Application of the early framework to the illustrative example

(53:35:12) COP (Global) 1.733 1.740 TH (ºC) 250 250 QE (kW) 55.39 56.05 Caudales de solución (kg.s-1) H2O/LiBr 0.45 0.45 Alkitratos 0.225 0.225 Relaciones de caudal (RC) H2O/LiBr 17.08 16.96 Alkitratos 18.08 17.99 Concentraciones (% en peso) Solución diluida

(corrientes 1/44) 54.6 (LiBr) / 86.5 (Alk) 54.2 (LiBr) / 86.6 (Alk) Solución concentrada

(corrientes 5/42) 60.3 (LiBr) / 91.0 (Alk) 60.1 (LiBr) / 91.8 (Alk)

Riesgo de cristalización

Tabla 4.5. Condiciones de operación del absorbedor de Alkitratos para el estudio del proceso de absorción.

Condiciones

Presión (kPa) 30.0

Concentración en peso de solución concentrada (%), X44 82.0

Temperatura de solución a la entrada, T44 (ºC) 120.0

Temperatura entrada de agua de enfriamiento (ºC) 95.0

Figura 4.16. Esquema del absorbedor simulado en ABSIM para el estudio del proceso de absorción con Alkitratos.

4.5. Conclusiones

Se ha planteado una configuración de ciclo de refrigeración por absorción de triple- efecto que permite aumentar el aprovechamiento del potencial térmico de las fuentes de calor de alta temperatura. En las condiciones de operación de ciclos de triple-efecto el fluido de trabajo convencional H2O/LiBr presenta limitaciones debido a su alta

corrosividad e inestabilidad térmica a altas temperaturas. Por el contrario, la solución acuosa de nitratos alcalinos (Alkitratos) se presenta como un fluido de trabajo adecuado para operar a altas temperaturas debido a su estabilidad térmica y su carácter no corrosivo. La configuración del ciclo seleccionada consiste de un ciclo de doble-efecto de flujo en paralelo con H2O/LiBr como fluido de trabajo y un ciclo de simple-efecto

con los Alkitratos como fluido de trabajo, acoplados por medio del intercambio de calor entre las corrientes externas. La solución acuosa de nitratos alcalinos esta limitada a la etapa de alta temperatura porque no poseen un amplio rango de solubilidad. Esta configuración permite utilizar efectivamente el nivel térmico de la fuente de calor y así incrementar el coeficiente de operación del ciclo, además permite emplear fluidos de trabajo diferentes, lo cual puede ser apropiado para las condiciones en que opera cada fluido.

Se han establecido unas condiciones de referencia basándose en un sistema de simple- efecto propuesto por Grossman et al. (1994). La estructura modular del programa de simulación ABSIM permitió implementar de manera sencilla los ciclos de configuraciones avanzadas de interés e incorporar las propiedades de los fluidos de trabajo de este estudio.

A partir de la simulación se comprobó la capacidad del ciclo de triple-efecto con etapa de alta temperatura con Alkitratos de operar a altas temperaturas de la fuente de calor de

Solución concentrada

Solución diluida Refrigerante

hasta 260ºC. A las condiciones de operación nominales, temperatura de la fuente de calor (TH) de 250ºC y temperatura del agua de enfriamiento (TC) de 30ºC se obtuvo un

COP de 1.733, una capacidad de enfriamiento de 55.39 kW y una relación de caudales másicos de 18.57 y 19.09 para los ciclos de H2O/LiBr y Alkitratos, respectivamente.

También se ha visualizado la correcta operación del ciclo de refrigeración por absorción de triple-efecto con la solución de nitratos alcalinos por medio de la representación de los componentes en un diagrama de Dühring, donde se confirma que el margen de seguridad para evitar la cristalización de la solución sido se ha respetado. Por otra parte, el funcionamiento del ciclo fue evaluado bajo un rango de condiciones de operación. Un análisis de las temperaturas de operación demostró una mejor operación de ciclo etapa de alta temperatura con la solución de nitratos alcalinos a menores temperaturas del agua de enfriamiento y mayores temperaturas de la fuente de calor. Por encima de 260ºC de temperatura de la fuente de calor puede presentarse la cristalización en zonas de mayor concentración de sales en el ciclo.

Asimismo, el estudio muestra una amplia ventana a la optimización del COP y otros parámetros de desempeño del ciclo por medio de la variación del flujo de solución diluida al generador de cada etapa y los valores del UA de los componentes del ciclo de alta temperatura. Un valor de COP mayor (1.770) se conseguió a relaciones de caudal de m8=0.15 kg.s-1, m13=0.15 kg.s-1 y m44=0.25 kg.s-1 con respecto a la distribución

equitativa de caudales a los generadores de cada etapa (1.733). El efecto de los valores de UA de los componentes de alta temperatura, no muestra cambios significativos en los parámetros de desempeño del ciclo de refrigeración por absorción a las condiciones de operación establecidas en este estudio.

Los resultados obtenidos de la simulación del ciclo de refrigeración por absorción de triple-efecto con etapa de alta temperatura con la solución acuosa de nitratos alcalinos (COP=1.733) demuestra que mejoran sustancialmente el desempeño alcanzado por el ciclos de doble-efecto con el fluido convencional H2O/LiBr como fluido de trabajo

(COP=1.259). El arreglo de flujo en paralelo representa una mejora de aproximadamente 20% en el coeficiente de operación del ciclo con respecto a la configuración del arreglo de flujo en serie. Finalmente, se han comparado los resultados obtenidos con el ciclo de triple-efecto con el fluido convencional H2O/LiBr propuesto

por Grossman et al. (1994). El desempeño del ciclo de triple-efecto con etapa de alta temperatura con la solución de nitratos alcalinos, muestra un coeficiente de operación ligeramente superior a temperaturas del generador superiores a 180ºC, en comparación con el ciclo de triple-efecto con H2O/LiBr como fluidos de trabajo. A temperaturas TH

menores el COP del ciclo de triple-efecto con H2O/LiBr presenta COP mayores que el

ciclo con Alkitratos. Sin embargo, la operación del ciclo de triple-efecto con H2O/LiBr

no es posible por encima de 150ºC sin la utilización de inhibidores de corrosión o utilización de materiales de construcción especiales.

Por último, se ha planteado una alternativa para solventar la limitación del estrecho rango de solubilidad que poseen las soluciones acuosas de nitratos alcalinos. La modificación en la composición de la solución de nitratos alcalinos obtenida por Vargas

et al. (2008), disminuye la línea de cristalización de la mezcla en alrededor de 20ºC a las condiciones de operación establecidas. De esta manera permite mejorar sustancialmente el aprovechamiento del nivel térmico de la fuente de calor de alta temperatura, pues la utilización de esta nueva mezcla permite alcanzar temperaturas en el generador de la etapa de alta temperatura sin presentar problemas de corrosión en las

Capítulo 5

Descripción del dispositivo experimental