Other aggregation types

2.4.1. Fluidos de trabajo convencionales

El funcionamiento de un sistema de refrigeración por absorción depende de las propiedades químicas, termodinámicas y de transporte del fluido de trabajo. Consecuentemente, el proceso de identificación y selección del fluido de trabajo (refrigerante+absorbente) representa el primer paso en la evaluación y diseño de un sistema de absorción. Las características que debe cumplir el fluido de trabajo en ciclos de refrigeración por absorción son:

 Ser estable, térmica y químicamente.

 Ser seguro. El fluido de trabajo no debe ser tóxico, inflamable, ni explosivo y debe ser fácil la detección de fugas.

 Ser de fácil disposición y de bajo coste.

 Ser compatible con los materiales de construcción habituales. Tanto el refrigerante como el absorbente deben ser resistentes a la corrosión.

 Ser favorable termodinámica y físicamente. Las propiedades termodinámicas y de transporte que influyen en la transferencia de calor y de masa, por ejemplo, la viscosidad, la conductividad térmica y el coeficiente de difusión deben ser favorables y adecuados para la operación en un ciclo de absorción. En este último requisito, las siguientes condiciones son necesarias:

 La elevación del punto de ebullición (diferencia en el punto de ebullición entre el

refrigerante puro y la solución de refrigerante/absorbente a la misma presión) debe ser tan grande como sea posible.

 El calor latente de vaporización del refrigerante debe ser tan grande como sea

posible para que una mayor cantidad de calor sea transferido con la menor carga de refrigerante.

 La combinación absorbente/refrigerante en fase líquida debe obtener una amplia

miscibilidad dentro del rango de temperaturas de funcionamiento del ciclo.

A partir de la revisión de estos criterios se puede reconocer fácilmente que no existe un fluido de trabajo “ideal” disponible para todas las aplicaciones de los sistemas de absorción. Por lo cual, la selección de un fluido de trabajo para una aplicación particular es un compromiso entre varios factores.

Una de las primeras etapas en el proceso de selección del fluido de trabajo es identificar los límites de temperaturas sobre los cuales tiene que operar el ciclo. La temperatura y presión críticas del fluido de trabajo debe ser significativamente mayores que la temperatura y presión máximas de operación del ciclo. Asimismo, la evaluación del fluido de trabajo requiere analizar sus propiedades termofísicas en el rango de temperaturas y concentraciones en la cuales operan los ciclos de refrigeración por absorción.

El conocimiento de las propiedades termodinámicas y de transporte del fluido de trabajo es esencial para el diseño y evaluación de los sistemas de refrigeración por absorción, en la medida que ellas determinan las características de los procesos de transferencia de calor y de masa en estos sistemas. Sin embargo, los datos de las propiedades termodinámicas y de transporte generalmente no están disponibles para la mayoría de los fluidos de trabajo de potencial interés.

Por otra parte, la estabilidad química y térmica del fluido de trabajo es obviamente un factor de gran importancia, debido a que ningún fluido de trabajo podrá ser tomado en consideración para aplicaciones prácticas si es inestable, particularmente a altas temperaturas (Yaron y Borde, 1984). De manera que deben ser realizadas pruebas para confirmar la estabilidad térmica de los fluidos de trabajo propuestos.

Existen varias combinaciones potenciales de fluidos de trabajo que satisfacen los requerimientos para ser utilizados en ciclos de refrigeración por absorción. En general, los fluidos de trabajo se pueden clasificar de acuerdo a su naturaleza química en hidrocarburos, halocarbonos, compuestos inorgánicos, perfluorocarbonos y alcoholes. Marcriss et al. (1988) realizó una revisión bibliográfica de los fluidos de trabajo para ciclos de refrigeración por absorción, en el cual se identificaron unos 40 compuestos disponibles que pueden ser utilizados como refrigerante y 200 compuestos con características favorables para ser utilizados como absorbentes. Sin embargo, los fluidos de trabajo más comunes son NH3/H2O y H2O/LiBr. En la tabla 2.2 se muestran las

principales características de estos fluidos de trabajo.

Desde la invención de los sistemas de refrigeración por absorción, el fluido de trabajo compuesto por amoníaco (refrigerante) y agua (absorbente) se ha utilizado en aplicaciones de refrigeración. Ambos componentes de este fluido de trabajo son estables en un amplio rango de condiciones de operación y el refrigerante (NH3) tiene un calor

latente de vaporización elevado. Además, el punto de congelación de NH3 es -77ºC por

lo cual este fluido de trabajo puede ser utilizado en aplicaciones de baja temperatura. También el fluido de trabajo es de bajo coste. Sin embargo, tanto el NH3 como el H2O

son compuestos volátiles, por lo cual el ciclo requiere de un rectificador para separar el agua que normalmente se evapora con el NH3 en el generador. Otras desventajas de este

fluido de trabajo son su alta presión, la toxicidad y la acción corrosiva sobre las aleaciones de cobre.

Tabla 2.2. Propiedades de los fluidos de trabajo convencionales utilizados en máquinas de refrigeración por absorción (Herold et al., 1996).

Por otra parte, el fluido de trabajo H2O/LiBr, tiene dos cualidades importantes, en

primer lugar, el absorbente utilizado (LiBr) es un compuesto no volátil, por lo cual no se requiere de equipos de rectificación, y en segundo lugar, el calor de vaporización del agua (refrigerante) es elevado. Sin embargo, utilizar agua como refrigerante no permite el uso de este fluido de trabajo en aplicaciones de refrigeración por debajo de 0ºC, y además el sistema debe funcionar bajo condiciones de vacío. Por otra parte, cuando se opera con altas concentraciones de LiBr, la solución es propensa a la cristalización. Otras desventajas del fluido de trabajo H2O/LiBr es su carácter corrosivo con algunos

metales y su elevado coste. Las propiedades termodinámicas de H2O/LiBr se han

estudiado por McNeely (1979), Patterson y Perez-Blanco (1988), Lee et al. (1990), Jeter

et al. (1992), Lenard et al. (1992), entre otros investigadores. Además, gran cantidad de

estudios se han enfocado en el comportamiento de este fluido de trabajo con inhibidores de corrosión y aditivos que permiten mejorar la transferencia de calor y de masa. Los inhibidores de corrosión, comúnmente usados son cromato de litio, nitrato de litio o molibdato de litio, los cuales protegen las partes internas de la máquina de los efectos corrosivos de la solución de LiBr. Algunos estudios realizados con inhibidores de corrosión fueron presentados por Modahl y Lynch (1971), Iyoki y Uemura (1978), Wen y Lin (1999) y Verma et al. (1999). Otros autores como Albertson y Krueger (1971), Chi et al. (1971), Elkassabgi y Perez-Blanco (1991), Hihara y Saito (1993) y Daiguji et

al. (1997) estudiaron los aditivos para mejorar la transferencia de calor y de masa.

Propiedad NH3/ H2O H2O/LiBr

Refrigerante

Alto calor latente Buena Excelente

Presión de vapor moderada Demasiado alta Demasiado baja

Baja temperatura de congelación Excelente Aplicación limitada

Baja viscosidad Buena Buena

Absorbente

Baja presión de vapor Baja Excelente

Baja viscosidad Buena Buena

Mezcla

Posibilidad de cristalización No Aplicación limitada

Baja toxicidad Baja Buena

2.4.2. Nuevos fluidos de trabajo

El fluido de trabajo H2O/LiBr es la mejor opción en muchas aplicaciones de

climatización debido a que sus favorables propiedades termofísicas suponen unos coeficientes de operación elevados. Sin embargo, esas mismas propiedades provocan una serie de limitaciones, tales como la corrosividad y la limitada solubilidad que puede provocar problemas de cristalización. En la literatura se encuentran fluidos de trabajos constituidos por mezclas de compuestos orgánicos como trifluoroetanol (TFE) o metanol como refrigerantes y el tetraetilenglicoldimetiléter (TEGDME) como absorbente (Stüven, 1989; Vallés, 2000). Estas mezclas no presentan las limitaciones típicas del H2O/LiBr.

Además, las mezclas binarias que utilizan agua como refrigerante y una sal inorgánica como absorbente, tales como el H2O/NaOH, son fluidos de trabajos favorables para

sistemas de refrigeración por absorción, sin embargo, requieren concentraciones de sal elevadas, por lo cual la solución es propensa a la cristalización (Best y Holland, 1990). Otro tipo de fluido de trabajo es el formado por la mezcla de los refrigerantes ambientalmente aceptables hidrógenofluorocarbonados (HFC) como el R125 y el R134a y absorbentes orgánicos como el TEGDME. Estas mezclas fueron propuestas por Levy

et al. (2000) para aplicaciones de climatización con fuentes de calor a baja temperatura.

Por otra parte, los fluidos de trabajo para ciclos de refrigeración por absorción de triple- efecto deben ser capaces de operar a temperaturas por encima de 160ºC y tener mayores rangos de solubilidad. En estas condiciones, el fluido convencional H2O/LiBr puede ser

utilizado pero requiere de aditivos para mejorar la solubilidad de la mezcla, inhibir la corrosión especialmente en los componentes que operan a las altas temperaturas e intensificar la transferencia de calor y de masa.

Se han realizado varias investigaciones para aumentar el límite de solubilidad añadiendo al H2O/LiBr otras sales inorgánicas u otros compuestos orgánicos. Entre los aditivos

sugeridos se encuentran los formados por una sal, los binarios y los ternarios. La adición de una única sal tales como LiI, LiNO3, LiSCN o CaCl2 al sistema H2O/LiBr

puede desplazar el límite de cristalización en al menos 5ºC y reducir la presión de vapor, con lo que dichas mezclas presentan especial interés. Asimismo, se ha evidenciado que la adición de una segunda sal como los haluros de zinc (ZnCl2 y ZnBr2)

puede mejorar la solubilidad de la solución. Sin embargo se observaron altos niveles de corrosión y alta viscosidad (Best y Holland, 1990; Asano et al., 1987; Malik y Siddiqui, 1996). También, se han probado diversas mezclas ternarias (Idema, 1987; Herold et al., 1991; Barragan et al., 1998; Okano et al., 1993; Koo et al., 1998, 1999a,b).

Bourouis et al. (2005a,b) estudiaron la solución cuaternaria H2O/(LiBr+LiI+LiCl+

LiNO3) la cual presenta una temperatura de cristalización menor que el LiBr sin

aumentar la presión de vapor. Además esta mezcla tiene mayor coeficiente de transferencia de masa y es menos corrosiva que el LiBr.

Varios estudios han considerado las mezclas de LiBr y sales orgánicas de sodio y potasio (formiato, acetato y lactato) como absorbentes alternativos para enfriadoras de agua de absorción. Estas mezclas muestran propiedades óptimas: presiones de vapor bajas debido a la presencia del LiBr, menor temperatura de solubilidad en agua y un alto potencial de absorción debido a la presencia de sales orgánicas, que podrían proporcionar mejores coeficientes de operación y ventajas económicas (De Lucas et al., 2003, 2006, 2007).

Otro fluido de trabajo de potencial interés para ciclos de triple-efecto es el formado por agua (refrigerante) y una mezcla de hidróxidos de sodio, potasio y cesio, NaOH:KOH:CsOH (absorbente) patentado por Erickson (1986b) para su aplicación en sistemas de refrigeración por absorción que operen a altas temperaturas. Este fluido de trabajo amplía considerablemente el área de solubilidad y es menos corrosivo a altas temperaturas, sin embargo, tiene menores coeficientes de transferencia de calor y de masa que el fluido de trabajo convencional H2O/LiBr (Romero et al., 2001).

Una de las mezclas más prometedoras son las soluciones acuosas de nitratos y nitritos alcalinos, patentas por Erickson (1984, 1986a) como fluido de trabajo adecuado para trabajar a las altas temperaturas que requieren los ciclos de refrigeración por absorción de triple-efecto por su alta estabilidad térmica y comportamiento no corrosivo a estas condiciones. En la siguiente sección se detallan los estudios realizados con este fluido de trabajo.

2.5. Soluciones acuosas de nitratos y nitritos alcalinos como