 2.1 se presentan los métodos de producción de frío con pequeño detalle y el nivel de desarrollo que presentan, comparándolos respecto al sistema estándar de compresión mecánica.


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Tabla 2.1. Resumen de los métodos de producción de frío.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO. Según la clasificación de la Figura 2.1 procedemos a desarrollar los sistemas de producción de frío, los clasificamos en métodos basados en procedimientos químicos y físicos. PROCEDIMIENTOS QUÍMICOS. Están basados en el uso de determinadas mezclas y disoluciones que absorben calor del medio que las rodea; se trata de procesos no continuos, de nulo interés y aplicaciones prácticas, sólo aptos para determinados trabajos de laboratorio. PROCEDIMIENTOS FÍSICOS. Se puede conseguir un descenso de temperatura mediante procesos físicos, como la expansión de un fluido en expansores y en válvulas de estrangulamiento, fundamento de las actuales máquinas industriales de producción de frío. En nuestro caso nos centramos en los procedimientos físicos y se desarrolla la clasificación.


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2.2.1. SISTEMAS BASADOS EN EL CAMBIO DE ESTADO DE UNA SUSTANCIA.

En estos sistemas interviene el calor latente del cambio de estado y se puede hacer la siguiente subdivisión: FUSIÓN. Es necesario que esta transición se desarrolle a una temperatura suficientemente baja, en donde interviene el calor latente de fusión. En la antigüedad la producción de frío, se basaba en la utilización del hielo, el cual se recolectaba de manera natural en invierno y se conserva para su utilización posterior. El hielo juega un papel preponderante sobre todo en los países en vías de desarrollo para la conservación de pescados y mariscos, de aves, etc. Donde muchas veces las neveras trabajaban solo con hielo, donde este era colocado en la parte superior y por convección libre el aire con poca densidad se dirigía hacia arriba al tocar el hielo este aumentaba su densidad por lo que el aire frio baja comenzando el ciclo. SUBLIMACIÓN. La sublimación es el cambio del estado sólido al estado vapor, este calor latente es más grande que el de vaporización, debido a que contiene además del calor latente de vaporización el de fusión. Normalmente se utiliza en un sistema abierto bajo presión atmosférica, siendo el refrigerante más utilizado el anhídrido carbónico (CO2), el cual en estado sólido tiene una temperatura de transición de - 78.5º C ( hielo seco). VAPORIZACIÓN. En este método se utiliza el calor latente de evaporación, que por lo general es más grande que el de fusión. Este procedimiento es el más utilizado a nivel industrial, comercial y doméstico. El fluido que se vaporiza para la producción de frío se le conoce como frigorígeno o refrigerante. Pueden haber sistemas de enfriamiento abierto, en donde el vapor resultante de la vaporización no se recupera, sobre todo en los casos en donde el refrigerante no es caro y no presenta problemas de impacto ambiental, como por ejemplo el uso del nitrógeno líquido y refrescar el aire caliente por medio de la vaporización directa del agua en el aire. En el sistema de enfriamiento cerrado, el vapor del refrigerante, generalmente costoso y algunas veces tóxico, se recircula con el objeto de volverlo a licuar para vaporizarlo de nuevo. Este tipo de sistema está formado por un recipiente aislado térmicamente, el cual limita el espacio frío, y en cuyo interior se coloca un intercambiador de calor, en donde se introduce el refrigerante líquido el cual se vaporiza a una temperatura inferior a la temperatura del interior a la que se quiere mantener el espacio. A este intercambiador se le conoce como evaporador. Es posible distinguir dos casos en la vaporización: − Circuito abierto (vaporización directa); en donde el fluido capta el calor de la carga a enfriar y una

vez ha modificado su estado ya no se vuelve a utilizar; este es el caso de algunos transportes que utilizan nitrógeno como medio de producción de frío. Como ejemplo de este tipo mencionamos los sistemas de enfriamiento evaporativos con desecantes que se explica de una forma más detallada en el apartado 2.4.3.

− Circuito cerrado; en que a diferencia del anterior, el fluido se recupera con vistas a ser utilizado en

un proceso cíclico.

Como característica general de estos métodos, hay que hacer un aporte de energía al sistema y utilizar fluidos que vaporicen a baja presión.

Otra clasificación dentro según sea el sistema utilizado para la recogida de vapores, se clasifican como:


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a) MÁQUINAS DE COMPRESIÓN.

Son máquinas di térmicas ya que trabajan a dos niveles de temperatura; son las más utilizadas en el mundo, evolucionan cíclicamente con intercambio de calor entre dos fuentes externas a T1 y T2 donde T2>T1 y con un aporte externo de energía mecánica W al compresor.

La idea fundamental es la evaporación de un líquido a baja presión para absorber calor del medio y luego condensarlo a alta presión para que ceda el calor extraído, el elevar la presión va traer como consecuencia la necesidad de un compresor mecánico que será activado eléctricamente por lo que en términos de energía utilizamos energía eléctrica para producir energía térmica de refrigeración. La gran ventaja de este ciclo es que aprovecha tanto el efecto frigorífico en el evaporador como el efecto calorífico en el condensador puede utilizarse como bomba de calor.

Los compresores son muy importantes en la instalación pueden ser de émbolo o rotativos, con o sin refrigeración intermedia. Los equipos frigoríficos a base de compresores de émbolos y funcionamiento automático, son los que se utilizan casi exclusivamente en los frigoríficos industriales. El compresor tiene una doble función: − Aspiración de los vapores formados en evaporador, debido a que hay que evitar que se acumulen ya

que aumentaría la presión y con esta la temperatura. − Compresión, que es aumento de presión hasta un nivel que permita la condensación.

Figura 2.2. Máquina de compresión mecánica.

Funcionamiento.

Elegido el fluido frigorígeno que circule por nuestro circuito cerrado prosiguen las siguientes transformaciones siguiendo la Figura 2.2:

Compresión (1→2): El fluido en estado gas es comprimido por el compresor llevando a una presión mucho mayor, es un proceso que necesita un aporte de energía mecánica (W). Condensación (2→3): El fluido comprimido se condensa en el condensador el cual cede calor a una fuente de calor externa. Expansión (3→4): Ahora el fluido en estado líquido a alta presión se somete a un proceso de expansión por medio de una válvula de expansión. El fluido disminuye su presión hasta alcanzar la presión del evaporador.


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Evaporación (4→1): Al llegar al evaporador el fluido se evapora y toma una cantidad de calor del local a refrigerar. Luego de la evaporación el fluido recupera unas condiciones para pasar nuevamente al compresor, estas máquinas tienen altos valores de COP en torno de 4,5 a 6. b) MÁQUINAS DE ABSORCIÓN. Respecto de la máquina de absorción se realiza una descripción más detallada de sus componentes, funcionamiento así de sus ventajas e inconvenientes en el capítulo 3. COMPARACIÓN DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN CON UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECÁNICA. Para ambos sistemas el efecto frigorífico se produce por la evaporación de un líquido que entra al evaporador con título cercano a cero (χ≈0) y sale con título igual o superior a la unidad (χ≥1). El volver a obtener un fluido a baja temperatura en fase líquida del vapor que produjo el efecto frigorífico requiere para ambos sistemas la aportación de una energía exterior (como exige el segundo principio termodinámico) y la evacuación al ambiente del calor sobrante por medio del condensador. La principal diferencia es la tecnológica ya que el aporte de energía exterior es energía mecánica en el caso del compresor, y para el conjunto absorbedor/generador que realiza la aspiración y compresión del vapor es energía calorífica a una temperatura elevada. Ciclo de compresión mecánica: Un ciclo de refrigeración por compresión mecánica responde a la Figura 2.3.

Figura 2.3. Funcionamiento de una máquina de compresión

En el ciclo de compresión mecánica el efecto de refrigeración tiene lugar en el evaporador, donde el refrigerante se evapora y absorbe calor del local a enfriar. A continuación, en estado de saturación o ligeramente recalentado (4), es comprimido hasta la presión de operación del condensador. El condensador cede al exterior el calor de condensación producido y finalmente una válvula de expansión lleva al refrigerante desde el estado de líquido saturado (2) hasta la presión del evaporador.


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Ciclo de absorción: Una máquina de refrigeración por absorción sustituye el compresor mecánico por un compresor termoquímico, constituido por dos intercambiadores de calor y masa (el absorbedor y el generador a la presión del evaporador y del condensador respectivamente), una bomba de disolución y una válvula de expansión, tal y como se observa en la Figura 2.4.

Figura 2.4. Funcionamiento de una máquina de absorción.

A continuación realizamos una comparación respecto a algunos puntos importantes: OPERACIÓN. Como ya se mencionó antes entre el ciclo de compresión mecánica y la máquina de absorción reside en la fuente de energía que se emplea para mover el refrigerante desde el evaporador hasta el condensador.

En el caso de la compresión mecánica, la fuente de energía es energía eléctrica que alimenta el compresor. El trabajo mecánico consumido es del orden del calor absorbido en el evaporador. La máquina de absorción es accionada por transferencias de energía en forma de calor (el calor suministrado en el generador para separar el vapor de refrigerante), siendo despreciable el trabajo mecánico que se requiere para elevar la presión de la disolución (en fase líquida) en la bomba. COP. Normalmente los COP’s esperables de los ciclos de absorción son muy bajos comparados con los de los ciclos de compresión mecánica. En máquinas de absorción de una etapa (máquina de simple efecto como la que se plantea en este proyecto), con Bromuro de Litio, no se superan COP’s de 0,7. Para el caso de una máquina de doble efecto el COP puede llegar a 1,33; sin embargo, en grandes equipos de compresión mecánica, se consiguen en la actualidad rendimientos frigoríficos entre 4,5 y 6.

CONSUMOS DE ENERGÍA PRIMARIA. Para caso de que una máquina de absorción si hubieran tenido grandes costes en energía primaria la habrían convertido en una alternativa de producción de frío nada rentable. La razón para que los ciclos de absorción tengan un lugar en el mercado y sigan teniendo actualmente una aplicación práctica es que el coste de producir el trabajo mecánico para obtener un kW de refrigeración por ciclo de compresión mecánica de vapor es normalmente superior al coste necesario para recuperar la cantidad de calor. El coste de la energía básica es el único factor que determina la posible competitividad de los sistemas de absorción frente a los de compresión mecánica.


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Los sistemas de absorción son, por lo tanto más interesantes, económicamente hablando, cuanto más barata es la energía térmica disponible para el accionamiento de las máquinas. Evidentemente, siempre que exista la posibilidad de utilizar energías térmicas desechables, gratuitas, o de muy bajo coste, procedentes de energías renovables como en este caso, la aplicación de sistemas de absorción para la producción frigorífica será competitiva e interesante. Por ello, este tipo de equipos son especialmente útiles para recuperar calor de deshecho, y esta particularidad permite enfocar el problema de aprovechamiento energético desde otro punto de vista. Los sistemas de absorción no solo hacen posible la utilización de energías térmicas que serían evacuadas a la atmósfera de no utilizarse estos sistemas para su recuperación y aprovechamiento, sino que además, al mismo tiempo, evitan el consumo de energías más caras, fósiles o eléctricas, para su utilización en la producción frigorífica. Es decir, de alguna manera, dan lugar a un doble ahorro de energía: − Por la recuperación de energías desechables. − Por la reducción de consumos primarios en la producción de energía eléctrica. IMPACTO AMBIENTAL. Existen diferencias muy significativas entre las máquinas frigoríficas de absorción y las máquinas de compresión mecánica de vapor en cuanto a la influencia de la utilización sobre el medio ambiente. El factor que determina con mayor exactitud la incidencia sobre el medio ambiente de una máquina o proceso, es el TEI, que engloba todos los parámetros de influencia: − ODP (Potencial de destrucción de Ozono). − GWP (Potencial de calentamiento global-Efecto Invernadero) − Consumo de los equipos (COP). − Vida atmosférica. − Carga de los equipos (Refrigerante). − Emisiones de los equipos. En el caso de la maquinaria frigorífica, de todos estos parámetros el de mayor importancia resulta ser el consumo de los equipos, englobando tanto los consumos directos de energía de cada máquina como los de energías primarias y fósiles necesarios para la producción de la energía eléctrica que después se va a consumir en ella, e incluyendo las emisiones de gases invernadero (CO2, fundamentalmente) que van aparejadas con la producción de esta energía. La Agencia Internacional del Medio Ambiente ha determinado que el 98% del TEI de una instalación frigorífica se debe a la emisión de gases invernadero que se originan en la producción de la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. Solo el 2% restante se debe a las emisiones originadas por la propia máquina. El consumo eléctrico de una instalación de absorción es, por término medio, un 7% del correspondiente a un equipo de compresión mecánica. Por otro lado, el equipo de absorción no origina emisiones propias, ya que su interior, por principio, se encuentra en depresión frente a la atmósfera, y que aun en el supuesto de que por una avería se produjera algún vertido o emisión al exterior de sus fluidos interiores, esto no tendría ningún efecto contaminante para el medio, dadas las características de estas sustancias. c) MÁQUINAS DE ADSORCIÓN. También son sistemas de circuito cerrado, en donde los vapores son captados mediante un absorbente sólido. Se explicara mejor tanto la descripción como su funcionamiento en el apartado 2.4.2.


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d) MÁQUINAS DE EYECCIÓN. Donde los vapores son arrastrados por el efecto Venturi que genera el paso de fluido a gran velocidad. Basado en la vaporización de un líquido, normalmente agua a baja presión. Las dos funciones del compresor en las máquinas de compresión ahora se realizan en dispositivos independientes: − La aspiración del vapor producido en evaporador se efectúa mediante el efecto “Venturi” creado por

la expansión de un fluido “motor” en el eyector que es una tobera convergente - divergente, con fuertes velocidades a la salida de este elemento.

− La compresión de los vapores recogidos hasta un nivel que permita su condensación se efectúa por medio de eyector. El aumento de presión se debe a la transformación velocidad – presión, tanto por efecto de la onda de choque (que acompaña al paso de régimen supersónico a subsónico), por causa de un aumento de la sección.

En este sistema no hay aporte de energía mecánica (excepto en los bombeos), siendo la necesaria aportar energía por vía calorífica, del mismo modo que en los sistemas de absorción o adsorción. Se trata de un sistema que trabaja en circuito cerrado, teniendo como componente peculiar el dispositivo encargado de succionar los vapores a baja presión, producidos por el efecto Venturi originando por el paso de un fluido a gran velocidad a través de una tobera.

Figura 2.5. Componentes de una máquina de Eyección.

Funcionamiento. En la Figura 2.6 se puede apreciar las operaciones de un ciclo básico de eyección.

Figura 2.6. Descripción del funcionamiento de la máquina de Eyección.


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Admisión (1→2): el vapor vivo elevada presión y temperatura, se introduce en la tobera convergente – divergente, expansionándose a su paso y alcanzando una velocidad supersónica a la salida. La irrupción de esta corriente origina el efecto Venturi que trae consigo la succión de los vapores generados en evaporador. Mezcla (2+0→3): la unión resultante de las corrientes procedentes de tobera y de evaporador dan como resultado su mezcla. Compresión (3→6): la necesidad de realizar la condensación con ayuda de un agente externo disponible, obliga a elevar la presión de vapor hasta un nivel en que esto sea posible. En estos sistemas la compresión necesaria se consigue con ayuda de dos efectos: − La onda de choque, que será una compresión irreversible producida por el paso de régimen

supersónico – subsónico. − La disminución de la velocidad, conseguida en el difusor, trae como consecuencia un progresivo

aumento de la presión hasta el nivel necesario. Las relaciones de compresión que se obtienen suelen estar en el rango de 6÷8.

Condensación (6→7): la condensación de la mezcla de vapores es un proceso necesario para su reutilización cíclica, y para ello debe sustraerse una potencia calorífica en grado suficiente para asegurar la total licuación del vapor. Dado que el sistema utiliza, en la mayoría de ocasiones, agua como fluido frigorígeno, pueden utilizarse condensadores barométricos (de contacto directo con el agua utilizada como fluido de disipación). Una vez producida la condensación del fluido alimenta tanto el evaporación (7→8) previa laminación, como al generador (7→9) por medio de una estación de bombeo. 2.2.2. SISTEMAS SIN CAMBIO DE ESTADO DE UNA SUSTANCIA. Dentro de esta clasificación encontramos las máquinas Stitling, la máquina de aire y el tubo Vortex. a) MÁQUINAS STIRLING.

Se desarrollaron en el siglo XIX, las maquinas denominadas máquinas de aire caliente, se preveían mucho futuro en torno de ellas debido a que en ese tiempo las máquinas de combustión interna aún no habían aparecido y por otro a que los generadores de vapor eran de funcionamiento peligroso y poco seguro. Las máquinas de Stirling parecían destinadas al éxito puesto que minimizaban los problemas asociados a las máquinas de vapor, sin embargo las turbinas de vapor aumentaron su rendimiento y las máquinas de combustión interna se apoderaron del mercado de automoción, en consecuencia la máquina de Stirling se estancó y desapareció casi totalmente. Se basa en la propiedad de los gases de calentarse durante su compresión y enfriarse en la expansión como puede verse en la Figura 2.7.


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Figura 2.7. Evolución de los gases según los flujos de calor.

Funcionamiento. Las características básicas de funcionamiento son parecidas al de una máquina de combustión externa, con un fluido de trabajo que puede ser el aire a presiones relativamente bajas y que su ciclo está constituido por cuatro transformaciones como puede verse en la Figura 2.8, que son el calentamiento, la expansión, el enfriamiento y la compresión, las cuales serán tratadas con detenimiento así como el diagrama p – V donde pueden seguirse las transformaciones que configuran el ciclo de una maquina generadora Stirling.

Figura 2.8. Transformaciones y Diagrama del ciclo Stirling.

Procedemos a describir las transformaciones según la Figura 2.8: Expansión isoterma (4→1): el pistón de compresión fijo en P.M.S. (posición relativa al regenerador), el pistón de expansión se mueve desde su posición intermedia a la más alejada; durante el movimiento, el gas se expande desde el mínimo al volumen máximo. La transformación tiene lugar de forma isoterma (la fuente caliente sigue adicionando potencia térmica), el volumen aumenta y la presión disminuye. Durante esta fase tiene lugar la producción de potencia motriz útil como máquina generadora. Enfriamiento (3→4): esta fase comporta movimientos de ambos pistones a la derecha, el gas es enfriado a volumen constante a través del regenerador, mientras que el pistón de compresión se mueve en todo su posible recorrido; el calor del gas es almacenado en el para ser recuperado posteriormente. Proceso que se realiza a volumen constante, la temperatura y la presión sufren un descenso.

Fase de compresión isoterma (2→3): con pistón de expansión fijo, el pistón de compresión se mueve desde su posición máxima a intermedia. Se realiza de manera isoterma (se cede potencia a la fuente fría para conseguir el mantenimiento de temperatura); la presión aumenta con el descenso de volumen; evidentemente en esta fase se suministra potencia mecánica desde el exterior.


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Calentamiento a volumen constante (1→2): retorno de los pistones a sus posiciones originales; durante esta fase, los dos pistones se mueven juntos a la izquierda; el gas recupera el calor que fue almacenado anteriormente en la matriz del regenerador. Esta transformación tiene lugar a volumen constante (proceso isócoro). El fluido de trabajo, normalmente aire, recibe potencia térmica desde la fuente caliente, con lo que se produce un aumento de presión y temperatura en el fluido durante esta fase. b) MÁQUINAS DE AIRE.

La utilización del aire como fluido de trabajo, en la instalación de frío, presenta una serie de atractivos tales como su carácter no tóxico y su disponibilidad a precio no competitivo. Sin embargo como contrapunto a estas ventajas, se encuentra la imposibilidad de realizar un ciclo próximo al de Carnot, dada la no viabilidad de transferencia térmica de carácter isotermo, ya que el aire va a mantenerse en fase gaseosa sin cambio de estado.

A pesar de la conservación de fase gas, es posible seguir, si bien ya no un ciclo de Carnot, sino un ciclo “Joule” o “Bell-Coleman”, en el que las transmisiones de calor tienen lugar con transformaciones isóbaras, ver Figura 2.9 una de las imposibilidades cuando se emplee un gas como fluido de trabajo es la dificultad de alcanzar procesos isotermos con transferencia de calor en las transformaciones 2-3 y 4-1, para poder aproximarnos a esto, debería de existir un traspaso de trabajo lo que es difícil de obtener en la práctica.

Figura 2.9. La Máquina de aire y el ciclo de Joule o Bell – Colleman.

Las superficies triangulares comprendidas entre el ciclo y las isotermas correspondientes al final de los procesos isobáricos, representan el exceso de trabajo de la maquina ideal de aire, respecto a un ciclo de Carnot. Mostrando un gran descenso de eficiencia que debe esperarse con la máquina de aire frente a la diatérmica “estándar”. Para comparar esta máquina con las de compresión, consideramos que, en esta última, en una mezcla liquido-vapor la presión y la temperatura tienen una relación directa. Si la presión se reduce parte del líquido vaporiza reduciendo la temperatura sin necesidad de intercambio de trabajo con el exterior. Para el caso del aire, al no existir cambio de estado no hay descenso tan pronunciado, lo que se debe a las pérdidas de fricción el en seno del aire debido a efectos viscosos. Sin embargo se puede obtener algo de trabajo en el proceso de expansión, con lo que en el caso del aire puede dar lugar a un descenso acentuado de la temperatura durante el cambio de presión.


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c) TUBO VORTEX.

El tubo Vortex opera con un principio diferente, es un dispositivo que en ausencia de partes móviles, separa un flujo gaseoso de entrada en dos corrientes; una más fría (respecto a la entrada) y otra más caliente. En la Figura 2.10 se observa que la entrada es tangencial al tubo y la existencia de dos extremos de salida, uno que permite el paso desde la zona central del tubo (corriente fría) y otro que permite el acceso desde la perimetral (corriente caliente), este último un obturador de regulación.

Figura 2.10. El Tubo Vortex.

Funcionamiento.

En el tubo Vortex se genera un gradiente radial de temperaturas por fricción interna y expansión de un gas. En la Figura 2.11 se muestra la configuración interna del dispositivo, en cuya zona central existe una cavidad en espiral a la que accede el gas comprimido. La fricción interna entre las capas de fluido produce un flujo de energía en dirección axial a la periferia cuando se tiende a mantener una velocidad angular constante en toda la sección recta de la cámara.

Estas máquinas tienen unas prestaciones muy bajas con respecto a los ciclos de compresión mecánica.

Figura 2.11. Diagrama de funcionamiento del tubo Vortex.

2.2.3. SISTEMAS ESPECIALES.

Entre ellos describiremos a los sistemas termo-magneto-eléctricos, los sistemas torbellinos y los sistemas que funcionan por el efecto termo-eléctrico.

a) TERMO-MAGNETO-ELÉCTRICO. Según este método, cuando por un conductor circula una corriente eléctrica, en presencia de un campo magnético perpendicular al mismo, el material del conductor se ve afectado por la presencia de un gradiente de temperaturas que se produce en dirección perpendicular a la de los campos, de forma que uno de los extremos del conductor absorbe calor, mientras que el otro lo desprende.


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b) TORBELLINO.

Llamado Efecto de Ranke-Hilsh, cuando una corriente de aire comprimido se inyecta tangencialmente a velocidad sónica en una cámara tubular, se crea un movimiento circular ciclónico, observándose un enfriamiento del aire en la zona cercana al eje del cilindro, fenómeno que es debido a la expansión de este aire y al descenso de temperatura que provoca; el aire situado en la periferia experimenta un calentamiento.

Es un proceso apenas utilizado, restringido al acondicionamiento de equipos y trajes de trabajo en ambientes tóxicos y cálidos. c) EFECTO TERMOELÉCTRICO (EFECTO PELTIER).

La refrigeración termoeléctrica es una tecnología de estado sólido, mediante el cual un voltaje eléctrico crea una diferencia de temperatura en un par de materiales diferentes.

El fundamento del enfriamiento producido por medio del efecto termoeléctrico se debe al paso de una corriente eléctrica en la junta de dos metales diferentes. El efecto termoeléctrico conocido con el nombre de Peltier, está relacionado con las interacciones entre el flujo de calor y el flujo eléctrico en sólidos conductores y semiconductores. Es decir que hay un flujo de calor proporcional a la corriente eléctrica aplicada y depende de las características del material. La refrigeración termoeléctrica es una transferencia de calor que utiliza los cambios de niveles de energía de las cargas eléctricas para transportar energía térmica. La dirección de la corriente determina el fenómeno que ocurre en la junta bimetálica; calentamiento o enfriamiento. El módulo Peltier es una bomba de calor estática, sin gas ni partes móviles, entre la zona fría y la caliente solo están los semiconductores, no existe el complejo circuito cerrado refrigerador, con un sistema de compresión del fluido refrigerante. Una de las ventajas de los sistemas de refrigeración por Peltier es que no se utiliza refrigerante. Los componentes de un sistema de refrigeración por Peltier son los siguientes:

− Celda Peltier: Las placas cerámicas que están dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que

permiten unir los semiconductores eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Por un lado se produce frío y por el otro calor.

− Disipador de calor: se utiliza para eliminar el exceso de calor que se produce en una de las caras de la celda.

− Ventiladores externos: se emplean para aumentar la transferencia de calor entre la cara caliente de la celda y el aire que se encuentra contenido en el termo de la nevera.

− Ventilador interno: se utiliza para aumentar la circulación de aire. − Las principales barreras para la mayor utilización de refrigeración termoeléctrica son su menor

eficiencia comparada con la tecnología de compresión de vapor.

2.3. SISTEMAS DE ENERGÍA SOLAR. Una instalación de energía solar térmica concentra el calor del sol acumulado en unos paneles denominados captadores y lo transmite al fluido caloportador. Por tanto el calor se concentra y transmite desde un sitio a otro, al contrario que las placas fotovoltaicas, que generan corriente eléctrica. Los captadores absorben este calor y lo concentran gracias al efecto invernadero creado en el interior de la placa, por el aislamiento del medio exterior, y a la capacidad de absorción de los cuerpos, fomentado por el tratamiento químico al que se somete ciertas partes de la placa. El calor del fluido que atraviesa el


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serpentín se transmite al agua destinada al consumo que la rodea, aumentando su temperatura en el caso que se utilice captadores para ACS. Para el caso que estudiaremos el calor captado se transfiere para activar térmicamente el generador de nuestra maquina frigorífica. Para el caso de días nublados, se hace uso de un equipo generador auxiliar, generalmente una caldera de gas o gasóleo, para elevar la temperatura los grados que sean necesarios. Todo este proceso está controlado por dispositivos electrónicos que se encarga de automatizar y coordinar la circulación del agua del circuito primario; cuando es necesaria mayor aportación térmica controla la temperatura de los captadores para garantizar la seguridad del sistema. Se han desarrollado diferentes tecnologías a fin de lograr mayores rendimientos a temperaturas altas. De éstas, básicamente dos se pueden considerar adecuadas para suministrar energía a la temperatura necesaria en los sistemas cerrados de aire acondicionado impulsados por energía solar: − Captadores planos: Estos captadores no utilizan ningún mecanismo para seguir la trayectoria del sol.

Son capaces de captar calor a baja y media temperatura.

Pertenecen a este grupo los captadores planos, los captadores de tubos de vacío, y los captadores solares de aire.

− Captadores de concentración. Estos captadores, con seguidores de un eje, son los mismos que se

utilizan en las plantas industriales con procesos de alta temperatura o en las grandes plantas termo eléctrico. Son capaces de alcanzar temperaturas de más de 300º C manteniendo una elevada eficiencia. Pertenecen los captadores cilindros parabólicos y los captadores lineales de fresnel.

Se ha realizado una descripción de los tipos de captadores según la clasificación anterior. 2.3.1. CAPTADORES PLANOS. Este tipo de captadores son los más comunes en aplicaciones de baja y media temperatura de en aplicaciones de captación solar, normalmente utilizados para ACS, calefacción y en nuestro caso para refrigeración.

a) CAPTADORES PLACA PLANA (FPC). Son los captadores más utilizados, es el tipo de captador más sencillo que se utiliza para transformar la energía solar en calor a su vez es una de las tecnologías de captación solar más implementadas y con más años de desarrollo. El fluido que circula por el interior del absorbedor es generalmente agua (a menudo con aditivos anticongelantes), aunque es posible utilizar otros fluidos (e incluso vapor), dependiendo de la aplicación y la temperatura de operación necesaria.

La experiencia ha demostrado que lo más adecuado para conseguir aprovechar la radiación solar para calentar agua o aire a baja y media temperatura es utilizar el captador de placa plana como idea base.


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Figura 2.12. Partes de un captador solar. Un captador de placa plana como se ve en la Figura 2.12 está compuesto por cuatro elementos básicos: 1. Cubierta transparente. Es la encargada de dejar pasar la radiación solar, evitar que el calor emitido por la placa captadora se vaya del sistema y reducir las pérdidas por convección. Se logra el efecto invernadero con una cubierta de vidrio o plástico y de esta forma aumenta la eficiencia del captador.

2. Placa captadora. Tiene por misión absorber de la forma más eficiente posible la radiación solar y transformarla en energía térmica utilizable mediante su transferencia al fluido caloportador (agua, aceite, aire, etc.). Existen diferentes modelos, siendo los más usuales:

− Dos placas metálicas separadas unos milímetros entre las cuales circula el fluido caloportador. − Placa metálica sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los que circula el fluido

caloportador. En lugar de una placa metálica se puede dotar de unas aletas de aluminio a los tubos de cobre.

− Dos láminas de metal unidas a gran presión excepto en los lugares que forman el circuito del fluido caloportador.

− Placas de plásticos, usadas exclusivamente en climatización de piscinas.

3. Aislamiento. La placa captadora está protegida en su parte posterior y lateral por un aislamiento que evita las pérdidas térmicas hacia el exterior. Las características de estos aislantes han de ser: − Resistir altas temperaturas sin deteriorarse, lo que muchas veces se consigue colocando entre la placa

y el aislante, una capa reflectante, que impida que el aislante reciba directamente la radiación. − Desprender pocos vapores al descomponerse por el calor y en caso de ocurrir que no se adhieran a la

cubierta. − No degradarse por el envejecimiento u otro fenómeno a la temperatura habitual de trabajo. − Soportar la humedad que se pueda producir en el interior de los paneles sin perder sus cualidades. − Los materiales más usados son lana de vidrio, espuma rígida de poliuretano y poliestireno expandido.

4. Carcasa o caja. Es la encargada de proteger y soportar los elementos que constituyen el captador solar, además de servir de enlace con el edificio por medio de los soportes. Debe cumplir los siguientes requisitos:


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− Rigidez y resistencia estructural que asegure la estabilidad. Estas cualidades son de suma importancia ya que debe resistir la presión del viento.

− Resistencia de los elementos de fijación: mecánica para los esfuerzos a transmitir, y química para soportar la corrosión.

− Resistencia a la intemperie, a los efectos corrosivos de la atmósfera y a la inestabilidad química debido a las inclemencias del tiempo.

− Aireación del interior del captador para evitar que allí se condense el agua. Se realiza por medio de dos técnicas:

− Vacío en el interior del captador cuando éste está frío, para que la carcasa no esté sometida a una presión muy alta cuando el aire en su interior se caliente.

− Practicar unos orificios en la carcasa para permitir la aireación del captador así como la evacuación de la condensación. Los orificios se localizan en la parte posterior para evitar la entrada del agua de lluvia y la pérdida de aire caliente del interior del captador.

− Evitar toda geometría que permita la acumulación de agua hielo o nieve en el exterior del captador. − Facilitar el desmontaje de la cubierta para poder tener fácil acceso a la placa captadora.

Funcionamiento. Cuando la radiación electromagnética incide en el captador una parte es reflejada por la cubierta transparente, otra parte es absorbida por esta y una tercera parte atraviesa la cubierta.

La parte proporcional de cada una de ellas depende del grosor del material transparente, de la composición, y del ángulo de incidencia del rayo. La cubierta es transparente solo para ciertas longitudes de onda. El vidrio es transparente para longitudes entre 0,3 y 3 mm, resultando opaco para el resto. La mayor parte del espectro visible se encuentra comprendido entre longitudes de 0,3 a 2,4 mm, por lo que la luz solar atraviesa el vidrio sin mayor problema (una pequeña parte e reflejada y otra pequeña parte es absorbida).

Figura 2.13. Funcionamiento de un captador solar.

Así, la radiación emitida por el absorbedor y devuelta hacia el vidrio de la cubierta, es reflejada en un pequeño porcentaje por la superficie interior de este, pero el resto es la absorbida, evitando su salida al exterior. Ahora es el propio vidrio quien se calienta y empieza a emitir también radiación. Aproximadamente la mitad se pierde hacia el exterior, pero el resto retorna hacia el absorbedor, contribuyendo a calentar aún más la superficie del absorbedor. Esto es el llamado efecto invernadero.


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Ciertos plásticos tienen propiedades análogas al vidrio, y pueden igualmente ser utilizados como cubiertas de los captadores. Aparte de producir el efecto invernadero la cubierta transparente modifica las pérdidas térmicas por convección entre el absorbedor y el ambiente exterior, reduciéndolas considerablemente, y actuando como aislante a la pérdida de calor por convección. Los captadores solares se suelen colocar formando lo que se llama un campo de captadores, que es una superficie despejada, tanto plana como inclinada o escalonada, cubierta de captadores. Si el número de captadores es muy reducido, propiamente no existe campo de captadores y entonces éstos se pueden colocar en una terraza, en el jardín, apoyados en una pared, etc., e incluso para necesidades muy pequeñas se venden en forma de kit compacto. Recordemos aquí que los captadores deben situarse de tal forma que no se hagan sombra unos a otros, ni que los árboles, edificios próximos, etc. proyecten a lo largo del día sombras sobre ellos. Los captadores que estén próximos a vías públicas o lugares de paso de gente deben protegerse frente a actos vandálicos (generalmente pedradas). La protección más eficaz es una tela metálica con una malla de (1 a 1 .5 cm) colocada encima de la cubierta transparente y a una cierta distancia de ésta (de 20 a 30 cm generalmente). La pérdida de rendimiento que ocasiona la presencia de la malla es muy pequeña, pero compensa sobradamente los gastos que ocasiona la reparación de la cubierta transparente (generalmente de vidrio) y los posibles deterioros que puede sufrir la superficie captadora al estar expuesta a la intemperie (lluvias, polvo, etc.) sin protección de la cubierta transparente. Modificaciones. En un intento de controlar al máximo las pérdidas, estos captadores incorporan diferentes tecnologías. Absorbedores de superficie selectiva; cabe mencionar que las pérdidas por radiación son uno delos tres mecanismos causantes de las pérdidas en un captador solar. Estas pueden ser controladas mediante el uso de recubrimientos selectivos aplicados sobre el absorbedor. Estos recubrimientos están diseñados para tener la absortividad más alta posible del espectro visible e infrarrojo cercano y la emisividad más baja posible del espectro infrarrojo correspondiente a las temperaturas de operación del captador. Los captadores que utilizan estos recubrimientos se denominan de superficie selectiva y todos los demás, que simplemente están pintados de negro, de superficie no-selectiva. Cubierta simple /doble; barreras de convección. Otro de los mecanismos causante de pérdidas es la convección. Una forma de reducir dichas pérdidas es el uso de una doble cobertura transparente, que acostumbra a ser una película transparente situada en la parte posterior de la cubierta de cristal El mejor material para esta aplicación es el teflón, ya que presenta una elevada transmitancia y gran resistencia al calor. La utilización de aislantes transparentes es otra posibilidad para la fabricación de captadores solares planos estacionarios de alta eficiencia. También cabe mencionar con el objetivo de satisfacer las demandas del mercado, algunos fabricantes suministran captadores planos fácilmente integrables en los edificios. La integración se puede llevar a cabo en diferentes partes del edificio, siendo muy habitual la integración en tejados inclinados y fachadas. Una de las formas de mejorar el aislamiento de los captadores es la utilización del vacío en el interior del captador. Al eliminar la mayor parte del gas del interior del captador, deja de existir el medio material para la transmisión de calor y se eliminan prácticamente las pérdidas térmicas por conducción y convección. Aunque ha habido intentos de aplicar esta idea a los captadores planos, los captadores de vacío son los únicos disponibles comercialmente.


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b) CAPTADORES SOLARES DE AIRE (SAC). Los captadores solares de aire funcionan exactamente igual que los captadores solares planos, pero con la única diferencia de que el fluido caloportador utilizado es el aire y en lugar de bombas se utilizan ventiladores para forzar la circulación. Son adecuados en aplicaciones de climatización solar en las que es necesario calentar el aire, los captadores solares térmicos que utilizan como fluido térmico el aire son una alternativa a considerar, ya que esta tecnología permite obtener prestaciones energéticas similares a la de los captadores de agua principalmente en sistemas abiertos (desecado y refrigeración evaporativa), pero no para sistemas cerrados (basados en enfriadoras térmicas). Funcionamiento. Constan de un absorbedor metálico con tratamiento selectivo en su parte superior. A poca distancia de la parte superior de este absorbedor se encuentra un vidrio transparente que permite el paso de la irradiación solar en el espectro visible y crean el efecto invernadero que permite incrementar la temperatura del interior del mismo. El aire circula a través de unos canales situados debajo de la superficie de absorción. El objeto de estos canales es aumentar el intercambio de calor (sus paredes verticales actúan a modo de aletas de disipación de calor) y mantener un perfil de velocidad de aire uniforme a lo largo de una línea transversal perpendicular a la dirección del aire. Con ello se consigue que la temperatura de salida de todos los canales sea uniforme y se maximiza el rendimiento a los caudales recomendados por el fabricante.

Figura 2.14. Captador solar de aire.

Las principales ventajas de esta tecnología en comparación con los captadores solares planos son: − No presentan problemas de congelación (en invierno) ni de estancamiento (verano). − Los componentes del sistema son más simples que los de un sistema hidráulico. − No hay riesgos de fugas, corrosión ni calcificaciones − No es necesario acumulador ya se utiliza como acumulador de energía el propio edificio. − Permite aprovechar muy bien la irradiación difusa ya que el aire se calienta mucho más rápido que el

agua debido a su baja capacidad calorífica. − Sencillez de construcción y utilización. − Bajo coste.

Desventajas: − No existen sistemas de acumulación estándar en el mercado. − El consumo eléctrico de los ventiladores, a causa de las pérdidas de carga, es mayor que el de las

bombas de un sistema solar convencional equivalente. − El rendimiento de estos captadores es menor que el de los captadores planos.


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c) CAPTADORES SOLARES DE TUBO DE VACÍO (ETC). Su principio de funcionamiento es idéntico al de los de placa plana. La única diferencia consiste en que el vidrio exterior se sustituye por los propios tubos, en el interior de los cuales se ha hecho el vacío. Las tuberías que transportan el fluido se encuentran en el interior de los tubos de vidrio. El vacío impide cualquier transmisión de calor al exterior, lo que explica las altas temperaturas que pueden alcanzar este tipo de instalaciones, con un rendimiento superior al del captador plano convencional debido a que impide las pérdidas de calor. El vacío reduce al máximo las pérdidas de calor. Al eliminar la mayor parte del gas del interior del captador, deja de existir el medio material para la transmisión de calor y se eliminan prácticamente las pérdidas térmicas por conducción y convección. Su geometría tubular es necesaria para soportar la diferencia de presión entre la atmósfera y el vacío del interior aire de su interior llegando a alcanzar presiones en su interior valores del orden 10-3 –10-4 kPa, para obtener de este modo una reducción muy importante de los coeficientes de pérdidas térmicas. En estos captadores el absorbedor, habitualmente de cobre con recubrimiento selectivo, se ubica en el interior del tubo de vacío los tubos presentan el mismo aspecto que un tubo fluorescente tradicional, pero de color oscuro. Los paneles se forman con varios de estos tubos montados en una estructura de peine. Funcionamiento. El absorbedor capta la irradiación solar y la convierte en calor. En la parte inferior del absorbedor se ha soldado un tubo por el cual circula el fluido caloportador. Este fluido puede ser el fluido caloportador que transporta el calor directamente al acumulador de calor (captadores de tubo de vacío directos) o bien una sustancia que se evapora con relativa facilidad y transporta el calor a un condensador situado en el extremo superior del tubo de vacío (captadores de tubo de calor o heat-pipe). La parte externa de este condensador está en contacto con el fluido caloportador que se conduce al acumulador de calor. La aplicación más habitual es la generación de agua caliente para su aprovechamiento en procesos industriales. Así mismo, son apropiados para alimentar las máquinas de absorción existentes en el mercado actual, con el fin de producir frío. Un factor que ha impulsado la evolución de estos captadores es el desarrollo del mercado chino, en el que aproximadamente el 80% de los captadores solares térmicos son captadores de tubo de vacío y que acapara más del 70% del mercado mundial. Ventajas: − Su mayor aislamiento lo que lo hace especialmente adecuados para climas con poca radiación solar

disponible, o para alcanzar temperaturas superiores a los 100° C − Posee un rendimiento superior al del captador plano convencional, y se mantiene más constante ante

variaciones en la temperatura ambiente o en la radiación solar incidente. − Su mayor flexibilidad de colocación, ya que usualmente permite una variación de unos 20º sobre su

inclinación ideal sin pérdida de rendimiento.

Desventajas: − Uno de los problemas más importantes que presentan estos captadores es su alta temperatura de

estancamiento. Ello da lugar a un deterioro importante de juntas, aislamientos etc. Para evitar este fenómeno algunos fabricantes de captadores de tubo de calor han añadido un sistema de protección contra el estancamiento que evita que el vapor alcance el condensador una vez se haya alcanzado la temperatura máxima de consigna.

− La fragilidad de los tubos de vacío y posible rotura en el caso de impactos de granizo.


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− Un coste significativamente mayor con respecto al de placa plana.

Los captadores de tubos de vacío se pueden clasificar en dos grandes grupos:

TUBOS DE FLUJO DIRECTO.

El fluido caloportador fluye por el interior del absorbedor. Esto da lugar a elevados rendimientos debido a la transmisión directa del calor del absorbedor al fluido. Estos captadores básicamente consisten en un conjunto de tubos de cristal. En el interior de cada uno de estos tubos hay una placa plana o curvada de aluminio, que está fijada a un tubo de metal (normalmente cobre) o de cristal, dependiendo de la configuración.

Figura 2.15. Captadores solare de tubo de vacío de flujo directo. Una ventaja de este tipo de captador es que puede ser montado de forma horizontal en zonas con escasas nevadas. En estos casos, para conseguir la inclinación óptima del captador únicamente es necesario girar el tubo. Todo ello da lugar a una reducción importante de los costes de la estructura de soporte así como de instalación. La placa de aluminio está normalmente recubierta con una capa de recubrimiento selectivo tipo Tinox. El fluido caloportador es agua y circula por el interior de los tubos. Existen varios tipos de captadores, según la distribución de sus tubos: − Captadores con impulsión-retorno concéntricos (vidrio-metal): esta solución constructiva

tiene la ventaja de la simetría rotacional. Cada uno de los tubos puede girar fácilmente, permitiendo ajustar el ángulo de inclinación de la aleta de absorción, mientras el captador permanece en posición horizontal.

− Captadores con impulsión-retorno separados (vidrio-metal): este diseño presenta menores problemas de permeabilidad que el precedente. El absorbedor puede ser plano o curvado.

− Captadores tipo Sydney (cristal-cristal): este captador consiste en dos tubos de cristal concéntricos unidos por el extremo. El tubo interior está recubierto por un absorbedor integrado metálico, normalmente hecho de un material selectivo.

Los dos primeros tipos mencionados son muy eficientes a temperaturas de trabajo bajas (aplicaciones con ACS y calefacción), pero pueden sufrir problemas relacionados con la perdida de vacío. Esto se debe principalmente a que el sellado se realiza entre vidrio y metal. Los niveles de expansión térmica de estos dos materiales son diferentes y, después de algunos años expandiéndose y contrayéndose, el sellado puede fallar, con su consiguiente pérdida de estanqueidad. Los tubos vidrio-vidrio, aunque no son tan eficientes como el vidrio-metal, son generalmente más fiables y mucho más baratos. Sin embargo, para algunas aplicaciones de


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refrigeración solar a muy alta temperatura, su rendimiento puede llegar a ser incluso mayor que el de los tubos vidrio-metal. Esto depende de las características técnicas del captador, de la temperatura de trabajo y de la temperatura ambiente. Algunos tubos de vacío incluyen reflectores en la parte posterior de los tubos o en su interior. Los reflectores externos incrementan la radiación recibida por el captador al reconducir hacia el absorbedor la radiación que normalmente pasaría entre las hileras de tubos. Un caso particular de captadores de flujo directo serían los captadores de tipo Sydney donde los reflectores CPC incrementan la irradiación solar efectiva sobre la superficie de absorción. TUBOS TIPO HEAT PIPE.

La transferencia de calor entre el absorbedor y el fluido caloportador se realiza mediante un fluido de trabajo, siguiendo el principio del heat-pipe.

Figura 2.16. Captador solar de tubo de vacío tipo heat- pipe. Los heat pipes están huecos y en su interior se ha realizado el vacío, siendo muy similares a los tubos de flujo directo. En este caso, el objetivo principal de este vacío no es el aislamiento, sino el facilitar el cambio de estado del líquido que hay en su interior. En el interior de cada uno de los tubos hay una pequeña cantidad de agua purificada y algunos aditivos. Gracias a este vacío, el agua es capaz de hervir a bajas temperaturas (típicamente 30º C). Por lo tanto, cuando el heat pipe es calentado por encima de los 30º C, el agua se vaporiza. Este vapor se eleva rápidamente hasta la parte superior transfiriendo su calor en el condensador que está en contacto con el fluido de trabajo del circuito primario. A medida que es cedido este calor, el vapor condensa y regresa en forma de líquido a la parte inferior del tubo por la acción de la gravedad., donde el proceso vuelve a comenzar. La calidad de los materiales y las condiciones de higiene son extremadamente importantes para la fabricación de un heat pipe de calidad. La presencia de impurezas en el interior del heat pipe afectará negativamente a su rendimiento. La pureza del cobre también deberá ser alta, para evitar que contenga oxígeno y otros elementos. Si el cobre contiene demasiado oxígeno, puede liberarse en el interior del tubo, formando bolsas de aire en la parte superior. Esto desplazaría el punto más caliente del heat pipe, alejándolo del condensador y perjudicando el rendimiento del captador. A menudo, los heat pipe tienen un capilar en su interior para facilitar la circulación del fluido. Esto no sería necesario si la superficie interior del tubo de cobre es extremadamente pulida, permitiendo que el fluido regrese a la parte inferior del tubo de forma eficiente.


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El heat pipe tiene dos componentes de cobre, el eje y el condensador. Antes de realizar el vaciado, el eje se suelda al condensador. El condensador tiene un diámetro mucho mayor que el del eje, lo que supone una mayor superficie para realizar la transferencia de calor. Una de las ventajas de los tubos tipo heat pipe respecto de los tubos de flujo directo, es su conexión “seca” entre el absorbedor y la cabecera. Este hecho facilita el proceso de montado. Sin embargo, el captador debe montarse con una inclinación mínima de 25º del tubo respecto a la horizontal, para permitir que el fluido condensado retorne a la parte inferior del tubo.

2.3.2. CAPTADORES SOLARES DE CONCENTRACIÓN. Dentro de ellos hablaremos de los captadores cilindros parabólicos con seguimiento, y los captadores lineales de Fresnel. a) CAPTADORES CILINDRO – PARABÓLICOS. Su funcionamiento e instalación son exactamente iguales a los captadores de placa plana convencionales. Es un diseño especial de los captadores de placa que reduce las pérdidas de calor de un captador solar alcanzando un rendimiento cercano al 50%, consiste en la reducción de la superficie de absorción con respecto a la zona de recogida, ya que las pérdidas de calor son proporcionales a la superficies de absorción y no a la zona de recolección (de apertura). Esto es posible gracias a que las pérdidas de calor son proporcionales al área del absorbedor, pero no a la de captación (apertura). Tal concentración se puede obtener mediante el uso de reflectores que, después de una o más reflexiones, fuerzan la radiación incidente dentro de un cierto ángulo (llamado ángulo de aceptación θ) en la dirección del absorbedor.

𝐶𝑀𝐴𝑋 =𝐴𝐴𝑃𝐸𝑅𝑇𝑈𝑅𝐴𝐴𝐴𝐵𝑆𝑂𝑅𝐶𝐼𝑂𝑁

(2.1)

La concentración de la radiación se puede realizar mediante una óptica donde la relación entre la concentración y el ángulo de aceptación (θ) sea la máxima físicamente posible. Para una geometría de dos dimensiones, dicha concentración de define según (2.2).

𝐶𝑀𝐴𝑋 =1

𝑠𝑖𝑛θ (2.2)

Está claro que para ángulos pequeños de aceptación está relacionada con altos factores de concentración, para un ángulo de cierta aceptación, hay un factor de concentración máxima que puede lograr el captador. En los captadores estacionarios θ debe ser grande y por lo tanto la concentración no puede ser muy elevada. Se puede demostrar que, para un concentrador ideal, si el ángulo de aceptación es igual a 30º, la concentración resultante será de 2.


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Figura 2.17. Funcionamiento de un Captador CPC estacionario.

Estos captadores utilizan una combinación de parábolas para operar en los límites mencionados; sus espejos se fabrican con la forma adecuada para reflejar la radiación incidente sobre el absorbedor. El gran ángulo de aceptación de estos dispositivos les permite aprovechar tanto la radiación directa como la difusa de la misma forma que un captador solar plano como puede verse en la Figura 2.17. Ésta es una característica muy interesante de este tipo de concentradores en comparación con los que requieren de un sistema de seguimiento. Se puede ver en la un modelo de un CPC comercial.

Figura 2.18. Captador CPC estacionario.

Los captadores CPC solares con seguidor se clasifican en función de cómo realizan el seguimiento del sol: − Seguidores de un solo eje con foco lineal, que pueden seguir la trayectoria del sol únicamente a lo

largo de su ángulo de elevación sobre el horizonte. − En los seguidores de dos ejes con foco puntual (discos parabólicos, heliostatos y hornos solares) los

rayos solares son siempre perpendiculares a la superficie del captador. Los sistemas con un foco puntual son utilizados únicamente en aplicaciones que requieran temperaturas superiores a 400º C.

En nuestro caso sólo mencionamos los primeros debido a que la utilidad de los captadores del segundo caso son principalmente en aplicaciones a muy alta temperatura y principalmente en temas de generación. Para los captadores con seguidor de un eje, el más característico es conocido como captador cilindro-parabólico (PTC). Los captadores cilindro-parabólicos son actualmente la tecnología de generación de calor a temperaturas superiores a 400º C es ya madura, y se utilizan en las plantas termoeléctricas o en procesos industriales que requieran calor a alta temperatura. Los reflectores, que tienen una forma parabólica, concentran la radiación solar directa en el receptor situado a lo largo del foco. El receptor consiste en un tubo


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absorbedor con un área, que es normalmente de 25 a 35 veces más pequeña que la abertura. El fluido a calentar circula por el interior del tubo absorbente. Los fluidos de trabajo más habituales son el agua y los aceites térmicos.

Figura 2.19. Captador cilindro parabólico.

Los captadores cilindro-parabólicos tienen un coeficiente de pérdidas térmicas muy bajo y por esta razón son adecuados para aplicaciones a muy alta temperatura. Aunque no utilizan la radiación difusa, hacen un mayor uso de la directa que un captador estacionario, gracias al uso de seguidor solar. Actualmente son varias las compañías que han empezado a comercializar captadores cilindro-parabólicos para rangos de temperatura entre 50º C y 300º C. b) CAPTADORES LINEALES DE FRESNEL. Es un sistema de concentración lineal donde las superficies pueden ser planas o curvas, estando diseñada cada una para reflejar individualmente la radiación solar sobre el receptor, es una tecnología de un solo eje de seguimiento. Este sistema alcanza menores temperaturas al tener un menor grado de libertad de seguimiento solar. Estos captadores permiten obtener temperaturas del orden de 150-200 °C con buenos rendimientos térmicos, que pueden ser de interés para la activación de enfriadoras térmicas de absorción de doble efecto e incluso triple efecto. Una serie de reflectores lineales de Fresnel (LFR) es un sistema de foco en línea similar a los concentradores cilíndrico-parabólicos (CPC) en los que la radiación solar se concentra en un captador lineal invertido elevado mediante una serie de reflectores casi planos como se puede ver en la Figura 2.20. Ventajas: − Bajos costes estructurales de apoyo. − Juntas de fluido fijas. − Receptor separado del sistema reflector. − Largas longitudes de foco que permiten el uso de cristal convencional, los captadores lineales de

Fresnel han atraído una creciente atención.


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Figura 2.20. Captadores lineales de Fresnel.

2.4. ACOPLAMIENTO DE SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO Y ENERGÍA SOLAR.

Una vez detallados los distintos sistemas de producción de frío y los sistemas de captación solar de los apartados anteriores, ahora se busca en el acoplamiento de ambas tecnologías, para ello se busca el introducirnos la importancia y la necesidad de esta nueva tecnología, se presentan datos de trabajos y estudios realizados en el mundo sobre ello, así como una comparación del sistema convencional de compresión mecánica y la máquina de absorción para ver la viabilidad o no de la tecnología.

Posteriormente se realiza un estudio detallado de las diferentes tecnologías que trabajan con este acoplamiento para dar unos criterios de elección de sistema de producción de frío así como del sistema de captación. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO CON ENERGÍA SOLAR. A continuación describiremos todas las tecnologías de producción de frío que pueden trabajar con energía solar aunque se mencionan ocho muchos de ellos sólo se han quedado en fase de prototipos o experimentales, los más importantes son los sistemas de absorción, adsorción y el de sistemas desecativos. Es evidente que hay dos caminos importantes a seguir para la captura de la energía solar, estos son: los captadores solares térmicos o paneles fotovoltaicos para generar electricidad. En la Figura 2.21 se presentas las diferentes tecnologías


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Figura 2.21. Acoplamiento de Tecnologías de refrigeración con la Tecnología de energía solar. Cada tecnología tiene sus costes, aunque el factor común es el recurso solar es gratuito y no varía en el tiempo. 2.4.1. REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN. Los equipos de 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 principal diferencia entre estos ciclos reside en el proceso en el cual dicho fluido se trasvasa desde la zona de baja presión a la zona de alta presión, como ya se comentó. En el capítulo 3, se desarrolla una descripción muy detallada del funcionamiento, de las componentes así de la clasificación. Pero si es importante saber que la distribución de las componentes y el funcionamiento dependen del fluido de trabajo utilizado. Así, los equipos que operan con BrLi/H2O, donde el agua es el refrigerante y normalmente utilizado para climatización, y debido a que operan en niveles de presión muy bajos, junto a la limitación por cristalización de la sal, obliga la superposición de nuevos componentes en el eje de las presiones. Como consecuencia, los ciclos de doble efecto que operan con dicho fluido requieren tres niveles de presión diferentes. Para sistemas de NH3/H2O, con amoniaco como refrigerante utilizados en aplicaciones de refrigeración, al operar con presiones considerables en la configuración de simple efecto, el incremento de eficiencia se dirige a la inclusión de componentes en la dirección de la solubilidad, debido a que dicho par de trabajo tiene miscibilidad total. La mayoría de las máquinas de absorción utilizan agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente. Estas máquinas, según las etapas del proceso, también se pueden clasificar en: − Simple efecto. − Doble efecto

Dentro de los sistemas de simple efecto están las maquinas con BrLi/H2O que necesitan temperaturas de 80 – 110º C con un COP de 0,6 – 0,8; para el caso de las maquinas que trabajan con NH3/H2O necesitan temperaturas de 90 – 110º C y obtienen un COP de 0,6 – 0,7. Puede verse un ejemplo en la Figura 2.22.


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Para las maquinas doble efecto el enfriamiento por unidad de calor puede llegar a mucho mayor frente a un ciclo de simple efecto. El inconveniente es que estos sistemas requieren temperaturas en torno de 130 – 180º C, pero su COP alcanza valores de 0,9-1,3. Aunque estos sistemas no son los más adecuados para su utilización con captadores solares comunes debido a las altas temperaturas de trabajo, puede llegar a ser una opción interesante combinándolos con captadores cilindro-parabólicos o sistemas Fresnel, cabe destacar la necesidad de mantener la temperatura de trabajo elevada, para evitar una disminución brusca del COP. También se pueden hablar de sistemas de triple efecto que pero requieren temperaturas en torno de los 200º C, con un COP de 1,5. El rango de potencia de los equipos se encuentra entre 5 y 5.000 kW, por lo que casi todas las instalaciones que demanden refrigeración entrarán dentro del rango de estas máquinas. El desarrollo de máquinas de menos de 100 kW se ha producido recientemente, como consecuencia de la necesidad de equipar a pequeñas instalaciones de este tipo de tecnología.

Figura 2.22. Máquina de absorción de BrLi/H2O.

Con respecto a una instalación de frío solar, por lo general se integrara en sistema más complejos en el que intervienen diferentes equipos y demandas, el conjunto de elementos o subsistemas que hacen posible el obtener frío con aporte de energía solar. Para el acoplamiento real entre el campo solar y la máquina de absorción, depende de las estrategias de operación de cada uno de los subsistemas, de la operación a carga parcial de los equipos, del comportamiento del depósito de almacenamiento térmico situado entre ellos, de la evolución temporal de la carga refrigerante, y en su caso del depósito de almacenamiento de frío entre máquina de absorción y carga, todo ello además afectado por las pérdidas térmicas desde depósitos y tuberías y los consumos eléctricos para mover los fluidos de trabajo por el sistema. Los equipos de absorción pueden ser considerados como la alternativa actual más ecológica para el aire acondicionado y producción de frío. Todo ello es posible ya que se está consiguiendo una mayor madurez técnica de esta tecnología. Para los sistemas de refrigeración que operan con temperaturas por debajo de unos 110° C existen muchos fabricantes conocidos y nuevos fabricantes que están llevando al mejor desarrollo de esta tecnología esperando que llegue a penetrar en el mercado.


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Con respecto a la tecnología de los captadores solares comunes ya han alcanzado un buen estado de la madurez técnica. En los últimos años han sido desarrollados muchas innovaciones en conceptos de captadores solares que llevan a una mayor seguridad y mejor la eficiencia de captación solar. El uso de captadores solares que trabajen por encima de 130° C que generalmente de un solo eje de seguimiento con concentración óptica sigue siendo un joven la tecnología y todavía no son ampliamente aplicadas. Los subsistemas más importantes en la instalación de refrigeración solar en nuestro caso son: − Sistema de producción de frío. − Sistema de captación o foco de calor. − Sistema de distribución. Otros componentes clave son una unidad de disipación de calor para rechazar el calor residual de la enfriadora y los sistemas de almacenamientos.

Figura 2.23. Acoplamiento de los diferentes sistemas para el sistema de refrigeración solar.

El componente más importante de una instalación de energía solar térmica es el captador solar y es el elemento diferenciador con respecto a una instalación convencional de producción de calor. Existen diferentes tipos de captadores solares, con rendimientos y costes diferentes las posibles alternativas que ofrece el mercado de captadores solares trabajando con la tecnología de absorción son: − Captadores planos de alta eficiencia: son captadores planos convencionales a los que se han

introducido algunas mejoras para incrementar su eficiencia (vidrio con mejores prestaciones ópticas, mejor aislamiento, etc.).

− Captadores de vacío: con el fin de reducir las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio, en los captadores de vacío se elimina el aire. Existen diseños muy diferentes de este tipo de captadores en función de los fabricantes y aplicaciones de destino.

− Captadores cilindro parabólicos (CPC): están compuestos básicamente por un espejo cilindro-parabólico acoplado a un sistema de seguimiento, que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo receptor colocado en la línea focal de la parábola. La radiación solar concentrada produce el calentamiento del fluido que circula por el interior del tubo receptor.

− Captadores Fresnel: el principio de funcionamiento es similar al de los CPCs aunque, en este caso, el receptor parabólico se descompone en varios espejos, cada uno de los cuales realiza el seguimiento de forma independiente, reflejando la radiación sobre un único receptor que permanece estático en la parte superior.


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Para el caso de una máquina de absorción cabe la posibilidad de que pueda ser de simple o doble efecto.

− Simple efecto: lograr un menor coeficiente de rendimiento, que se producen menos de enfriamiento por la cantidad de conducción de calor. Sin embargo, también necesitan una temperatura de conducción baja, típicamente 80-110° C, y así permitir el uso de captadores solares simple, tales como placa plana o captadores de tubos evacuados.

− Doble efecto: las máquinas logran un mayor coeficiente de rendimiento, pero necesitan temperaturas

más altas de conducción, por lo general 130 a 180° C, y por lo tanto requieren de una tecnología de captadores solares más sofisticados, como los sistemas de seguimiento en un solo eje.

En la Tabla 2.2 se puede ver una comparación entre las diferentes tecnologías y las aplicaciones de cada una de ellas.

Tabla 2.2. Comparación entre las máquina de absorción de simple y doble efecto.

Los sistemas de refrigeración mediante energía solar y máquinas de absorción influyen principalmente en la temperatura aunque es muy importante controlar el factor de la humedad, para ello se tendrá en cuenta una unidad de tratamiento de aire en el sistema de distribución. El cual está conectado a la máquina de absorción, en el caso de refrigeración cuando más alta sea la temperatura que entre en el sistema de distribución, más eficiente será el funcionamiento de la máquina de absorción, por lo que las temperaturas optimas son de 7 – 16º C; por lo tanto el punto de diseño se intentara fijar a la mayor temperatura posible y dimensionar los equipos con la óptima potencia, caudales de circulación, intercambiadores, almacenamiento, control y estrategia de funcionamiento. Son una característica de cada edificio y según el tamaño de la instalación y las posibilidades constructivas pueden ser: de suelo radiante, fan – coil, Unidades de tratamiento de aire (UTA), etc. Ventajas: − Utilizan refrigerantes naturales (no utilizan CFC’s ni HCFC’s). − Pueden utilizar diferentes fuentes térmicas de activación: calor residual, termosolar, combustión,

proceso, etc. Utilizan directamente energía primaria (gas o solar). − Flexibilidad de alimentación: vapor, agua caliente o llama directa a gas. − Permiten potenciar la aplicación de tecnologías de ahorro energético al complementarse con la

cogeneración y renovables como los captadores solares térmicos. − Silenciosa. Únicas partes móviles bombas de solución y refrigerante.


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− Menor mantenimiento, aunque éste debe ser muy especializado. − Tecnología ampliamente conocida y desarrollada. Utilizada en todo tipo de aplicaciones

(refrigeración y aire acondicionado) y en diferentes sectores (industrial y de servicios). − Disponible comercialmente en toda la gama de potencias. Desventajas: − El funcionamiento del sistema requiere de temperaturas altas en el generador (80º C a 110º C). − El COP es bajo si se compara con otras tecnologías (oscila entre 0.6 – 0.75 en máquinas de simple

efecto). − Alto coste económico del sistema. − Precisa un sistema de evacuación de calor (torre de refrigeración). − Requiere presiones bajas para su funcionamiento (presiones cercanas al vacío) y el mantenimiento de

estas condiciones es complicado. 2.4.2. REFRIGERACIÓN POR ADSORCIÓN. Un sistema de adsorción movido con energía solar es un sistema cerrado que tiene dos fases en la etapa de refrigeración:

− Refrigeración / adsorción. − Refrigeración / desorción.

En este sistema el refrigerante es evaporado en el generador (o evaporador) y adsorbido por una sustancia sólida con una elevada capacidad microscópica. En el proceso de regeneración el adsorbedor se calienta hasta que el refrigerante se separe, volviendo en ese momento al evaporador (que actúa como condensador). Descripción. La refrigeración por adsorción se basa en el fenómeno por el cual un cuerpo sólido de adsorción, bajo la liberación de una determinada cantidad de energía en forma de calor, adsorbe o atrapa en su superficie una cantidad de materia gaseosa. Este material sólido adsorbe el refrigerante, a la vez que libera el refrigerante bajo la entrada de calor. En las máquinas de adsorción para aire acondicionado y refrigeración, en vez de un absorbente líquido se utiliza un adsorbente sólido. Los sólidos microporosos tienen la capacidad de adsorber reversiblemente gases. Esta propiedad permite el establecimiento de ciclos alternativos de adsorción-desorción. En los sólidos porosos la adsorción es mayor debido al aumento de la superficie expuesta. En algunos casos, los átomos del material que se adsorbe comparten electrones con los átomos de la superficie sólida adsorbente, formando una capa fina de compuesto químico. La adsorción es también una parte importante de la catálisis y otros procesos químicos. El rango de potencia de los equipos que utilizan la tecnología de adsorción se encuentra entre 50 y 430 kW lo cual permite su uso en muchas ocasiones, aunque su instalación en paralelo hace que se pueda suministrar refrigeración en instalaciones de mayor demanda. Los COP´s de estos equipos están entre 0,5 y 0,7, y los rangos de temperatura para introducir en el sistema (a aportar por la instalación solar) entre 60 y 90º C. Todo ello permite utilizar estos sistemas en muchas ocasiones y acoplar buena parte de los sistemas solares, ya que una instalación de captadores planos conectados en serie, puede suministrar perfectamente


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la temperatura del agua requerida. De igual forma se podrán utilizar sistemas solares térmicos con captadores de vacío.

En contra, el COP bajo de estas instalaciones y la falta de fabricantes, convierten a estos sistemas en poco rentables y caros.

Figura 2.24. Descripción de una máquina de adsorción trabajando con un sistema solar de captación.

Funcionamiento. Los sistemas de adsorción tienen una o más unidades cámaras de adsorción donde se acumulará el material adsorbente. Además de estas cámaras disponen de un evaporador y un condensador que se conectan a fuentes de calor intermedio. El ciclo en la cámara se desarrolla en cuatro etapas:

1. Calentamiento e incremento de presión. En este periodo, la cámara de adsorción, donde se acumula el material adsorbente, permanece estanca mientras se introduce energía que procede del sistema solar. De esta forma se consigue que la temperatura del adsorbente aumente y al permanecer estanca aumenta su presión con respecto a las otras dos partes del sistema: el condensador y el evaporador. Este proceso de incremento de presión es análogo a la compresión en los sistemas de refrigeración mecánica por bomba de calor.

2. Calentamiento y desorción. En esta etapa, el paso de la cámara de adsorción con el condensador se abre, de manera que la presión de trabajo se mantiene constante mientras, como consecuencia de mantener el aporte de energía solar térmica, la temperatura del adsorbente aumenta, produciéndose la desorción, es decir, la separación del agua del material sólido. Como consecuencia de la desorción, se produce la condensación del vapor y por tanto una cesión de calor en el sistema, que se transfiere al agua de refrigeración de la fuente de temperatura media. Esta transferencia es necesaria para permitir que siga produciéndose la condensación.

3. Enfriamiento y despresurización. En esta etapa, en la que la cámara de adsorción permanece cerrada, el adsorbente se enfría como consecuencia de que ya no recibe energía solar térmica y se sigue refrigerando. Esta bajada de temperatura genera una disminución de la presión, de manera que es el evaporador el que impone su presión de trabajo. Esta etapa es equivalente a la expansión en el ciclo de compresión mecánica.

4. Enfriamiento y adsorción. Por último, en la cuarta etapa se abre la válvula que conecta la cámara con el evaporador, produciéndose una cesión de energía desde la primera hacia el evaporador. La disminución progresiva de la temperatura y la presión que se consigue en esta etapa produce la


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adsorción del vapor generado en el evaporador, de manera que se permite evaporar una mayor cantidad de fluido. Esa evaporación adsorbe una cantidad de energía que es suministrada por la fuente de temperatura a baja temperatura que es el líquido a enfriar.

Figura 2.25. Esquema de una enfriadora de adsorción.

Este sistema, que es análogo a la refrigeración por compresión mecánica convencional presenta el problema de generar frío sólo en la cuarta etapa de un proceso no continuo, a diferencia de los sistemas de compresión. Esto hace que la generación de calor sólo se produzca en una etapa de cuatro, y por tanto no sea una generación de frío continuada. El desarrollo de estos sistemas, abandonados durante mucho tiempo por la evolución de los sistemas de compresión mecánica, está permitiendo desarrollar sistemas que generan frío de forma continua como consecuencia de operar varias cámaras desfasadamente. En cuanto al adsorbente más extendido, éste es el silica gel ya que tiene una temperatura de regeneración sensiblemente menor a la de otros materiales por lo que los requisitos de temperatura son fácilmente alcanzables por el sistema de energía solar. Como sorbato se utiliza el agua ya que es un elemento con alta entalpía de vaporización, disponible e inocuo. La obtención de sistemas autónomos capaces de producir eficientemente frío solar por adsorción requiere el diseño y la optimización de todos los elementos involucrados en este proceso: los subsistemas de captación, generación, condensación, evaporación, refrigeración y regulación. La mejora del proceso de producción de frío solar por adsorción, se puede conseguir a través de dos caminos: la utilización de sistemas de captación selectivos con concentración que trabajan en vacío, y la selección de carbones activos más eficientes. Ventajas: − Las temperaturas de operación del generador pueden ser más bajas: de 60º C a 90º C, por lo que hace

posible uso de captadores placa plana. − No se necesita bomba para la solución interna, con lo que el consumo eléctrico es mínimo. − Simplicidad mecánica de las máquinas frigoríficas de adsorción y su consecuente robustez − El COP de la máquina no es tan dependiente de la temperatura del agua del generador o del agua de

refrigeración.

Inconvenientes: − Volumen y peso comparativamente elevado. − Puesto que la producción de las máquinas frigoríficas de adsorción es pequeña, su precio es

actualmente elevado.


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− El COP promedio de un equipo de adsorción es menor que el de uno de absorción. Hasta la fecha, sólo producen enfriadoras de adsorción unos pocos fabricantes en Japón, China y Alemania. Las máquinas con mayor penetración en el mercado son las de los fabricantes japoneses Nishiodo y Maekawa. Cabe mencionar algunos fabricantes en Europa como SorTech, InvenSor de Alemania así como la empresa Solution Solartechnik GmbH de Austria. 2.4.3. SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA CON DESECANTE. Este tipo de sistemas toman aire, lo deshumidifican con un desecante sólido o líquido, lo enfrían quitándole el calor sensible y lo re-humidifican poniendo en contacto con agua, hasta obtener un aire con el grado de humedad y temperatura necesarios para climatizar el espacio. El ciclo estándar que se aplica es el de ruedas desecantes, equipadas con material de sorción como gel de sílice o cloruro de litio. Todos los componentes necesarios son estándares y se vienen usando desde hace muchos años en aplicaciones de aire acondicionado y de secado de aire para edificios o fábricas. Los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante tienen un gran interés en edificios situados en zonas húmedas o en los que la humedad relativa, por la actividad realizada sea alta, en los que la carga de calor latente para el acondicionamiento de aire se puede reducir usando sustancias que presentan gran avidez por el vapor de agua y que, por tanto, desecan el aire. En los climas cálidos y húmedos, la mayor carga deshumidificadora sobre la rueda requiere una mayor temperatura de regeneración. En este caso, si se quiere trabajar con temperaturas de regeneración moderadas, puede ser más ventajoso dedicar el desecante a combatir preferentemente la carga latente local, dejando la carga sensible a un sistema convencional que funcionaría en mejores condiciones al no tener que combatir carga latente, o al menos, hacerlo en mucha menor proporción. Es limitado en climas templados, ya que la posible deshumidificación no es lo suficientemente alta como para permitir la refrigeración evaporativa del aire de suministro en condiciones de valores mucho más altos de humedad que el aire ambiente. Normalmente la deshumidificación se consigue mediante un rotor que contiene material desecante (gel de silicio o cloruro de litio), pero ahora cada vez se aplican más procedimientos con desecantes líquidos (cloruro de litio). Funcionamiento. El aire es una mezcla de diferentes gases y vapor de agua. El cambio de estado del aire puede ser consecuencia de la transferencia de calor sensible al calentar o refrigerar y la transferencia de calor latente a causa de la humidificación o la deshumidificación. Durante la humidificación del aire, las gotas de agua dispersas en el aire se transforman en moléculas de vapor de agua con asistencia de la energía interna del aire. Por lo tanto, el aire se enfría. Este tipo de refrigeración natural es muy eficiente, aunque tiene el efecto secundario de aumentar el contenido de humedad del aire y su humedad relativa, que puede exceder los niveles El proceso de refrigeración evaporativa se hace a entalpía constante. La temperatura del aire cae, pero al mismo tiempo aumentan el contenido de humedad de aire (x) y la humedad relativa (φ).adecuados, definidos mediante el confort térmico. La deshumidificación se realiza a través por las secantes poniendo en contacto la corriente de aire húmedo con un agente desecante, que provoca la migración de la humedad, por absorción o adsorción, hacia el desecante.


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La deshumidificación del aire con desecantes ocurre cuando la presión de vapor de la superficie del desecante es inferior a la del aire ambiente. En la Figura 2.26 se observa que cuando la presión del vapor de agua en la superficie del desecante es más baja que en el aire entonces el desecante absorbe vapor de agua del aire. Cuando el vapor de agua es absorbido la presión de vapor en el desecante se incrementa hasta experimentar el equilibrio. Este se logra cuando la presión de vapor en el desecante como en el aire son iguales. Para poder reusar el desecante es necesario regenerarlo, es decir, quitarle la humedad. Se logra la regeneración del desecante calentándolo para que incremente su presión de vapor, seguida por el contacto con una corriente de aire que tiene una presión de vapor de agua más baja.

Figura 2.26. Presión de vapor enfrentado con la temperatura y/o contenido de agua.

Deshumidificación por desecantes y sistemas de energía solar. Un desecante es una sustancia química que tiene una gran afinidad por la humedad, es decir, es capaz de extraer o liberar vapor de agua del aire, en cantidades relativamente grandes con relación a su peso y volumen. El proceso físico que permite la retención o liberación de la humedad es la diferencia en la presión de vapor entre la superficie del desecante y el aire ambiente. En los sistemas de refrigeración convencionales el aire se deshumidifica mediante el enfriamiento por debajo del punto de rocío, que resulta en la condensación del vapor de agua. La segunda opción para secar el aire es usar materiales especiales con capacidad de eliminar por sorción las moléculas de vapor de agua del aire. Estos materiales son por ejemplo gel de sílice o cloruro de litio. El primero es sólido, el segundo es líquido; en cualquier caso, el cloruro de litio también se emplea en estructuras impregnadas, en forma de unidades compactas de sorción. Un efecto secundario de este proceso es un aumento de la temperatura del aire y la humidificación del material, que absorbe el vapor de agua del aire. Al calentar el material de sorción por encima de 60 a 70° C se libera vapor de agua y puede repetirse el proceso. En sistemas de refrigeración solar evaporativos con rueda desecante, este calor de regeneración se obtiene mediante un captador solar térmico. Clasificación según los sorbentes. a) REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA CON SORBENTE SÓLIDO Y

DESHUMIDIFICADORES ROTATIVOS. Los adsorbentes son materiales sólidos con una gran área de superficie por unidad de masa los adsorbentes atraen la humedad debido al campo eléctrico en la superficie del desecante. Este campo no es


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uniforme en su fuerza o carga, así atrae las moléculas de agua que tienen una carga neta opuesta sobre sitios específicos de la superficie del desecante. La tecnología más extendida es la de ruedas desecantes rotativas, utilizando como material sorbente silica gel los elementos desecantes convencionales son el silica gel, la alúmina, las sales de cloruro de litio y el cedazo molecular.

El método de las ruedas desecantes consiste en hacer pasar la corriente de aire a tratar a través de un contenedor de material adsorbente de elevada afinidad por el vapor de agua como se puede ver en la Figura 2.27. En este tránsito, el vapor de agua queda adsorbido en el desecante sólido y el aire aumenta su temperatura por la energía liberada en la adsorción.

Figura 2.27. Esquema de un sistema evaporativo con rueda desecante (DEC), usando sorción rotativa y ruedas

de recuperación de calor. Un sistema de acondicionamiento por deshumidificación está conformado principalmente por una rueda con una sustancia que remueve la humedad por adsorción o absorción, una rueda recuperadora de calor o un intercambiador compacto, un par de humidificadores y un calentador de aire. En estos sistemas, la deshumidificación se lleva a cabo en un equipo rotatorio con un lecho desecante. El equipo tiene forma de rueda y sólo una parte de ella se utiliza para deshumidificar, mientras que el resto se utiliza para regenerar el lecho, permitiendo así una operación en forma continua. Para llegar a una pureza y humedad adecuadas del aire, los sistemas que utilizan ruedas deshumidificadores presentan menores costos de operación, mantenimiento e inversión respecto a los sistemas convencionales, principalmente por la presencia de compresores que incrementan la demanda de energía eléctrica. El acoplamiento de la energía solar con un sistema de enfriamiento desecativo puede verse en la Figura 2.28. El aire entra a la rueda deshumidificadora directamente de la atmósfera, donde se le reducirá la humedad causando un aumento de la temperatura, tanto por la pérdida de humedad como por la liberación del calor de adsorción.


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Figura 2.28. Esquema de un sistema de refrigeración evaporativa con desecante aplicando la energía solar.

Los sucesivos procesos que se producen en el sistema de refrigeración evaporativa con desecante se detallan a continuación: 1-2: deshumidificación por sorción del aire de entrada; el proceso es casi adiabático y el aire se calienta por acción del calor de la adsorción, liberado en la matriz de la rueda de porción. 2-3: pre enfriamiento del suministro de aire en el contraflujo hasta el aire expulsado del edificio. 3-4: refrigeración evaporativa del suministro de aire hasta la humedad deseada mediante un humidificador. 4-5: el serpentín de calentamiento es usado sólo en la estación de calentamiento para precalentar el aire. 5-6: pequeño aumento de la temperatura, causado por el ventilador. 6-7: aumento de la temperatura y humedad del suministro de aire, a causa de las cargas internas. 7-8: el aire expulsado del edificio se enfría usando el enfriamiento evaporativo cercano a la línea de saturación. 8-9: el aire expulsado se precalienta en el contraflujo hacia el suministro de aire por medio de un intercambiador de calor aire-aire de alta eficiencia, por ejemplo una rueda de recuperación de calor. 9-10: la regeneración de calor se provee por ejemplo a través de un sistema de captador solar. 10-11: el aire caliente desorbe el agua de los poros del material desecante de la rueda deshumidificadora. 11-12: el aire de extracción se expulsa hacia el ambiente por medio de ventilador de expulsión de aire.

b) REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA CON SORBENTE LÍQUIDO. Un nuevo avance, que próximamente se introducirá en el mercado, son los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante donde la sustancia de sorción es una solución líquida, los desecantes líquidos son substancias higroscópicas que tienen como característica principal una baja presión de vapor. Los desecantes líquidos comúnmente usados son las soluciones acuosas de: bromuro de litio, cloruro de litio, cloruro de calcio, mezclas de esas soluciones y trietilenglicol. Este tipo de sistemas presenta varias ventajas como, por ejemplo, mayor deshumidificación del aire con la misma gama de temperatura de foco caliente que los sistemas de refrigeración con desecante sólido. También tienen mayor capacidad de almacenar energía almacenando solución concentrada.


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Esta tecnología es una opción futura prometedora para incrementar la utilización de sistemas térmicos solares en el sector del aire acondicionado. Esta tecnología todavía no está en el mercado pero pronto lo estará; se están llevando a cabo varios proyectos demostrativos para probar la aplicabilidad de esta tecnología de aire acondicionado de generación solar. A día de hoy, existe muy poca investigación realizada sobre los sistemas de enfriamiento que usan desecantes líquidos. La Figura 2.29 muestra un posible esquema general de un sistema de enfriamiento de líquido desecante.

Figura 2.29. Esquema de un sistema de refrigeración desecante líquido.

El suministro de aire se deshumidifica en una zona especial de rocío configurada en el absorbente, donde una solución de sal concentrada es diluida por la humedad del suministro de aire. La eficacia de proceso aumenta por el rechazo del calor de sorción, por ejemplo, mediante la refrigeración evaporativa indirecta del aire devuelto y la recuperación de calor. Si es necesario, puede aplicarse una refrigeración evaporativa del suministro de aire. En un regenerador, el calor, por ejemplo de un captador solar, se aplica para concentrar de nuevo la solución. La solución concentrada y diluida puede ser almacenada en altos almacenajes de energía, permitiendo así una separación entre la refrigeración y la regeneración hasta un cierto punto. En general, los sistemas desecantes de refrigeración son una opción interesante si se usan sistemas de ventilación centralizados. En lugares con altas cargas de refrigeración latentes y sensibles, el proceso de aire acondicionado puede ser dividido en deshumidificación mediante proceso desecante de ciclo abierto y un sistema adicional de agua refrigerada para mantener las cargas sensibles mediante, por ejemplo, techos enfriados con temperatura de agua refrigerada relativamente alta, para aumentar la eficacia de la producción de agua enfriada. La temperatura para regenerar el material desecante es relativamente baja, desde los 50º C a los 75º C, el COP del sistema se encuentra entre 0,5 y 1, incluso se pueden encontrar valores por encima de 1 en máquinas con materiales de sorción líquida. Hasta la fecha, los equipos de refrigeración por desecantes disponibles han sido considerados muy caros comparados con los equipos de refrigeración mecánica. Ventajas: − En estos sistemas, los componentes necesarios son estándares. − Trata por separado la carga latente y sensible, hecho que permite un control muy preciso de las

condiciones de confort.


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− Esta tecnología es óptima para el aprovechamiento solar, tanto con captadores planos de agua como de aire.

Inconvenientes: − Este tipo de sistemas requieren de la instalación de conductos para la entrada y salida del aire

exterior. − Requisito climático estricto para la correcta operación de los sistemas desecantes, la humedad

absoluta este por encima de los 10-11 g/kg de aire, normalmente ciudades costeras. Podría ser una posibilidad para el futuro como se valora su aplicación a partir del 2015, Carrera et al. (2011), ya que aún es un mercado muy inmaduro y su aplicación tiene cabida sólo en el sector terciario por la necesidad de implementar sistemas de forma integrada con los sistemas de ventilación y climatización centralizada. 2.4.4. SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLO EYECCIÓN. El sistema de refrigeración se ha utilizado ampliamente en grandes sistemas donde hay que mover grandes volúmenes de aire y mantener la hermeticidad ambiente, como en el caso de las grandes instalaciones de pulpa y de papel. Como instalación de refrigeración solar puede verse en la Figura 2.30 se ve un esquema simplificado. En la inyección de alta velocidad se produce una aspiración desde el evaporador de baja presión. El vapor para llegar a ese estado debe tomar calor del agua que se pulveriza. El agua así se enfría, el agua enfriada vuelve al evaporador con algunos grados más y se vuelve a utilizar. La parte de vapor de agua que se mezcla en la tobera, fluye a gran velocidad y transforma su energía cinética en presión y con ello debe conseguir la condensación de esta agua fría, por lo que la presión debe ser alta. El condensado es devuelto al evaporador para formar parte del ciclo. Las principales barreras para la adopción de la tecnología de refrigeración de expulsión son un COP inferior a 0,2‐0,3, en comparación con los sistemas de compresión de vapor y otras tecnologías, falta de disponibilidad de los sistemas para facilitar la selección para aplicaciones concretas y la falta de datos de rendimiento de las aplicaciones comerciales para proporcionar la confianza en la aplicación de la tecnología. Actualmente hay varios intentos por mejorar el rendimiento energético de sistemas de refrigeración solar, impulsados por eyección de una o de múltiples etapas eyectores o sistema híbrido donde la tecnología del eyector se combina con otras tecnologías de refrigeración solar.

Figura 2.30. Sistema de compresión de vapor por eyección con energía solar.


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Desventajas: − Un valor de un COP muy pequeño 0,2-0,3. − Existen datos de algunos experimentos pero utilizando un ciclo hibrido con el sistema de eyección. 2.4.5. SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CON SISTEMAS STIRLING. El sistema está indicado para aplicaciones que precisen bajas o muy bajas temperaturas, el principio de un sistema Stirling se basa en la propiedad de los gases de calentarse durante la compresión y enfriarse en la expansión, todo ello variando el volumen de un cilindro todo ello sin cambio de fase. El calor necesario para el motor Stirling debe ser de alta calidad en torno de los 600º C, lo cual implica la necesidad de contar con captadores solares de altísima calidad. Este sistema es el de mayor rendimiento (cerca de los 30 %) pero el problema es el coste del sistema Stirling, lo hace inviable. Desventajas: − Es necesario altas temperaturas orden de los 600º C para calentamiento de gases. − Elevado coste del sistema. − No hay ninguna instalación práctica de refrigeración solar. 2.4.6. SISTEMAS RANKINE – DÚPLEX. El sistema aunque sólo realizado de forma práctica, se considera un modelo demostrativo y adecuado en emplazamientos con alta radiación y altas demandas de refrigeración. El ciclo Rankine utiliza vapor de alta temperatura como fluido que mueve una turbina en un ciclo de potencia. Esa turbina a su vez mueve un compresor para el ciclo refrigerador. El fluido de cada uno de los ciclos puede ser diferente. El rendimiento global es del orden del 10%, por lo que, unido a su complejidad, debe ser aplicado a grandes sistemas de refrigeración. Una comparación de costos muestra que los sistemas Rankine dúplex hacen que sean dos o tres veces más caros en comparación con las opciones de absorción. Un esquema posible de los primeros propuestos en 1975 se presenta en la Figura 2.39. Desventajas:

− Un rendimiento muy bajo. − Excesiva complejidad. − Mayores costos.


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Figura 2.31. Sistema Rankine-Duplex con energía solar.

2.4.7. SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR CÉLULAS TERMOELÉCTRICAS.

El sistema de refrigeración con células Peltier puede aplicarse para pequeñas aplicaciones. Actualmente se utilizan para pequeñas neveras. El frio se obtiene haciendo pasar corriente eléctrica a través de un circuito o dispositivo electrónico con diferentes uniones metálicas de ciertos elementos semiconductores. El fenómeno se conoce como Seebeck inverso. En este caso la energía solar interviene a través de los paneles fotovoltaicos, es decir transforman la energía del sol en electricidad.

Los componentes de un sistema de refrigeración por Peltier con energía solar son los siguientes: − Tarjeta electrónica: está conectada a las placas solares y es la encargada de proporcionar energía a la

celda Peltier y a los ventiladores. − Celda Peltier: las placas cerámicas que están dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que

permiten unir los semiconductores eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Por un lado se produce frío y por el otro, calor.

− Disipador de calor: se utiliza para eliminar el exceso de calor que se produce en una de las caras de la celda.

− Ventiladores externos: se emplean para aumentar la transferencia de calor entre la cara caliente de la celda y el aire, en este caso, para refrigerar.

− Disipador del lado frío: transfiere el frío que se produce en una de las caras de la celda disipándolo al aire que se encuentra contenido en el termo de la nevera.

− Ventilador interno: se utiliza para aumentar la circulación de aire dentro de la nevera, básicamente para refrescar.


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Figura 2.32. Efecto Peltier.

Desventajas: Este sistema de refrigeración es muy costoso y su uso se limita a aplicaciones de muy bajas potencias de refrigeración, por lo que no está muy extendido.

2.4.8. REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECÁNICA. Este sistema se compone por un sistema de compresión mecánica y un sistema fotovoltaico. Aunque este sistema sigue siendo muy caro, debido al coste de inversión en los sistemas solares fotovoltaicos y por el bajo rendimiento de la fotovoltaica.

Figura 2.33. Refrigeración utilizando compresión mecánica.

En el diagrama de la Figura 2.33 se representa el ciclo teórico de producción de frío solar mediante compresión mecánica; sin embargo, a día de hoy no se conoce ningún ejemplo de aplicación de esta tecnología para la obtención de frío a partir del sol.

De todas formas, es un sistema efectivo y simple para zonas sin una red eléctrica y con necesidades de refrigeración. El caso concreto de almacén para vacunas en zonas aisladas o en conflictos. Estos sistemas pueden trabajar entre temperaturas de 0 – 8º C, aunque los precios comerciales son superiores a los 2000-5000 €.


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ELECCIÓN DE SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO. Una posibilidad de elección de las tecnologías de refrigeración solar puede ser la temperatura del agua de del sistema de distribución según el tipo de aplicación Varios ciclos suelen operar con agua como fluido de trabajo, por lo cual, es imposible de alcanzar temperaturas inferiores a 0° C en algunos ciclos. Se pueden aplicar, el ciclo de compresión o el ciclo Perliter, ciclo de absorción con NH3/H2O, las aplicaciones que requieren temperaturas inferiores a 0° C por lo general requieren pequeños volúmenes de almacenamiento, por ejemplo, cajas, la congelación. Para el caso de la necesidad de temperaturas superiores a los 0º C, como en climatización son adecuados los ciclos de absorción BrLi/H2O, ciclos de adsorción, ciclos desecantes. En nuestro caso presentamos las ventajas e inconvenientes de los sistemas de producción de frio con energía solar más importantes que a su vez son tecnologías utilizadas hoy en día. ABSORCIÓN. Ventajas: − Disminuye considerablemente el consumo eléctrico de las instalaciones de climatización. − Es la tecnología que presenta un mayor desarrollo actualmente. − Funcionamiento continúo con pocas interrupciones de la producción debido a la inexistencia de

elementos móviles que requieren un mantenimiento preventivo periódico.

Desventajas: − El funcionamiento del sistema requiere de temperaturas altas en el generador (80º C a 110º C). − El COP es bajo si se compara con otras tecnologías (oscila entre 0.6 – 0.75 en máquinas de simple

efecto). − Alto coste económico del sistema. − Precisa un sistema de evacuación de calor (torre de refrigeración). − Requiere presiones bajas para su funcionamiento (presiones cercanas al vacío) y el mantenimiento de

estas condiciones es complicado.

ADSORCIÓN. Ventajas:

− El funcionamiento del sistema requiere temperaturas no muy altas (60º C a 90º C). − Máquinas de construcción simple y robusta que presentan pocos problemas de mantenimiento. − No existe ningún límite inferior en la temperatura del agua de refrigeración ya que no hay peligro de

cristalización − El COP de la máquina no es tan dependiente de la temperatura del agua del generador o del agua de

refrigeración, como en las máquinas de absorción.

Desventajas: − Maquinas grandes y pesadas. − Alto coste económico del sistema y pocas experiencias de instalaciones de funcionamiento. − Necesita de sistemas de evacuación de calor (torre de refrigeración). − Pocos fabricantes ofertan esta tecnología. − El COP promedio de un equipo de adsorción es menor que el de uno de absorción.


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DESECANTES. Ventajas: − No necesita de temperaturas muy elevadas para su correcto funcionamiento (45º C). − Control más preciso de los parámetros de confort. − Utiliza elementos habituales del mercado de climatización. − No necesita torre de refrigeración. Desventajas: − No es una tecnología recomendada en climas húmedos. − Requiere mayor nivel de mantenimiento debido a la cantidad de elementos mecánicos que

intervienen en el sistema. − Alto coste económico del sistema.

COMPARACIÓN ENTRE LAS TECNOLOGÍAS DE ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN.

La principal diferencia entre las máquinas de absorción y las de adsorción para aire acondicionado y refrigeración radica, en vez de un absorbente líquido se utiliza un adsorbente sólido para el caso de adsorción. Su ciclo de funcionamiento no es continuo y tiene una fase de carga y otra de descarga. El COP de estas máquinas se encuentra entre 0.5 – 0.7 y las temperaturas de operación del generador pueden ser más bajas: de 60º C a 90º C en adsorción, en comparación con los 90-110º C de una máquina de simple efecto de absorción, normalmente como vimos antes son máquinas más pesadas y de mayor tamaño y son más caros y están un poco menos desarrolladas, debido a que existen pocos fabricantes. Actualmente, los sistemas de refrigeración solar basados en máquina de simple efecto de absorción son competitivos frente a sistemas de compresión eléctrica convencionales. En el caso de equipos de doble efecto, aunque existe un sobrecoste en la inversión, las ventajas energéticas y medioambientales son significativas. La densidad energética en la adsorción hacen preciso que los componentes sean mayores para la misma capacidad, la gran parte de los costes globales de los sistemas de absorción o adsorción corresponden a los sistemas solares necesarios para su funcionamiento. Para poder rebajar la inversión inicial es preciso que los sistemas puedan trabajar con captadores solares de menor precio (y normalmente con menor temperatura de funcionamiento). En la Figura 2.34 se presenta una comparación de los COP’s de máquinas de absorción y adsorción en función de la temperatura de activación.


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Figura 2.34. Comparación de los COP de las máquinas de absorción y adsorción. Fuente: Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings. A Handbook for Planners.

Los valores de COP de las máquinas activadas térmicamente son relativamente bajos si se comparan con el COP de los enfriadores mecánicos, que usan energía de alta calidad, esto es consecuencia de la menor diferencia de temperaturas entre el foco frío y el foco caliente en las primeras. Aunque el COP de la máquina no es tan dependiente de la temperatura del agua del generador o del agua de refrigeración, como en las máquinas de absorción, como puede verse en la Figura 2.35.

Figura 2.35. Variación del COP de una máquina de absorción y adsorción en función de la Temperatura.

Fuente: SAHC "Calefacción y Refrigeración Solar asistida". No obstante, para establecer esta comparación de forma adecuada, se debe tener en cuenta toda la energía primaria implicada en la conversión, esto es, se debe incluir en el COP de la máquina con ciclo por compresión de vapor el rendimiento de la generación eléctrica, de esta forma los valores son similares. Además, si se considera que para la activación de las tecnologías de absorción y adsorción pueden usarse fuentes de calor residual como energía térmica sobrante de procesos industriales o de ciclos de


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producción de electricidad o calor producido por medio de fuentes renovables, como la energía solar, la geotérmica o la combustión de biomasa, pueden considerarse una opción económica y medioambientalmente interesante para tomar parte importante en sistemas energéticos encadenados. ELECCIÓN DEL SISTEMA DE ENERGÍA SOLAR. Hay que realizar consideraciones para un sistema de producción de energía solar térmica desde el punto de vista de su eficiencia. La eficiencia de un sistema de energía solar es muy dependiente de la temperatura niveles en los circuitos de refrigeración: − Cuanto mayor sea la temperatura de calor de conducción, mayor es el COP de la enfriadora, pero

menor es la eficiencia del campo de captadores. − Cuanto menor sea la temperatura del calor rechazado, mayor es el COP de la enfriadora, y mayor es

el tamaño de la torre de refrigeración. Cuanto mayor sea la temperatura de la salida de enfriamiento, mayor es el COP. A partir de lo último se puede observar que para los fan-coils que requieren una temperatura de 7º C de agua fría esta producción tienen menor eficiencia que los sistemas de refrigeración basados en el techo frío que pueden trabajar con 15º C de agua fría. Conocido lo anterior vemos el acoplamiento con una máquina de refrigeración accionada por energía térmica las características de la máquina de refrigeración elegida determinará el tipo de instalación solar adecuada para cada instalación, ya que de la máquina dependerá la temperatura y caudal de agua caliente a aportar por la instalación solar, por lo que en este caso debemos elegir antes siempre un sistema de refrigeración de acuerdo a mis condiciones de diseño y posteriormente basarme en ello para elegir el sistema de captación. Hay numerosos estudios de evaluación de las distintas posibilidades de los sistemas solares para las tecnologías de refrigeración elegidas en cada momento. Alguno de ellos ALTENER et. al. (2002), así como, CREVER-URV et. al. (2006), entre otros, el proyecto se basa en el último por ser más reciente.

Figura 2.36 Eficiencia y la temperatura necesaria para las diferentes tecnologías de refrigeración térmica.

Fuente: CREVER.


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De la Figura 2.36 anterior: a) Captador FPC con cubierta anti reflexiva, b) Captador ETC – CPC, c) Captador FPC – CPC, d) Captador FPC con doble cubierta anti reflexiva y gas inerte, e) Captador cilindro parabólico de pequeño tamaño.

Como mencionamos antes primero debemos elegir un sistema de refrigeración que cubra nuestras necesidades del proyecto y luego elegir el sistema de captación adecuado para nuestro sistema, según el rango de temperaturas que son requeridos al sistema solar de captación los rangos de temperaturas de los sistemas de refrigeración son: − Para 50º C o más en los sistemas abiertos de desecación y refrigeración evaporativa. − Para 65º C o más en las máquinas por adsorción. − Para 85º C o más en las máquinas de absorción simple efecto. − Para 145º C o más en las máquinas de absorción doble efecto. − Para 190º C o más en ciclos de eyección de vapor. La selección de la tecnología de captación más adecuada para instalaciones de refrigeración solar está basada generalmente en la tecnología de refrigeración y las condiciones de operación. Dependiendo de la tecnología de refrigeración, sistema de disipación y unidades terminales del sistema de climatización, queda fijada la temperatura de operación del sistema de captación solar. El rendimiento de los captadores depende en gran medida de esta temperatura. Los rendimientos de las diferentes tecnologías de captación solar y los márgenes de operación de los sistemas de refrigeración solar. De acuerdo con la Figura 2.36, para sistemas equipados con máquinas de absorción de doble efecto, se precisan temperaturas del orden de 150° C y solamente son adecuados los captadores cilindros parabólicos y el captador tubo de vacío de flujo directo tipo Sidney, también sería adecuado los captadores lineales de Fresnel aunque no esté indicado en la gráfica. Para sistemas equipados con máquinas de absorción de simple efecto que operan a temperaturas en torno de los 90° C, se pueden utilizar captadores de tubo de vacío y captadores planos de alto rendimiento (FPC y FPC – CPC). Para sistemas solares de refrigeración equipados con enfriadoras de adsorción se puede utilizar cualquier tecnología de captación que utilice como fluido el agua. Finalmente, para sistemas de climatización solar con desecantes se puede utilizar cualquier tecnología e incluso, aunque no aparecen en la figura, los captadores solares de aire (FPC – Aire). Es aconsejable seleccionar captadores solares selectivos para de este modo obtener un buen rendimiento durante los períodos de baja irradiación solar, se supone que para cada aplicación debe ser al menos del 50%. El segundo factor determinante en la selección la tecnología de captación es el coste específico, este a su vez depende de la tecnología, tamaño de la instalación y de si se trata de una nueva obra, si se realiza una modificación o se añade a una instalación ya existente. La Figura 2.37 muestra como el coste específico del sistema de solar de captación disminuye a medida que aumenta el tamaño de la instalación. Estos valores incluyen el coste de la estructura de soporte y red de tuberías pero no incluyen otros elementos importantes como acumuladores, bombas, elementos de seguridad etc.


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Figura 2.37. Evolución del coste según el área de captación instalada.

Como último criterio de selección de la tecnología solar de captación es necesario considerar su integración arquitectónica y urbanística. Es importante considerar este aspecto en la fase inicial del proyecto. En algunos casos la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales de fachadas y tejados por sistemas de captación reduce los costes globales de la instalación. Todas las consideraciones anteriores se resumen en la Tabla 2.2.

Tabla 2.3. Clasificación de los tipos de captadores según su integración.

En el caso de enfriadoras de absorción de doble efecto sólo es posible la utilización de los captadores de tubo de vacío y los reflectores Fresnel. Sin embargo, en el caso de las máquinas de absorción de simple efecto, teniendo en cuenta el factor económico y las prestaciones energéticas en el factor coste/rendimiento, en general podemos afirmar que la tecnología más apropiada es la de captadores planos de muy alta eficiencia. Para temperaturas de operación del orden de 70° C típicas de sistemas de refrigeración con adsorción y desecantes, la opción más adecuada es la de los captadores planos. Por último, mencionar que si el factor de la integración arquitectónica es importante, los captadores más adecuados son evidentemente los FPC – IRC (paneles fabricados para su integración directa en tejados), seguidos de los FPC, FPC – Aire y los ETC (captadores tubo de vacío).

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