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3.3 Addressing land conflicts
La tecnología por sorción de calor tiene un ciclo similar al de la refrigeración por compresión, con la diferencia de que en lugar de emplear un compresor utiliza un sistema de generación accionado por transferencia de calor, lo cual se logra aprovechando la atracción física o química entre pares de sustancias. Es la única tecnología capaz de transformar energía térmica directamente en trabajo de enfriamiento, alimentándose con calor residual, energía solar o combustibles tradicionales. Una de las ventajas de los sistemas de sorción es el hecho de que utiliza muy pocas e incluso ninguna parte móvil, lo cual se traduce en menores requerimientos de mantenimiento. Son además fáciles de controlar, no producen vibraciones ni ruido y utilizan gases con bajo o nulo potencial de GEI (Gases de Efecto Invernadero). Sin embargo, tienen una menor eficiencia en comparación con los sistemas de refrigeración por compresión. Varios dispositivos de refrigeración solar por sorción se han implementado con éxito en zonas rurales donde se cuenta con radiación solar ampliamente disponible (Aste et al., 2017b).
Los ciclos de sorción pueden caracterizarse en abiertos o cerrados (Sarbu & Sebarchievici, 2015a). Cuando se trata de un sistema abierto se utilizan desecantes, los cuales son eliminadores de la humedad del aire en un determinado ambiente; este ciclo suele emplearse en aplicaciones de humidificación y deshumidificación de ambientes. Los sistemas cerrados por otra parte cumplen con propósitos de refrigeración, teniendo dos tipos de funcionamiento: refrigeración por absorción y refrigeración por adsorción.
3.3.2.1.
Refrigeración por absorción
En el ciclo de refrigeración por absorción se utiliza un par de trabajo en donde el fluido absorbente tiene una alta afinidad hacia el refrigerante (el cual tiene una temperatura de ebullición menor), es decir, exhibe un fuerte potencial para absorber la fase de vapor del refrigerante (hasta cierta temperatura en el absorbente(Sarbu & Sebarchievici, 2015a). El par de trabajo refrigerante/absorbente puede ser por ejemplo 𝑁𝐻3/𝐻2𝑂 (amoniaco/agua) o, 𝐻2𝑂/𝐿𝑖𝐵𝑟
(agua/bromuro de litio) (Allouhi et al., 2015).
Una máquina de absorción consta de cinco componentes principales: un generador (o desorbedor), un absorbente, una válvula de expansión, un condensador y un evaporador. En el generador ingresa el par de trabajo en forma de mezcla; allí se le suministra calor (a través de una fuente de calor residual, calor solar o algún combustible fósil), hasta llegar a cierta temperatura en la que el absorbente pierde la capacidad de retención del refrigerante y lo libera en forma de vapor (desorción) haciendo que fluya hacia el condensador en donde liberaría calor pasando a estado líquido (condensación). Mientras que, por un lado, el absorbente obtenido al final de la desorción se hace circular desde el generador hasta el absorbente (lo cual puede darse en un mismo espacio para ciclos intermitentes), el refrigerante al salir del dispositivo de condensación pasa por una válvula de expansión que regula su presión para darle paso al evaporador, en donde absorbe el calor de la carga que se desee enfriar, pasando de nuevo a un estado gaseoso (Aste et al., 2017a). El refrigerante en forma de vapor pasa de nuevo al absorbente en donde es absorbido formando de
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nuevo una mezcla que posteriormente pasará al generador, iniciando nuevamente el ciclo (N’Tsoukpoe, Yamegueu, & Bassole, 2014). El ciclo básico de absorción se representa en la Figura 15 relacionando los estados de temperatura y presión en cada una de las etapas del ciclo. Como se observa, puede ser necesario la utilización de una bomba que transporte la mezcla de absorbente y refrigerante desde el proceso de absorción hasta la etapa de generación (o desorción), lo cual depende del diseño particular del dispositivo de refrigeración.
Figura 15. Ciclo básico de refrigeración por absorción. Fuente: Tomado de (N’Tsoukpoe et al., 2014)
Es posible aumentar el COP (coeficiente de rendimiento) en el ciclo por absorción cuando se dispone de una fuente de calor a mayor temperatura, agregando efectos o etapas, lo cual consiste en aprovechar el calor que se rechaza en el efecto de mayor temperatura en un ciclo (efecto) de menor temperatura. Un refrigerador por absorción de un ciclo de una sola etapa también conocido como de simple efecto, en el cual no se aproveche el calor que se rechaza, el COP variaría entre 0.6 y 0.8. El COP puede aumentar a 1.35 para un ciclo de dos etapas (doble efecto) y aproximadamente 1.7 para una máquina de triple efecto. En caso de emplear un solo efecto se suelen utilizar colectores solares de placa plana; con dos efectos se utilizan colectores de tubo de vacío; en caso de un triple efecto son ideales los colectores parabólicos concentrados o colectores de tubos de vacío (Allouhi et al., 2015). Cabe resaltar que mientras más efectos se consideren en el diseño, mayor es la complejidad del sistema y, asimismo, aumentan factores como el mantenimiento requerido y el costo, entre otros.
3.3.2.2.
Refrigeración por adsorción
La tecnología de adsorción tiene un ciclo similar al de los sistemas de absorción, con la diferencia de que el absorbente se encuentra en estado sólido y no líquido, siendo este normalmente un sustrato sólido altamente poroso con grandes superficies internas, del orden de cientos de 𝑚2/𝑔. En el mercado es posible encontrar pares de trabajo de agua como refrigerante y gel de sílice como adsorbente, sin embargo, existen líneas de I+D enfocadas al uso de zeolitas como material de adsorción o la utilización metanol/carbón activo como refrigerante/adsorbente (López, Ibarra, & Platzer, 2017).
El ciclo de adsorción incluye los mismos componentes principales en el ciclo de absorción, utilizando un adsorbente en lugar de un absorbente. En la Figura 16 se observan los componentes principales en el diseño propuesto por Mayor (Mayor, 2003), en la cual se tiene una aproximación dimensional entre el tamaño de la cámara de refrigeración y un colector solar de placa plana empleado como fuente de energía. 1: Captor solar. 2: Cristal de teflón. 3: Adsorbente. 4: Persianas de refrigeración. 5: Condensador. 6: Válvula autónoma. 7: Caja de refrigeración. 8: Evaporador.
Figura 16. Componentes de un refrigerador solar por adsorción. Fuente: Adaptado de (Mayor, 2003)
Durante el ciclo de adsorción, cuando el refrigerante se evapora en el evaporador se une a la superficie del adsorbente por fuerzas de Van Der Waals. Luego de ello se transfiere calor al adsorbente por medio de una fuente de aporte (solar, por ejemplo) aumentando la presión y separando el refrigerante (desorción), lo cual es usualmente llamado un proceso de regeneración, ya que el adsorbente queda listo para una nueva adsorción del refrigerante. El refrigerante pasa al condensador liberando energía para pasar a un estado líquido (condensación). Mientras tanto, el
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adsorbente disminuye su temperatura con un intercambiador de calor, disminuyendo su presión hasta igualar la presión en el evaporador. El refrigerante pasa del condensador al evaporador recibiendo el calor de la carga de refrigeración (acción refrigerante), pasando a un estado gaseoso, para luego pasar al proceso de adsorción, en donde es adsorbido por el material de adsorción hasta llegar a una temperatura equivalente a la del condensador, finalizando el ciclo (López et al., 2017). Los pares de trabajo en el ciclo de adsorción son componentes críticos, por lo cual, las investigaciones recientes sobre el tema se han dedicado a la mejora de la eficiencia del adsorbente seleccionando adecuadamente el par óptimo. Muchos sistemas integran el adsorbente y el colector solar juntos, donde el adsorbente se empaqueta en el colector solar. Para un funcionamiento continuo, es necesario combinar dos ciclos de adsorción; dichos sistemas pueden lograr un COP de 0.6 (Allouhi et al., 2015). Por otro lado, las tecnologías de adsorción alimentadas por biomasa aún se encuentran subdesarrolladas (Aste et al., 2017).
En general, los sistemas de adsorción térmica han sido estudiados exhaustivamente. Aunque varios prototipos de refrigeración solar de adsorción fuera de la red han sido diseñados y probados con éxito en trabajos de investigación, alcanzando a veces una eficiencia muy alta (demostrando la viabilidad de esta tecnología), solo se han desarrollado pocos dispositivos y se han probado con éxito en campos en áreas rurales con radiación solar ampliamente disponible (Aste et al., 2017). En ejemplo de ello es el diseño de Santori et. al. quienes fabricaron un refrigerador solar por adsorción para ayuda humanitaria en países del tercer mundo, útil para refrigerar vacunas y alimentos, con dimensiones de 1,7x1,5x0,95𝑚, con un colector solar de 1,2 𝑚2 de área (Santori, Santamaria,
Sapienza, Brandani, & Freni, 2014).