refrigerador solar para producciÓn de...

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REFRIGERADOR SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE HIELO USANDO CARBÓN ACTIVADO-METANOL Antonio Pralon Ferreira Leite Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal da Paraíba Av. Aprígio Veloso, 882 – C.P. 10069 58109-970 Campina Grande-PB, BRASIL [email protected] RESUMEN Se presenta el estudio de un refrigerador solar basado en un ciclo de adsorción intermitente, destinado a la fabricación de hielo. El par adsorbente-adsorbato utilizado es el carbón activado- metanol. Algunas innovaciones fueron implementadas, con respecto a los prototipos y unidades comerciales ya hechos y probados, especialmente en Francia. La cobertura del sistema de captación solar consiste en dos vidrios, conteniendo en el espacio entre ellos elementos anti-convectivos de policarbonato, denominada cobertura TIM – “Transparent Insulation Material”. Se adoptaron nuevas configuraciones geométricas para el adsorbedor y para el evaporador que son multitubulares, en lugar del formato rectangular/trapezoidal en cajón único, adoptado para estos componentes en las máquinas de fabricación francesa. El prototipo presente fue proyectado y construido con base en los resultados de simulaciones numéricas basadas en datos meteorológicos de João Pessoa (7 o 8'S, 34 o 50 ' WG). Estos resultados demostraron que es posible obtener, en el periodo semestral de temperaturas más altas en este lugar (Octubre-Marzo), una cantidad de hielo de cerca de 7 hasta 10 kg, por metro cuadrado de área de captación solar, con flujos de radiación solar total incidente del 20 al 23 MJ/m 2 , respectivamente. Los parámetros representativos del comportamiento del presente refrigerador son presentados y comparados con los resultados obtenidos de un estudio experimental con un prototipo de características similares. Los parámetros y los cálculos empleados para dimensionar cada uno de los componentes del refrigerador solar adsortivo son también presentados. 1. INTRODUCCIÓN El uso de procesos de sorción para producir refrigeración ha sido extensivamente estudiado en las últimas dos décadas y, además, ha sido considerado como una alternativa a los sistemas de compresión de vapor. Diferentes tipos de refrigeradores y bombas de calor han sido propuestos y testados, sea en el campo de la absorción líquida, o de la sorción sólido-gas. Las dos tecnologías principales acerca del concepto de la sorción sólido-gas son la adsorción y la reacción química, incluso los hidratos metálicos. Las similitudes y diferencias entre estos sistemas, así como las ventajas y desventajas de cada uno se describen extensivamente en Meunier (1998). Básicamente, los sistemas por adsorción presentan dos ventajas con respecto a los ya citados: el medio sólido (adsorbente) no es sometido a modificación de volumen durante los procesos de sorción, como en el caso de la absorción sólida; y no necesita columna de rectificación, como en el caso de la absorción líquida. Además, los procesos de adsorción posibilitan el uso efectivo de una cantidad mayor de fluido refrigerante por ciclo, proporcionando mejores rendimientos, con respecto a los demás procesos de sorción antes mencionados. La tecnología empleada en refrigeradores adsortivos es relativamente simple, ya que estos pueden operar sin partes móviles y con energía térmica de baja intensidad, como el calor residual o la energía solar. En el presente trabajo se analiza teóricamente, como también se caracteriza y se dimensiona un refrigerador adsortivo solar, empleando el par

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REFRIGERADOR SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE HIELOUSANDO CARBÓN ACTIVADO-METANOL

Antonio Pralon Ferreira LeiteDepartamento de Engenharia Mecânica

Universidade Federal da ParaíbaAv. Aprígio Veloso, 882 – C.P. 10069

58109-970 Campina Grande-PB, [email protected]

RESUMENSe presenta el estudio de un refrigerador solar basado en un ciclo de adsorción intermitente,

destinado a la fabricación de hielo. El par adsorbente-adsorbato utilizado es el carbón activado-metanol. Algunas innovaciones fueron implementadas, con respecto a los prototipos y unidadescomerciales ya hechos y probados, especialmente en Francia. La cobertura del sistema de captaciónsolar consiste en dos vidrios, conteniendo en el espacio entre ellos elementos anti-convectivos depolicarbonato, denominada cobertura TIM – “Transparent Insulation Material”. Se adoptaronnuevas configuraciones geométricas para el adsorbedor y para el evaporador que sonmultitubulares, en lugar del formato rectangular/trapezoidal en cajón único, adoptado para estoscomponentes en las máquinas de fabricación francesa. El prototipo presente fue proyectado yconstruido con base en los resultados de simulaciones numéricas basadas en datos meteorológicosde João Pessoa (7o8'S, 34o 50 ' WG). Estos resultados demostraron que es posible obtener, en elperiodo semestral de temperaturas más altas en este lugar (Octubre-Marzo), una cantidad de hielode cerca de 7 hasta 10 kg, por metro cuadrado de área de captación solar, con flujos de radiaciónsolar total incidente del 20 al 23 MJ/m2, respectivamente. Los parámetros representativos delcomportamiento del presente refrigerador son presentados y comparados con los resultadosobtenidos de un estudio experimental con un prototipo de características similares. Los parámetrosy los cálculos empleados para dimensionar cada uno de los componentes del refrigerador solaradsortivo son también presentados.

1. INTRODUCCIÓN

El uso de procesos de sorción para producir refrigeración ha sido extensivamente estudiado enlas últimas dos décadas y, además, ha sido considerado como una alternativa a los sistemas decompresión de vapor. Diferentes tipos de refrigeradores y bombas de calor han sido propuestos ytestados, sea en el campo de la absorción líquida, o de la sorción sólido-gas. Las dos tecnologíasprincipales acerca del concepto de la sorción sólido-gas son la adsorción y la reacción química,incluso los hidratos metálicos. Las similitudes y diferencias entre estos sistemas, así como lasventajas y desventajas de cada uno se describen extensivamente en Meunier (1998). Básicamente,los sistemas por adsorción presentan dos ventajas con respecto a los ya citados: el medio sólido(adsorbente) no es sometido a modificación de volumen durante los procesos de sorción, como en elcaso de la absorción sólida; y no necesita columna de rectificación, como en el caso de la absorciónlíquida. Además, los procesos de adsorción posibilitan el uso efectivo de una cantidad mayor defluido refrigerante por ciclo, proporcionando mejores rendimientos, con respecto a los demásprocesos de sorción antes mencionados. La tecnología empleada en refrigeradores adsortivos esrelativamente simple, ya que estos pueden operar sin partes móviles y con energía térmica de bajaintensidad, como el calor residual o la energía solar. En el presente trabajo se analiza teóricamente,como también se caracteriza y se dimensiona un refrigerador adsortivo solar, empleando el parcarbón activado-metanol, destinado a la producción de hielo.

2. FUNDAMENTOS DE ADSORCIÓN

2.1 Ecuación de estadoPara describir el equilibrio termodinámico de un sistema adsortivo, diversas funciones

correlacionando la temperatura T, la presión P y la concentración de la fase adsorvida a sonencontradas en la literatura. Estas funciones son denominadas "isotermas de adsorción".

2.2 Ecuación de Dubinin-AstakhovPara procesos de adsorción en materiales microporosos con distribución de dimensiones de

poro del tipo polimodal, como el carbón activado, Dubinin y Astakhov (1971), propusieran lafunción característica

( )[ ]{ }a W T D T P Po l s

n= −ρ ( ) exp ln / (1)

donde a es la masa adsorbida por unidad de masa de adsorbente, Wo es la capacidad máxima deadsorción (volumen de adsorbato/masa de adsorbente), ρl es la masa específica del adsorbatolíquido, D es el “coeficiente de afinidad” y n un parámetro característico del par adsorbente-adsorbato.

2.3 Calor Isostérico de AdsorciónLa derivación parcial de la función de Gibbs en la forma integrada, con respecto a la

temperatura, conduce a un función denominada isóstera (a = constante) de la forma siguiente

∂∂ln P

T

q

R Ta

st

= −

2 (2)

conocida como la fórmula de Clausius-Clapeyron, donde qst es el llamado calor isostérico, liberadoen el proceso de adsorción. Aplicando esta ecuación a la condición de saturación (P = Ps), seobtiene el calor latente de cambio de fase L

L R TP

Ts

a

= −

2 ∂

ln (3)

La derivación de la ecuación de Dubinin-Astakhov resulta

( ) ( )[ ]∂∂

∂∂

αln lnln / ln /

P

T

P

TP P T

nDT P Ps

s s

n= + +

− −1 (4)

con

( )α

∂ ρ

∂=W

a

Tolln /

(5)

donde α representa el coeficiente de expansión térmica del adsorbato líquido. Multiplicando cadatermo de la ecuación diferencial por (RT 2), se obtiene

( ) ( )[ ]q L R T P PR T

n DT P Pst s s

n= + +

−ln / ln /

( )α 1 (6)

3. CARACTERÍSTICAS DEL PAR ADSORBENTE-ADSORBATO

Para aplicaciones de refrigeración, el adsorbente debe tener una alta capacidad adsortiva atemperatura ambiente y bajas presiones, y una baja capacidad de adsorción a temperatura y presiónelevadas. Considerando que el sistema debe operar con temperaturas negativas, para la producciónde hielo, el par carbón activado-metanol es el que presenta las mejores características para talfinalidad. Se destacan las siguientes propiedades del metanol:

- evapora a temperaturas muy por debajo del 0oC;- su entalpía de vaporización es significativa (1.200 kJ/kg, para - 5oC);- su molécula es suficientemente pequeña (4.10-4 µ m), lo que facilita su adsorción en

microporos con diámetros inferiores a 2.10-3µm;- su punto de ebullición normal (~ 65oC) es relativamente alto, lo que impide su combustión

espontánea en el ambiente donde se encuentra el refrigerador;- requiere presiones de trabajo siempre por debajo de la atmosférica, lo que significa un factor

de seguridad en caso de pérdida de estanqueidad del sistema.

El carbón activado es un material que tiene un significativo volumen de microporos, cuyosporos tienen las dimensiones adecuadas para la adsorción del metanol. En este trabajo se considerael carbón activado de tipo AC-35, de fabricación francesa, debido a su utilización en varios estudiosteóricos y experimentales aplicados a la refrigeración encontrados en la literatura y, enconsecuencia, al conocimiento de sus propiedades termofísicas y parámetros de la ecuación deestado de su equilibrio con metanol. Las isósteras del par carbón activado AC-35/metanol fueronobtenidas experimentalmente por Pons y Grenier (1986) y, en consecuencia, han sido determinadoslos parámetros característicos de la ecuación de Dubinin-Astakhov.

4. DESCRIPCIÓN DEL REFRIGERADOR Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La operación del sistema está basada en un ciclo intermitente, o de simple efecto, donde nohay recuperación de calor. El ciclo consiste en dos etapas: una caracterizada por el proceso deadsorción, cuando ocurre la evaporación del fluido de trabajo (el adsorbato) (Fig. 1a); y otra, deregeneración del medio poroso (el adsorbente), mediante la conversión térmica de energía solar, enla cual el adsorbato es condensado (Fig. 1b).

Fig. 1. Esquema de funcionamiento del sistema:(a) etapa de producción frigorífica; (b) etapa de regeneración

Adsorbedor/Colector Solar

Adsorbedor/Colector Solar

El refrigerador está constituido básicamente por tres componentes: un conjuntoadsorbedor/colector solar, un evaporador y un condensador, conforme se muestran en la Fig. 1. Ladirección del flujo gaseoso cambia, de acuerdo a la etapa, de producción frigorífica o deregeneración.

La etapa de producción frigorífica empieza al final de la tarde, cuando la temperatura y lapresión del adsorbedor comienzan a disminuir, según un proceso isostérico, o sea, un proceso enque la concentración de fase adsorbida es constante. La evaporación es desencadenada, cuando elflujo de adsorbato se dirige hacia el adsorbedor, ocurriendo durante todo el período nocturno, hastala temperatura del adsorbedor alcanzar un valor mínimo. Al final de la adsorción, el adsorbedor estácon una temperatura y una presión correspondiente a la saturación de la fase gaseosa en elevaporador. Con el calentamiento del adsorbedor, por acción del sol, su presión aumenta, siguiendootro proceso isostérico. Cuando el reator alcanza la presión de condensación, la desorcióncomienza, prosiguiendo hasta que el adsorbedor llega a la temperatura máxima, completando así elciclo. Un análisis termodinámico detallado del ciclo de refrigeración por adsorción es descrito porLeite (1998).

5. PRINCIPALES INNOVACIONES

Con respecto a otros refrigeradores solares, operando con el mismo par adsortivo, yarealizados y probados, particularmente aquellos (prototipos y unidades comerciales) idealizados porel Laboratorio francés LIMSI-CNRS, de Orsay, las principales innovaciones propuestas en el diseñodel actual sistema son: las geometrías del adsorbedor y del evaporador, el tipo de condensador(inmerso en agua, en vez de expuesto al aire) y la cobertura semitransparente del colector (uso deceldas anti-convectivas). El adsorbedor está formado por una serie de tubos, ubicados a cada lado,con la parte superior sirviendo de superficie absorbedora de la radiación solar, cuya cobertura estácompuesta de dos placas de vidrio conteniendo entre ellas un material aislante transparente (TIM)de policarbonato. El lecho adsorbente ocupa el espacio anular concéntrico comprendido entre lasuperficie exterior del tubo y una tela metálica, por donde fluye el adsorbato (Fig. 2). Losadsorbedores diseñados por el LIMSI son del tipo caja, constituidos de un recipiente único, como seindica en la Fig. 3. El adsorbedor multitubular presenta dos ventajas esenciales, con respecto aaquellos formados por una pieza única: su fabricación es mas simple (puede ser construido de formamodular; usando líneas de soldadura menores); y puede ser construido con material de menorespesor, por el hecho de su geometría soportar diferencias de presión mayores (el sistema funcionaen vacío).

Fig. 2. Esquema del adsorbedor multitubular propuesto.

adsorbente

Fig. 3. Esquema del adsorbedor de los refrigeradores del LIMSI.

6. DESCRIPCIÓN Y DIMENSIONES DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA

Los componentes del refrigerador, adsorbedor, condensador y evaporador, son multitubularesy hechos de acero inoxidable. La Fig. 4 muestra el adsorbedor, el condensador y las tuberías deconexión del prototipo.

Fig. 4. Vista del adsorbedor, del condensador y de las tuberías de conexión.

6.1 Adsorbedor/Colector SolarUna representación esquemática del conjunto adsorbedor/colector solar se indica en la Fig. 5.

Este componente es formado por 8 tubos, de diámetro nominal 76 mm y 1,61 m de largo,correspondiendo a un área de captación solar de 1 m2. La superficie colectora es consideradaselectiva y la cobertura semitransparente del colector está compuesta por dos placas de vidrio de 3mm, cuyo espacio entre ellas está lleno de elementos hexagonales (Transparent Insulation Material-TIM) de policarbonato, con una razón de aspecto igual a 5.

Cada uno de los tubos del adsorbedor lleva 2,5 kg de carbón activado, correspondiendo a unacantidad total de 20 kg de adsorbente. La relación masa de adsorbente/area de captación solaradoptada (20kg/m2) tiene como base la mayoría de los estudios y realizaciones experimentalesencontradas en la literatura, tratándose de refrigeradores que usan el mismo par. La cantidad demetanol introducida inicialmente en el lecho adsorbente es de 6 kg.

adsorbente

Fig. 5. Esquema del conjunto adsorbedor/colector solar.

6.2 CondensadorEl condensador consiste de una serie de tubos de 48 mm de diámetro nominal. El conjunto

está ubicado en la base de un recipiente de dimensiones 1,00 x 0,95 x 0,30 m3, con una capacidadpara contener 250 litros de agua. Las paredes del estanque no tienen aislamiento y su cara superiores abierta, pero protegida de la incidencia solar por el adsorbedor/colector (Fig. 6). Los tubosforman un plan inclinado de 7o del plan horizontal, para permitir un flujo máximo de metanollíquido hacia el evaporador. El dimensionamiento se hizo teniendo en cuenta la potencia térmicadisipada en agua durante el cambio de fase gas-líquido del adsorbato, que se expresa como

con

conconcon t

LMQ

Δ= (7)

donde Mcon es la masa de metanol condensada (6 kg), Lcon es el calor latente de condensación(1.160kJ/kg), Δtcon es la duración del proceso de condensación (5 h).

Sustituyendo los valores de la ec. (7) se obtiene una potencia de 387 W. Tomando valorespromedios de las propiedades del agua y una diferencia de temperatura de 1oC entre la superficiemetálica y el agua, las ecuaciones clásicas de la convección natural dan un coeficiente detransferencia de calor de 477W/m2K. Con este valor, se obtiene una superficie de condensación de1,2 m2, lo que corresponde a una cantidad de 10 tubos de 0,8 m de largo cada uno. Considerando losdos tubos de distribución, llegase a un área efectiva de transferencia de calor de 1,5 m2.

Fig. 6. Esquema del condensador.

6.3 EvaporadorEl evaporador está constituido por tubos de 57 mm de diámetro nominal ubicados

paralelamente, interconectados en su extremidad posterior, para garantizar una igual distribución demetanol en cada uno de ellos. El recipiente que contiene el agua a congelar tiene una capacidad de10 litros, lo que corresponde a un nivel de agua igual a la mitad del diámetro de los tubos. Elvolumen total de metanol distribuido en los tubos es de 7,5 litros. Este valor equivale a unacapacidad de adsorción máxima de 300 g/kg de carbón activado, teniendo en cuenta una masaespecífica de metanol líquido, a -5oC, de 1200 kg/m3.

Para dimensionar el evaporador se han considerado las cantidades de energía utilizadas en losdos procesos siguientes: 1) la disminución de temperatura del agua hasta 0oC (Q ev1) y 2) lasolidificación (Qev2). Las potencias térmicas correspondientes son calculadas en función de lascantidades de metanol que evapora en cada una de las etapas. Estas potencias pueden ser calculadaspor la expresión siguiente

ev

evevev t

LMQ

Δ= (8)

donde Mev es la masa de metanol evaporada, Lev es el calor latente de evaporación (1.180kJ/kg), Δtev

es la duración del proceso de evaporación.Haciendo Mev1 = 0,7 kg y Δtev = 1 h se obtiene, de la ec. (8), Qev1 = 229 W. Tomando Mev2 =

5,3 kg y Δtev = 12 h, resulta Qev2 = 145 W. Considerando los coeficientes de transferencia de calorinvolucrados en cada uno de estos procesos, se adoptará para la superficie de evaporación necesariael mayor valor obtenido. Con h1 = 355 W/m2K y Δt1 = 1oC se obtiene Aev1 = 0,65 m2; conh2 = 29 W/m2K y Δtev = 4oC se obtiene Aev2 = 1,25 m2. Por lo tanto, la superficie de evaporaciónnecesaria es de 1,25 m2, lo que corresponde a 14 tubos de 1 m de largo.

7. MODELO MATEMÁTICO Y RESOLUCIÓN NUMÉRICA

El modelo ha sido elaborado para determinar, instantáneamente los siguientes parámetros: latemperatura y la masa adsorbida, la presión total del adsorbedor y las temperaturas del condensadory del evaporador. Las hipótesis principales son:

- se considera el equilibrio termodinámico del par adsorbente-adsorbato, a cada instante;- la resistencia a la transferencia de masa ínter-granular y en el interior de los poros es

despreciable;- la distribución espacial de temperaturas en el adsorbente depende solamente de la dirección

radial;- el sistema adsorbente-adsorbato es un medio continuo y homogéneo, para efecto de la

conducción térmica;- los efectos convectivos en el interior del adsorbente y la pérdida de presión son

despreciables.

Se aplican las ecuaciones de la conservación de energía y de masa a cada uno de loscomponentes del refrigerador: adsorbedor (colector solar + adsorbente), condensador (tubería +agua) y evaporador (tubería + agua a congelar + aire confinado en la cámara). Se consideran en loscálculos dos tipos de cobierta: cobertura simple (placa de vidrio única) y cobertura TIM.

La ecuación de la energía para el par adsorbente-adsorbato es dada por

( )[ ]ρ∂

∂ρ∂

∂1

2

2 1

1C a C

T

tk

T

r r

T

tq

a

t1 2 st+ = +

+ (9)

donde C es el calor específico (los índices 1 y 2 corresponden al adsorbente y al adsorbato,respectivamente), ρ1 es la masa específica y k la conductividad térmica del lecho adsortivo. Eltérmino ∂a/∂t es obtenido a partir de la diferenciación total de a con respecto al tiempo

d a

d t

a

T

d T

d t

a

P

d P

d tP T

=

+

∂ln

ln

ln (10)

Haciendo algunas operaciones algébricas y, además, teniendo en cuenta las ecuaciones (1) y(6), se obtiene

d a

d tbd P

d t

q

RT

d T

d tst= −

ln2

(11)

com

b a n D TP

Pn s

n

=

ln1

(12)

donde n y D son los parámetros de la ecuación de Dubinin-Astakhov. En consecuencia, la expresiónfinal obtenida es

( )ρρ

ρ11

1C a Cb q

R T

T

t

T

r r

T

tb q

d P

d tst

st1 2

2

2

2

2

1+ +

= +

+

ln (13)

El término es determinado en función del proceso en curso en el adsorbedor; el caso de unproceso isostérico, de adsorción o desorción, se tiene

∫∫

∫∫=

dzdrrPTab

dt

dzdrr

TR

qPTab

td

Pdst

),,(

),,(ln 2

(14)

En el caso de condensación o evaporación: P = Ps (t).En el entorno placa absorbedora/adsorbente (r = r1), la conducción de calor es dada por

( )−

= −

=

kT

rh T T

r r

p n

∂∂

1

(15)

donde h es la conductancia térmica en r = 1, T p la temperatura de la placa metálica y T n latemperatura del adsorbente próxima a la pared. El entorno lecho adsorbente/conducto de difusióndel adsorbato (r = ro), es considerado adiabática, o sea

∂∂T

rr ro

=

=

0 (16)

Las condiciones iniciales son fijadas en función de la temperatura del aire ambiente y de laspropiedades del par adsortivo: Pt=0 = Po , T(r)t=0 = Tcont=0 = Tambt=o = To. Las temperaturasiniciales referentes al evaporador, a la cámara frigorífica y a la masa de agua a congelar sonobtenidas a partir de los resultados de simulaciones de la etapa diurna del ciclo.

Los valores de Po y To son basados en las curvas de equilibrio (isósteras) del par empleado, elcarbón activado AC-35/metanol, obtenidas experimentalmente por Pons e Grenier (1986). Estosvalores corresponden a una concentración de la fase adsorbida de 300 g/kg de adsorbente.

El modelo matemático completo y detallado para evaluar el comportamiento térmico delrefrigerador es presentado por Leite y Daguenet (2000). Se empleó el método de diferencias finitas,con formulación totalmente implícita, para resolver el sistema de ecuaciones del sistema. Esnecesario realizar un proceso iterativo porque la ecuación del adsorbedor presenta términos no-lineales y sus coeficientes son desconocidos en cada instante.

8. RESULTADOS Y DISCUSION

Los resultados de la simulación numérica han sido obtenidos para los seis meses más calientes(Octubre-Marzo) de João Pessoa (7o8'S, 34o50'WG), considerando en los cálculos el díacaracterístico promedio. La cantidad de hielo producida varió entre 6,7 y cerca de 10 kg/m2 de áreade captación solar, respectivamente, para Marzo y Diciembre. La radiación solar incidente en estosmeses fue de 19,6 y 21,4 MJ/m2, respectivamente. El máximo, de 22,9 MJ/m2, se verificó enOctubre, cuando se obtuvo una temperatura de regeneración máxima de 115oC. Se ha constatadoque la eficiencia de la cobierta TIM ha sido prácticamente el doble de aquella obtenida con lacobertura simple; los rendimientos promedios de conversión térmica del colector solar fueran,respectivamente, de 57% y de 40%.

Se ha comparado los resultados obtenidos para el mes de Marzo, para el caso del sistema concobertura simple, con los de un estudio experimental realizado en Túnez por Medini et al (1991),con un prototipo de características similares. En la Tabla 1 están los principales parámetros a sercomparados. COPs1 es el coeficiente de performance solar bruto, calculado en base a la masa demetanol condensada durante el ciclo (Mcon), y COPs2 es el coeficiente de performance solar líquido,obtenido en función de la masa de hielo producido (Mgelo). Esi es la energía solar incidente y ηc elrendimiento de conversión térmica solar.

Tabla 1. Resultados experimentales y de la simulación para sistemas con cobertura simples y TIM.

Tipo deSistema

Tmax

(oC)Tev

(oC)Mcon

(kg)Mgelo

(kg)Esi

(MJ/m2)ηc

(%) COPs1 COPs2

Medini et al (1991) 90 - 2,0 2,9 5,0 20,0 41 0,15 0,074Cobertura Simples 82 - 0,6 2,4 3,5 19,6 42 0,13 0,060

Cobertura TIM 105 - 0,9 4,2 7,3 19,6 59 0,24 0,124

El prototipo realizado en Túnez empleaba un intercambiador de calor móvil, alternando sufunción, sea como evaporador, sea como condensador, a través de su inmersión en un recipienteabierto con agua. El uso de este dispositivo puede explicar la diferencia verificada en los valores deCOP obtenidos, entre este sistema e aquello de cobertura simple, considerando que os valorespromedios de ηc fueron muyo próximos (41% e 42%).

Con respecto a los resultados obtenidos para el sistema con cobertura TIM, el COP solarlíquido fue 67% mayor que el presentado por el prototipo de Túnez. El COPs2 para el mes deDiciembre fue de 0,155 y el COPs2 promedio para los seis meses considerados fue de 0,13.Teniendo en cuenta los valores similares obtenidos para los rendimientos de conversión térmicasolar (ηc), entre los referentes a las simulaciones para cobertura simple y los del prototipo de Túnez,se concluye que el aumento significativo verificado en los COPs del sistema con TIM se deben auna correspondiente disminución de las pérdidas de calor por el uso de la cobertura TIM.

9. CONCLUSIONES

Se han presentado la caracterización y los parámetros necesarios para el dimensionamiento deun refrigerador solar basado en la adsorción del metanol en carbón activado, con algunasinnovaciones propuestas. Se ha constatado que el uso de una cobertura TIM en el componenteadsorbedor/colector solar ha sido considerablemente más eficiente que las comúnmente usadas enrefrigeradores solares.

Los resultados de los cálculos demuestran que, con la cobertura TIM, es posible obtenertemperaturas de regeneración superiores a los 100oC, con colectores helioestáticos, permitiendocondensar una cantidad importante de adsorbato, mejorando así, la eficiencia del ciclo. El análisiscomparativo entre los resultados teóricos y los resultados experimentales, obtenidos con un sistemasimilar, indica un aumento de casi un 50% en la cantidad de hielo producido, cuando se considera lacobertura TIM.

De acuerdo con los resultados de la simulación, es posible producir hasta 10 kg de hielo pormetro cuadrado de área de colector, en climas con elevada incidencia de radiación solar, como sonlas condiciones predominantes en la región Nordeste de Brasil.

10. REFERENCIAS

Dubinin, M.M. and Astakhov, V.A., 1971, Molecular-sieve Zeolithes-II, American ChemicalSociety, Washington

Leite, A.P.F., 1998, Thermodynamic analysis and modeling of an adsorption-cycle system forrefrigeration from low-grade energy sources, Journal of the Brazilian Society of MechanicalSciences, Vol. 20 No 4, pp. 518-531.

Leite, A.P.F. and Daguenet, M., 2000, Performance of a new solid adsorption ice maker with solarenergy regeneration, Energy Conversion & Management, Vol. 41, pp. 1625-1647.

Medini, N., Marmottant, B., Golli, S. et Grenier, Ph, 1991, Etude d'une machine solaire à fabriquerde la glace, Revue Internationale du Froid, Vol. 14, pp. 363-367.

Meunier, F., 1988, Solid sorption heat powered cycles for cooling and heat pumping application,Applied Thermal Engineering, 715-729.

Pons, M. and Grenier, Ph., 1986, A phenomenological adsorption equilibrium law extracted fromexperimental and theoretical considerations applied to the activated carbon and methanoladsorption pair, Carbon, Vol.24, No 5, p.615.