sistemas de refrigeraciòn y sostenibilidad energética (2014)

SEMINARIO-TALLERRecuperación de trayectorias tecnológicas en Refrigeración

por Absorción/Adsorción usando Energía Solar

Marzo 2014

Tema:

SISTEMAS DE REFRIGERACION Y SOSTENIBILIDAD ENERGETICA

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo

Expositor:Ing. Ernesto Pablo

Sanguinetti Remusgo


Organizado por:UNIVERSIDAD NACIONAL DE

INGENIERIA Y CONCYTECLugar:

SALON DE GRADOS DE LA FACULTAD DE INGENIERIA

MECANICA-UNI


• Es bueno recordar algunos términos y conceptos cuandohablamos de REFRIGERACIÓN :

• Todos los cuerpos ó sustancias que están con temperaturasencima del CERO ABSOLUTO tienen “Energía Interna” la cuál lapueden transmitir hacia otro cuerpo ó sustancia que está amenor temperatura cumpliendo la Segunda ley de laTermodinámica y es a éste tipo de energía transmitida pordiferencias de temperatura la denominamos CALOR y cuandoun cuerpo entrega calor decimos que se está “enfriando” yaquí aparece el término FRÍO.

• Como se comprenderá el FRÍO NO EXISTE pero se usa esetérmino para denominar a “ la pérdida de calor “.

GENERALIDADES


GENERALIDADES


FORMAS DE TRANSMITIR EL CALOR

GENERALIDADES


• La transferencia de calor ó la pérdida de calor es lo quedenominamos “producir FRIO “ y los niveles de la energíainterna que alcanzan los cuerpos ó sustancias se midenmediante LA TEMPERATURA.

• REFRIGERAR es conseguir que una sustancia alcance unatemperatura menor a la del medio que la rodea ó con la queestá en contacto.

• Hay distintos niveles ó valores de temperaturas muyimportantes para la conservación de todo alimento perecible,los cuales aparecen en manuales y tablas que son resultado dela experiencia y pruebas de muchos años.

GENERALIDADESGENERALIDADES


ESCALAS DE TEMPERATURAS

GENERALIDADES


• El objeto de los métodos y sus respectivos equipos derefrigeración es lograr una transferencia de calor para bajar latemperatura del alimento, cuerpo ó sustancia hasta losniveles deseados que van de acuerdo a la aplicación.

• Desde el principio de su existencia el hombre buscó encontrarlas formas de conservar el alimento durante las estaciones deabundancia, para vivir en las estaciones de escasez. En subúsqueda fue encontrando procedimientos como el secado, elsalado, el ahumado, el escabechado antes de que tuvieseconocimiento de las causas del deterioro de los alimentos.

GENERALIDADES


• La invención del microscopio ayudó a descubrir la existencia delos microorganismos, causa principal del deterioro de losalimentos y permitió además el desarrollo de otro método deconservación: los enlatados, más conocidos como “conservas”.

• El salado, secado, ahumado, escabechado solo se puede aplicar acierto tipo de alimentos y aunque muchas veces mejoran elsabor no lo mantienen como en sus condiciones originales deproducto fresco.

• Los enlatados son casi inmunes al deterioro, fáciles de procesar yde almacenar, pero aún teniendo un sabor distintivo y deliciosomuy propio, difieren en forma notable del producto original.

GENERALIDADES


• Con el tiempo se encontró que el único medio de conservaralimentos en su estado original ó con poquísimo cambio, esbajando la temperatura de la sustancia ó producto alimenticiopor refrigeración, es decir enfriándolo ó congelándolo.

Esto naturalmente, constituye la ventaja principal que tiene larefrigeración sobre todos los demás métodos de conservaciónde alimentos.

• El objetivo que se persigue en la conservación de alimentos nosolo es conservar el alimento en condición ingerible, sinotambién preservable hasta donde sea posible, manteniendo lacalidad con respecto a apariencia, olor , gusto y contenidovitamínico.

GENERALIDADES


• Refrigeración Doméstica• Refrigeración Comercial• Refrigeración Industrial (Agroindustrial)• Refrigeración para el Transporte de Productos• Refrigeración de las bajas temperaturas

(Criogenia)• Refrigeración para aire acondicionado de

“Confort”• Refrigeración para aire acondicionado de

“Precisión”

CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN


CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:Refrigeración Doméstica


CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:Refrigeración Comercial


CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:Refrigeración Industrial


CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:Refrigeración para el transporte terrestre


CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:Refrigeración para el transporte aéreo y marítimo


CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:Refrigeración Criogénica (Nitrógeno líquido a -190⁰C y CO2 líquido a -90⁰C)


CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:Refrigeración para Aire Acondicionado para confort y para precisión


CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:Refrigeración para el Aire Acondicionado – Confort Automotriz


MÉTODOS SUPLEMENTARIOS DE CONSERVACIÓN

• Modificación de la atmósfera ó ambiente de conservación.

• Empleo de Agentes Químicos

• Empleo de Radiaciones Electromagnéticas

• Empleo de Flujo de Electrones


• Lo primero que encontró el hombre fueron las pielesde animales para cubrirse, luego vivir en las cuevas.

• El descubrimiento y uso del fuego permitió un avanceimportante para variar la temperatura del aire que lorodeaba.

• También observaron el efecto de la nieve y el hielosobre sus casas y sobre sus cuerpos, en los lugaresdonde era posible encontrarlos, pero solo seprotegieron de ellos. Llegaron a notar que algunosalimentos en contacto con hielo no se descomponían.

• Los chinos fueron los primeros en almacenar hielo enbodegas de madera y paja, que la utilizaban paraenfriar bebidas.

• Posteriormente los griegos y romanos hicieron lomismo almacenando hielo en pozos y cavernas,igualmente para enfriar sus bebidas.

EVOLUCIÓN DE LA REFRIGERACIÓN Y EL AIRE ACONDICIONADO

El fuego y las cavernas

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• Los egipcios por su parte enfriaban el agua almacenándoladentro de recipientes porosos. Debido a la porosidad partedel agua “mojaba” la superficie exterior del recipiente y laevaporación de ese líquido por circulación del aireambiente, enfriaba el líquido que quedaba en el interior.

• También los egipcios consiguieron tener aire acondicionadoen habitaciones del faraón, construyéndolas con piedrapulida por un lado y áspera por el otro. Durante la noche laspiedras se enfriaban y al amanecer los esclavos construían lahabitación para que durante el día se obtengantemperaturas del orden de 23 a 27°C mientras que en elexterior oscilaba entre 35 y 50°C. En la noche desarmabantodo para repetir el proceso.

• Durante siglos , hasta fines del siglo XIX, el hielo natural fueel único medio que suministró refrigeración para conservarproductos perecederos , enfriar bebidas y fabricar helados.

EVOLUCIÓN DE LA REFRIGERACIÓN Y EL AIRE ACONDICIONADO (continuación)

Enfriamiento de agua y aprovechamiento del hielo

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• En 1,805 Oliver Evans en Filadelfia planteó la teoría del ciclo cerrado derefrigeración con éter etílico.

En 1,816 Robert Stirling planteó el ”Ciclo Stirling” para lograr refrigeración,pero recién en 1,834 John Hershel construyó una máquina para fabricar hielousando ese ciclo.

• En 1,821 Thomas J. Seebeck plantea la transformación de energía térmica eneléctrica y viceversa. También hace estudios sobre comportamiento de lamagnetización ante la unión de dos conductores diferentes que secalentaban en un extremo.

• Por su parte en 1,834 Jean C.A. Peltier experimenta sobre el efecto térmicoque produce el paso de corriente eléctrica a través de 2 conductoresdiferentes. Demuestra que hay gradiente de temperatura entre los extremos.



• En 1,823 Michael Faraday (Londres- Inglaterra) descubrió quealgunos gases se enfriaban cuando se condensaban a presiónconstante.

• Luego en 1,834 , L.W. Wright logró producir hielo medianteexpansión de aire comprimido y lo siguió el norteamericanoJacob Perkins al lograrlo expandiendo líquido y su hermanoDavid Perkins lo mejoró creando un sistema cerrado derefrigeración usando la compresión y expansión del éter, lopatentó y lo llevó a Estados Unidos de Norteamérica.

• En 1,834 el británico Jacob Perkins fabricó y patentó unamáquina de compresión simple con éter sulfúrico y metílicopara fabricar hielo.

• En 1,842, el Norteamericano John Gorrie, (Florida – USA)descubrió que el amoníaco al escurrirse y expandirseproducía enfriamiento. También diseñó una máquina quefuncionaba con aire comprimido.


John Gorrie

Michael Faraday


• En 1,850 Alexander Twinning estudió la posibilidad de usar el CO2 comorefrigerante no llegando a construir ninguna máquina. Tomando las ideasde Perkins vio la posibilidad de usar éter etílico y éter sulfúrico en lasmáquinas de compresión. Entre 1,854 y 1,857 logró construir máquinas decompresión que usaban éter como refrigerante para producir hielo.

• Entre 1,850 y 1,859 los franceses Ferdinand Carré y Edmond Carrésentaron las bases para la refrigeración por absorción que en lugar deusar compresor usaban calor. Edmond Carré logró construir máquinas paraenfriar agua empleando mezclas de ácido sulfúrico y agua, posteriormentesu hermano Ferdinand Carré hizo lo propio empleando mezclas deamoníaco y agua.

• Lamentablemente la aparición en el mercado de compresores más fiablesy con mejor eficiencia relegó el avance de las máquinas de refrigeraciónpor absorción, progresando más rápidamente las máquinas porcompresión.



• En 1,858 Ferdinand Carré incursiona en las máquinas decompresión usando amoníaco líquido. Logró fabricarhielo en pequeños bloques y a partir de 1,876 aparecenplantas de hielo “artificial”.

• En 1,868 el alemán Franz Windhausen, inventó unamáquina de aire de ciclo cerrado accionada por vaporde agua ó viento para producir hielo y en 1,886 fabricóuna máquina de compresión con dióxido de carbono(CO2) como refrigerante .

• En 1,869 Thaddeus Sobieski Coulingcourt Lowe, que erafabricante de calderas y equipos para gasificar coque yquemar carbón; inventó y patentó otra máquina porcompresión utilizando el CO2 como refrigerante.


Ferdinand Carré


• En 1,872 David Boyle diseña una máquina porcompresión con amoniaco que las aplicó parafabricar hielo y transportar carne.

• En 1,887 el suizo Raoult Pictet usó Dióxido de Azufreó Anhídrido Sulfuroso (SO2) como refrigerante.Enfriaba glicerina y la transportaba como refrigerantesecundario para fabricar pistas de patinaje.


Raoult Pictet


• En 1,875, Thomas S. Mort y Eugene D. Nicolle patentaronequipos para el transporte refrigerado de carnes congeladasdesde Australia hasta Inglaterra.

• En 1,876 Karl Paul Gottfriend Von Linde, más conocido comoVon Linde es uno de los grandes precursores del frío industrialusando CO2 y NH3. También construyó el primer equipo deaire acondicionado doméstico para un personaje muy rico dela India



• En 1,877 Joel Tiffany que se dedicaba al transporte ferroviarioconstruye el primer equipo refrigerado por hielo.Paralelamente lo perfeccionaron Gustavo Franklin ayudadopor el Ingeniero Andrew Chase

• Entre 1,884 y 1,887 Walter H. Nernst y Albert VonEttinghausen descubrieron que cuando sobre un conductor ósemiconductor se ejerce un campo magnético y normalmentea éste se somete a un campo eléctrico, se produce ungradiente térmico. Hasta ahora se le sigue buscando unaaplicación práctica.



• En 1,881 el norteamericano Gustavus Swift introdujo la refrigeración paravagones de ferrocarril que transportaban productos alimenticios.

• En 1,894 el francés Marcel Audiffren patentó una máquina para enfriarlíquidos que usaba compresor con “yugo escocés” y SO2 como refrigerante.

• En 1,894 Marcel Audiffren inventa una máquina para enfriamiento de aguaque podía ser accionada a mano ó por motor. Eran 2 esferas metálicas unidaspor un eje que se les hacía girar : una de ellas “calentaba” y la otra “enfriaba”

• Alrededor de 1,920 General Electric modificó el diseño original de Audiffrenpara obtener la primera refrigeradora doméstica que logró comercializarusando dióxido de azufre (SO2) como refrigerante.



• En 1,902 el norteamericano Willis Carrier diseña un nuevo sistema deacondicionado con regulación de la humedad. Se le considera el PADRE DELAIRE ACONDICIONADO no solo por ello sino que creó una pequeña escuelapara enseñar los principios de ese sistema. En 1,915 junto con otros ingenierosfundó la empresa Carrier Engineering que sigue hasta la actualidad comoCarrier Corporation.

• En 1,908 se inicia la máquina de eyección. Hay experimentos de Leslie, pero losprimeros resultados se dieron con los trabajos de Charles Parsons y MauriceLeblanc en 1,909 cuando usan un chorro de vapor motriz que se hace pasar porun VENTURI eliminando los vapores producidos en la zona de bajatemperatura.


http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=-NeXgI0bj6Rs6M&tbnid=XrkUj8YteHf1bM:&ved=0CAUQjRw&url=http://kylebarrydesign.wordpress.com/tag/sweat/&ei=AbZkUdqlO7HI0gGz9YDgDg&bvm=bv.44990110,d.dmQ&psig=AFQjCNHT4aOl8Gw1LjoFCSvJJm2QpLUv1g&ust=1365641062634592


• En 1,913 J.M. Larsen se basó en los ensayos de Thomas Moore(1,803) y deThomas Elkins(1,879), logrando construir un refrigerador accionado por unamanivela. Una variante fué hacer una caja dentro de otra llenando con hieloel espacio entre ellas logrando conservar los alimentos dentro de la cajainterior.

• Más tarde construyó una caja aislada cuyo techo tenía tapa abisagrada y porallí colocaba un bloque de hielo que refrigeraba todos los alimentos ubicadosen la parte inferior de la caja. Era prácticamete igual a las actualesrefrigeradoras.

• En 1,918 la marca KELVINATOR fabrica en serie las refrigeradoras ( invento deNathaniel Wales), pero tenían al comienzo las unidades condensadorasremotas. Luego lo mejoraron.

• Entre 1,918 y 1,919 aparece el refrigerador ó “nevera” FRIGIDAIRE con launidad condensadora ubicada en el techo del refrigerador formando un solomueble. Se convirtió en la más popular y vendida por muchos años.



• En 1,918 Rudolph Viulleumier patenta el ciclo que lleva su nombre. Es similar al dela máquina Stirling pero utiliza para su construcción un compresor térmico en lugarde uno mecánico. Actualmente Sanyo en Japón la está mejorando y pretendeaplicarla como bomba de calor (Heat Pump) en sistemas de aire acondicionado.

• Entre 1,921 y 1,922, Baltzar Von Platen y Carl Munters inventan la máquina deabsorción a gas en Estocolmo. Emplea amoníaco como refrigerante, agua comoabsorbente y el hidrógeno como fluido inerte para equilibrio de presiones,eliminando el uso de una bomba. La marca Electrolux empezó a fabricarla en 1,924y la empresa Norteamericana Servel compró los derechos de producción en 1,925.

• En 1,923 se fabrica la primera máquina para helados con la marca Nizer que al pocotiempo se asoció con Kelvinator.

• En 1,926 la firma Savage introduce el uso de compresores sin pistón que usabanuna columna de mercurio que comprimía al refrigerante. No prosperó.



• Se sabe que en 1,926 Albert Einstein y uno de sus discípulos Leo Szilard, patentaron3 tipos de refrigeradores pequeños por absorción. Usaban amoníaco comorefrigerante, agua como absorbente y butano como gas de igualación de presión.Eran parecidos a los refrigeradores de Platen y Munters. Electrolux adquirió laspatentes.

• Muchos investigadores como Jaques Chiral (1,979-1,980) empezaron a investigar conpaneles solares como fuente de energía “gratis” y renovable como fuente de calorpara el sistema de refrigeración por absorción. Desde esa época se pensaba enfuentes renovables de energía que debería ser usada en la refrigeración del futuro.

• En 1,928 Paul Crosley empieza a comercializar a muy bajo costo las refrigeradorascon el sistema de absorción explicando y haciendo publicidad el hecho de eliminarel uso de electricidad usando en su reemplazo un mechero con una llama de uncombustible barato como el kerosene ó el alcohol ó el ron. El amoníaco y el aguaeran el refrigerante y el absorbedor, pero no mencionó el gas equilibrador depresiones.



• En 1,927 la empresa COPELAND y la Silicagel Corp. construyeron el primerequipo de ADSORCION para enfriar vagones de un ferrocarril. Usaron dióxidode azufre como refrigerante y silica gel como adsorbente.La empresa CARRIER también desarrolló sistemas con silicagel y agua.

• Los efectos térmicos que acompañan a una mezcla y a la separación de un gasde un sólido son la base de éste tipo de refrigeración. Es un proceso discontínuoé intermitente por lo que debe buscarse la continuidad haciendo reemplazos yregeneraciones.

• Se puede decir que hay mucha investigación en éste campo; como por ejemploDimiter Tchernev (1,977-1,978) investigó y utilizó la zeolita y el agua ensistemas cerrados con buenos resultados. Hay muchas personas que sigueninvestigando y probando en diversos lugares del planeta para mejorar éstemétodo de refrigeración.



• Entre 1,928 y 1,933 el francés Georges Joseph Ranque descubrió porcasualidad que con un ventilador conectado a un tubo vortex, salíaaire frío por un extremo y caliente por el otro e hizo un modeloexperimental.

• Entre 1,945 y 1,947 el físico alemán Rudolf Hilsch, después de la IIGuerra Mundial, encontró los modelos experimentales y continuó sudesarrollo para lograr refrigeración con éste método tratando demejorar su eficiencia. Lo llamó sistema de refrigeración VORTEX.

• Hasta ahora la eficiencia de éste sistema es muy baja comparada conun sistema por compresión de vapor y su uso es muy limitado.



• Entre 1,928 y 1,930 se formó un grupo de físicos y químicos: Thomas Midgley, AlbertHenne y Charles Kettering que apoyados por varios laboratorios buscaron fluidosrefrigerantes no tóxicos ni inflamables destinados al uso en refrigeradoresdomésticos. Sus estudios y experimentos los llevaron a encontrar los CloroFluoroCarbonos (CFC) que comenzaron con el CFC-12 ó R-12.

• La empresa DuPont compra la patente y los contrata, desarrolládose en 1,932 el CFC-11, y en 1,935 el CFC-22. Con los años aparecieron muchísimos refrigerantes hechosen los laboratorios.

• Todos tienen su origen a partir de HIDROCARBUROS como metano (CH4) , etano(C2H6) y otros; reemplazando convenientemente dentro de las moléculas, losátomos de hidrógeno por átomos de CLORO,FLUOR, unidos al CARBONO.

• Se usaron muchos años, pero sabemos que la mayoría hace tiempo fueron prohibidosy uno que otro están en vía de desaparecer porque contribuyen a la destrucción de laCapa de Ozono de la tierra.



En 1,939 la empresa COPELAND COMPANY desarrolla el primer compresor semihermético que a diferencia de los anteriores (herméticos) era un compresor que se podía reparar mecánica y eléctricamente.


http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=njInAPxa0byV1M&tbnid=Kk9ERsYP0md7YM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.yangtzecool.net/equipment/compressor-unit.html&ei=NbhkUbuiLcS80QGkh4HICg&psig=AFQjCNGJP0DF8Pl3DqTvz8MFGsLfVW1bbQ&ust=1365641512822749

http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=DJ0WYBwp34TYUM&tbnid=fo56vbh9MOyNoM:&ved=0CAUQjRw&url=http://teknoclima.dmtienda.com/tag/Compresor/&ei=D7hkUdTcK-aT0QHimIDQDw&psig=AFQjCNGJP0DF8Pl3DqTvz8MFGsLfVW1bbQ&ust=1365641512822749

https://www.google.com.pe/imgres?imgurl=http://images.quebarato.com.co/T440x/compresores+copeland+medellin+antioquia+colombia__31F2FE_1.jpg&imgrefurl=http://antioquia.quebarato.com.co/medellin/compresores-copeland__31F2FE.html&docid=UrSxVzkHIiT5wM&tbnid=FV25IMDgYpQPCM:&w=239&h=218&ei=qLdkUejVE6O30gHr04C4Bw&ved=0CAIQxiAwAA&iact=rics


• En 1,945 hay nuevos aportes de Willis Carrier mejorando todos los equipos de aireacondicionado, empieza a fabricar enfriadores de agua (Chillers) con compresorescentrífugos, empieza a fabricar chillers de absorción con agua-bromuro de Litiohasta 700 TON.

• En 1,950 se empieza a estudiar la refrigeración termoacústica que es así:Se trata de un tubo hueco que tiene un material poroso en su interior, que luegose carga con uno ó dos gases inertes y en uno de los extremos del tubo se pone uncompresor acústico (vibra una membrana como la de un parlante). Como los 2extremos están cerrados, al vibrar el diafragma, las moléculas de Helio y Argón,por ejemplo, presurizadas a 20 atmósferas, oscilan de atrás hacia delante. Lasfluctuaciones crean variaciones de temperatura.Como las partículas están próximas al material de relleno, lse consigue latransferencia de calor lográndose que un extremo del tubo esté caliente y el otrofrío. Intercambiadores de calor a cada extremo aprovecharán esa circunstanciasegún convenga.



• En 1,957 se logran algunas aplicaciones interesantes, en la refrigeracióntermoiónica, basándose en estudios experimentales iniciados por Thomas A.Edison en 1,885.

• Entre 1,962 y 1,963 ; W.Gifford y R.Longsworth en la Universidad deSyracuse iniciaron los estrudios de la refrigeración por tubo pulsante.

Recién en 1,984 lo perfeccionó A. Mikulín en la ex Unión Soviética yconstruyó un prototipo que llegó a 105ºK.

Actualmente se busca aplicación en la criogenia aunque tiene muy bajo COP.

• En 1,974 dos profesores de la Universidad de California: Sherwood Rowlandy Mario Molina presentan su hipótesis sobre “ la destrucción de la capa deozono que protege a la tierra” por acción de los refrigerantes CFC. Lesdieron Premio Nobel en 1,995.



• Desde 1,980 los profesores Gustav Lorentzen y Jostein Pettersen intensificaron susestudios sobre el uso del CO2 como refrigerante usando un ciclo transcrítico. Suobjetivo: reemplazar fluidos refrigerantes que dañan la capa de ozono y/oproducen calentamiento de la atmósfera terrestre.

• Las posteriores construcciones de equipos de refrigeración usando ésterefrigerante natural y sus mejoras, han dado buenos resultados y desde 1,990 yaexisten instalaciones diversas, inclusive en el sistema de frío de Supermercados.

• En 1,985 el alemán Peter Pringsheim idea el enfriamiento por láser: Cuando la luzes absorbida excita electrones de las moléculas y los electrones deben eliminarésta energía para volver a su estado estable. Una de las vías de pérdida de energíaes mediante emisión de fotones de luz fluorescente. Si la energía emitida porfluorescencia supera a la absorbida, el material se “enfría”. La energía extra seextrae de las vibraciones del material.



• Entre 1,990 y 1,995 Steven Chu, basándose en los estudios dePringsheim y mejorándolo, logró construir un prototipo demáquina de enfriamiento por láser.

• En 1,997 Karl Gschneidner y Vitalij Pecharsky construyen unprototipo del refrigerador por magnetismo. Usaronaleaciones de gadodilinio-sílice-germanio mejorando el COPdel sistema. Sabemos que se basaron en los efectosdescubiertos en 1,881 por E. Warburg, en los experimentosde Nikola Tesla con Tomas A. Edison en 1,892, así como en losanalisis del fenómeno realizados por Weiss y Piccard en1,918 .



EVOLUCIÓN Y PROTECCIÓN DE LA ATMÓSFERA

La capa de Ozono y su destrucción


• En 1,985 se realiza la reunión de varios países preocupados por el daño ala atmósfera y se suscribe el Convenio de Viena en Austria.

• En 1,987 los representantes de más de 30 países se reúnen en Canadá yaprueban el PROTOCOLO DE MONTREAL relativo al control de lassustancias que dañan ó agotan a la capa de ozono. En 1,990 se reúnennuevamente en Londres- Inglaterra para revisar todo lo actuado yaprueban la Enmienda del Protocolo de Montreal y la denominanENMIENDA DE LONDRES. En 1,992 nuevamente se reúnen en Copenhague– Dinamarca y aprueban la ENMIENDA DE COPENHAGUE.

• En 1,997 se reúnen en Japón, los representantes de los países para tratarsobre la reducción de la emisión de gases hacia la atmósfera queproducen “el efecto invernadero” ó CALENTAMIENTO GLOBAL y se firmael Protocolo de Kyoto.




El Efecto Invernadero ó Calentamiento de la Atmósfera


• En Estados Unidos de Norteamérica el gobierno crea el Consejode la Construcción Verde ó US Green Building Council (USGBC)que entre 1,998 y el 2,000 establece y diseña un sistema decalificación para la construcción de Edificios Sostenibles que lodenominan LEED (Leadership in Energy and EnvironmentalDesign) ó Liderazgo en Diseño Energético y Ambiental) paralograr una mejora global en el impacto entre el medio ambientey la construcción misma.

• Los edificios son la fuente más importante de demanda deenergía y materiales, por ello son la mayor fuente de gasesinvernadero que son los derivados de la energía que consumen ymateriales de construcción.

EVOLUCIÓN Y PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE


Japón, Reino Unido, Estados Unidos, España, Canadá, Rusia, Emiratos Árabes, Australia.

2002: Establecimiento Oficial

1998: Reunión de 8 GBC´s

Qué es el

EVOLUCIÓN Y PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE


Tomando como base lo anterior, a partirdel 2,007 los países con mayordesarrollo toman muy en serio laprotección del medio ambiente y apoyana otros países para evitar ó por lo menosir reduciendo el calentamiento global yempiezan a transmitir los sistemas decalificación para que las construccionestengan un consumo eficiente de laenergía, reduzcan toda contaminación,ahorren agua , sean amigables con ellugar donde se construyen y sobretodosean SOSTENIBLES.

Aparece el concepto de EDIFICIO VERDEy EDIFICIO VERDE INTELIGENTE.

EVOLUCIÓN Y PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE (continuación)


EVOLUCIÓN Y PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE EN PERÚ


El Peru Green Building Council es una ONG (Organización No Gubernamental)sin fines de lucro que la forman un grupo de empresas líderes en arquitectura,ingeniería, consultoria, bienes raíces, industria de la construcción, retailers ytecnología, preocupados por el impacto de nuestra labor en el medio ambiente.El Peru GBC fue fundado en marzo del 2010 y en octubre del 2011 fue nombradomiembro establecido del World Green Building Council , junto a otros 91 paísesaliados con la misma labor.




Promover la Certificación LEED yotras iniciativas ecológicas

LEED (acrónimo de Leadership inEnergy & Environmental Design) esun sistema de certificaciónvoluntario de edificios sostenibles,desarrollado por el Consejo de laConstrucción Verde de EstadosUnidos (US Green Building Council)en 1998.



Se apoyan en tres principios:

1. EDUCACIÓN (Capacitación profesionaly orientación)

2. DIFUSIÓN (Procedimientos, materiales,tecnología, tendencias )

3. RELACIONES INSTITUCIONALES (Ministerios, Municipios, Gremios, Colegios profesionales, etc.)

Objetivo : Una Construcción Sostenible


Pre-requisitos

ObligatoriosNo dan puntos

Créditos

VoluntariosDan puntos

Innovación en Diseño 6

Prioridad Regional 4

Calidad de Ambiente Interior 15

Eficiencia en Uso de Agua 10

Energía y Atmósfera 35

Sitios Sostenibles 26

Materiales y Recursos 14

Fuente: USGBC

LEED evalúa las etapas de diseño, de construcción y de todo el período operativo del edificio ymide sus valores y rendimientos de eficiencia durante todo el tiempo.Ejemplo de un proyecto certificado como Nueva Construcción (puntos posibles: 110)



40 – 49 puntos* 50 – 59 puntos* 60 – 79 puntos* Más de 80 puntos*

* LEED v3, 2009

Fuente: USGBC



Sin usar un fluido refrigerante

Usando un fluido refrigerante

Sist. por compresión de vapor

Sistema por ciclo de aire

Sistema Vortex

Sistema por adsorción Sistema Stirling

Sistema por eyección Malone (gas)

Sistema Termoeléctrico

Termoiónico

Peltier

Sistema Termoacústico

Vuillemieur(líquido)

Tubo pulsante

Sistema Termomagnético

Con cambio de fase ó estado

Sin cambio de fase ó estado

Sistema por absorción

MÉTODOS PARA PRODUCIR REFRIGERACIÓN


SISTEMAS DE REFRIGERACION QUE NECESITAN UNA

SUSTANCIA DE TRABAJO ó FLUIDO REFRIGERANTE







Sistema Vortex




Termoiónico

Peltier



Tubo pulsante






Con cambio de fase: Refrigeración por COMPRESIÓN DE VAPOR


• La refrigeración por compresión se logra evaporando un refrigerante enestado líquido dentro de un intercambiador de calor llamado evaporador. Paraevaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarseel líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Antes de ingresar al evaporador sehace pasar por un componente denominado dispositivo de expansión que seencarga de bajar la presión del lìquido refrigerante.

• Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energíatérmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso olíquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina cargatérmica y aquí se produce lo que denominamos FRIO.

• Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga deaumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otrointercambiador de calor conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo.



• En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tantoel calor latente como el sensible, ambos componentes de la cargatérmica. Ya que este aumento de presión además produce unaumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado delfluido refrigerante -y producir el subenfriamiento del mismo- esnecesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacersepor medio de aire y/o agua conforme el tipo de condensador,definido muchas veces en función del refrigerante.

• De esta manera, el refrigerante en estado líquido, puedeevaporarse nuevamente a través de la válvula deexpansión, repitiéndose el ciclo de refrigeración por compresión devapor.



Con cambio de fase: Refrigeración por COMPRESIÓN DE VAPOR usando energía

solar


Con cambio de fase: Refrigeración por COMPRESIÓN DE VAPOR usando energía

geotérmica


• El sistema de refrigeración por absorción es otro método deproducir frío que, al igual que en el sistema de refrigeración porcompresión aprovecha que las sustancias ó refrigerantes, absorbencalor al cambiar de estado, de líquido a gaseoso. Así como en elsistema de compresión el ciclo se hace mediante un compresor, enel caso de la absorción, el ciclo necesita una fuente de CALOR .

• Se aprovecha la capacidad que tienen algunas sustancias, comoel bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el aguaque actúa como el refrigerante, en fase de vapor. Otra posibilidades emplear el agua como substancia absorbente (disolvente)y amoníaco que actúa como refrigerante ó substancia absorbida(soluto).

Con cambio de fase:

Refrigeración por ABSORCIÓN


Con cambio de fase:

Refrigeración por ABSORCIÓN


Con cambio de fase: Refrigeración por ABSORCIÓN usando energía solar


• La adsorción es el fenómeno en el cual un cuerpo sólido, bajola liberación de una determinada cantidad de energía enforma de calor, adsorbe o atrapa en su superficie una cantidadde materia gaseosa, cuyo efecto contrario, la separación de lamateria gaseosa del cuerpo sólido mediante entrega de calora dicho cuerpo, se reconoce como desorción.

• Se usan como adsorbentes: las zeolitas, la silica gel, las tierrasdiatomeas y otras. Para la regeneración del adsorbente sepuede utilizar, por ejemplo, vapor de agua ,etanol, metanol oun gas inerte caliente.

Con cambio de fase:

Refrigeración por ADSORCIÓN


Con cambio de fase:

Refrigeración por ADSORCIÓN


Con cambio de fase: Refrigeración por ADSORCIÓN usando energía solar


• Este sistema es similar al sistema por compresión de vapor, pero sesustituye al compresor por un elemento que se llama EYECTOR que le dánombre al sistema.

• La succión del vapor producido en el evaporador se efectúa por el efectodel tubo VENTURI, creado por la expansión de un flujo de vapor de agua,en una tobera convergente divergente que produce velocidadessupersónicas en la garganta y un pequeño tramo donde aumenta lasección de salida del eyector

• La compresión del vapor hasta su nivel de condensación se hace en laparte divergente( aumento de sección del eyector) porque convierteenergía cinética ( velocidad ) en energía de presión ( o simplementeaumenta la presión) , por efecto de la onda de choque ( paso de régimensupersònico a subsónico.

• Al igual que el sistema de absorción requiere de una fuente de calor.

Con cambio de fase:

Refrigeración por EYECCIÓN


Con cambio de fase:

Refrigeración por EYECCIÓN


Con cambio de fase: Refrigeración por EYECCIÓN usando energía solar







Sistema Vortex




Termoiónico

Peltier



Tubo pulsante






Uno de los sistemas de refrigeración que más se emplean en la aviación es el de ciclo deaire . Se basa en el principio de eliminación de calor por transformación de la energíacalorífica en trabajo mecánico, este es empleado en aviones comerciales, transportesmilitares y aviones de combate, funciona con el aire que se extrae del compresor delturborreactor, dicho aire caliente y a presión, se emplea para calefacción, refrigeración eincluso para la presurización de la cabina.

Sin cambio de fase:

Refrigeración por MÁQUINAS DE AIRE


Sin cambio de fase:

Refrigeración por MÁQUINAS DE AIRE


Sin cambio de fase:

Refrigeración VORTEX


SISTEMAS DE REFRIGERACION QUE NO NECESITAN UNA

SUSTANCIA DE TRABAJO ó FLUIDO REFRIGERANTE







Sistema Vortex




Termoiónico

Peltier



Tubo pulsante






• Los experimentos de Peltier fueron seguidos a los de ThomasSeebeck, quien en 1821 descubrió que una fuerza electromotrizpuede ser producida por el una batería y se generaba diferencia detemperaturas entre los extremos ó uniones de 2 materialesconductores y viceversa.

Refrigeración TERMOELÉCTRICA


Refrigeración TERMOELÉCTRICA


• La refrigeración ó enfriamiento termoiónico consiste en situar 2 electrodosplanos ò placas planas separadas por una pequeñísima distancia medida enmicras, colocadas expresamente a diferentes temperaturas dentro de unrecipiente al vacío. Lo interesante es que se vá observando el paso natural dela corriente eléctrica del más caliente al más frío, no por conducciòn, niconvección: es una transmisión termoiónica por diferencia de potencial.

• Pero cuando se aplica energía eléctrica que crea una mayor diferencia depotencial entre ellas, los electrones de una de las placas se aceleran enabandonarla ( inclusive si comenzamos con ambas a la misma temperatura),logrando muy rápidamente enfriar la superficie que inicialmente estaba a lamisma temperatura que la otra. Transportan calor en forma de energíacinética. Como es lógico, si inicialmente estaba más caliente mayor será suenfriamiento. La otra placa “ fría” se calienta pero no mucho como sería deesperar.

Refrigeración TERMOIÓNICA


• El procedimiento termoiónico es una vieja idea muy simple: se calientasuficientemente una pieza metálica de manera que algunos electrones lleguen atener una energía suficiente como para desprenderse del material masivo y así setiene una emisión termoiónica. Esta es la principal característica de la viejatecnología de los tubos de vacío, usados, por ejemplo, en los tubos de televisión. Silos electrones son expelidos desde una cátodo caliente o “emisor” y recapturadosa lo largo de una pequeña separación en un ánodo más frío y se les permitecircular a lo largo del circuito retornando al cátodo, el dispositivo generaelectricidad.

• Hace años se propuso que este ciclo se podría invertir para crear un refrigeradortermoiónico. En esencia, al lanzar electrones al emisor del dispositivo se enfría esaparte del mismo en tanto que el colector se calienta. Sin embargo, es bastantedifícil arrancar a los electrones del metal y conducirlos a la zona de vacío entre elemisor y el colector.



• Se ha sugerido que una película delgada semiconductora podría insertarse entre elemisor y el colector para reemplazar al vacío. Como esto evita la separación decarga requerida para impulsar a los electrones desde el metal hacia la zona devacío, las necesidades energéticas disminuyen substancialmente. Esto significa queun enfriador termoiónico que utilice un semiconductor puede funcionar atemperatura ambiente en vez de tener que hacerlo a altas temperaturas.

• Se ha podido arribar a un enfriamiento de 7°C a una temperatura operativa de150°C. Mediante la optimización del espesor y la composición de la películasemiconductora delgada así como el empaquetamiento de estos microenfriadores,las estimaciones muestran que se podrían alcanzar entre 20 y 30°C deenfriamiento. Se ha experimentado con componentes semiconductores tal comoel fosfoarseniuro de indio y galio con fosfuro de indio y silicio con germaniuro desilicio en sus enfriadores termoiónicos.



• Además del trabajo termoiónico, se estáestudiando una tecnología similar basada en eldenominado cátodo emisor frío. Estosdispositivos son creados a partir de estructurasde dimensiones micrométricas de silicio conforma piramidal, dispuestas sobre unaplataforma de silicio en un arreglo quecontiene miles de ellos por cada centímetrocuadrado. Como estos elementos tienen unaforma puntiaguda, se genera un campoeléctrico intenso en el punto, de modo tal queemiten electrones cuando están fríos.

• Estos dispositivos han existido por años, perolos investigadores están ahora comenzando aconsiderar su uso en las aplicaciones detécnicas de enfriamiento.



• En el proceso de enfriamiento magnético, se aplica un fuerte campomagnético a un refrigerante, tal como el metal gadolinio, alineando los espinesde sus electrones desapareados. Esto disminuye la entropía y hace que elrefrigerante se caliente. Cuando se elimina el campo magnético, los espinesrevierten sus orientaciones en una forma azarosa y el refrigerante se enfría. Auna mayor intensidad de campo magnético le corresponde un mayor cambiode temperatura. Este comportamiento se denomina “efectomagnetocalórico”.

• Cambiando la concentración relativa de los componentes de la aleación, o seala relación silicio/germanio, se logran cambios de temperaturas a las cualestienen lugar los máximos efectos magnetocalóricos. Para los casos estudiados,el máximo rango de variación alcanzado ha sido –240°C a 15°C. Se puedenusar diferentes aleaciones en combinación en un refrigerador magnético paramantener la eficiencia a bajas temperaturas.

Refrigeración TERMOMAGNÉTICA


• Se ha llegado a descubrir esta clase de materiales ferromagnéticos gigantescon características magnetocalóricas de fórmula general Gd5(SixGel-x)4.

• Hay informes acerca del logro de una potencia de enfriamiento de 600 W, uncoeficiente de desempeño cercano a 15, y una eficiencia del 60% del límite deCarnot. Como referencia, baste citar que un refrigerador por compresión degas típicamente alcanza una eficiencia máxima del 40% del límite de Carnot.Como la refrigeración magnética no debe recurrir a la expansión y compresiónde un refrigerante, entonces requiere alrededor de un tercio menos deenergía que la tecnología convencional de compresión gaseosa. Esto hace quela refrigeración magnética resulte atractiva para usos intensivos en energía,tales como las unidades de refrigeración de los supermercados, elprocesamiento químico o el refinamiento del azúcar.




Comparación con el sistema

por compresión de vapor


• Es de vital importancia el desarrollo de sistemas de bajo consumo y altorendimiento, esto es debido a que en los últimos años el ahorro deenergía y la manera en la que se utiliza se ha vuelto un estudio muyimportante no solo en el tema ambiental, también para que los sistemasde consumo de energía estén al alcance de toda la población y de maneraanáloga creen un bajo consumo para la sociedad.

• Así se llega a la implementación de la “Refrigeración Termoacústica”, quees un sistema de variación de temperatura que utiliza ondas sonoras en unmedio dopado con un gas presurizado que transfiere calor de un sitio aotro, es una tecnología en desarrollo actualmente y sus principalesventajas se observan en la conservación de la capa de ozono al no utilizarrefrigerantes tóxicos, y también en su mecanismo al utilizar ondas sonorasse requieren menos partes mecánicas que otros sistemas de enfriamiento.

Refrigeración TERMOACÚSTICA


• Consiste en convertir la energía de una onda acústica estacionaria dentro deun tubo con un extremo abierto, donde estará un parlante el cual transmitirála onda acústica, y en el otro extremo una tapa con un coeficiente deabsorción bajo con relación a nuestra frecuencia, y un conjunto de pitillos, loscuales servirán como rendijas en el tubo.

• La onda acústica estacionaria conduce un flujo de calor de un extremo al otro.Si el extremo que esta a temperatura ambiente, el extremo opuesto seenfriara, este es el sistema que se puede utilizar para refrigerar.

• Para optimizar y controlar un poco el efecto termo acústico, utilizamos unconjunto de pitillos pequeños, los cuales nos servirán como una rendija,además de separar un extremo del otro, haciendo que el efecto sea másnotorio, el calor transitara a través de nuestro conjunto de pitillos,permitiendo que el aire pase por ellas durante la oscilación, pero haciendosuficiente contacto con el aire para intercambiar calor. En un extremo de larendija se calentara y por ende el otro extremo se enfriara.



GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Ing. Ernesto Sanguinetti R.

[email protected]

sistemas de refrigeraciòn y sostenibilidad energética (2014)

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