En 1985, McLinde y Radermacher propusieron el uso de sistemas NH3/H2O/LiBr,
aprovechando la afinidad que muestra la sal por el agua. Obtuvieron una mejor separación del amoníaco y el agua, aunque el COP era algo menor, y presentaba inconvenientes por el aumento de la viscosidad y el riesgo de cristalización.
Reiner y Zaltash (1991, 1993) realizaron una serie de investigaciones con el objetivo de
identificar los aditivos más convenientes para el fluido NH3/H2O, para reducir así las
necesidades de rectificación. Analizaron 21 sales de las cuales, tras realizar distintos ensayos de
corrosividad, toxicidad y reactividad, el número se redujo a cuatro: LiBr, LiNO3, LiCl3 y LiOH.
ebullición de la mezcla respeto a la binaria mientras que el LiOH la rebaja, tal y como se puede ver en la Tabla 1.3.
El objetivo de la adición de un compuesto iónico (OH-) a la mezcla binaria NH3 / H2O, es
desplazar el equilibrio de disolución (reacción 1.1) del amoníaco en la dirección favorable a la separación del amoníaco en fase gas por el efecto del ión común.
NH3 (g) + H2O ↔ NH4 +
(aq) + OH -
(aq) (1.1)
Tabla 1.3. Puntos de ebullición de mezclas ternarias amoníaco/agua/sal.
Fluido Presión / mmHg Temperatura / 0C
4 % NH3/ 96 % H2O 748.3 85.5 4 % NH3 / 57.5% LiBr / 38.5 % H2O 748.4 131.9 4 % NH3 / 35.5% HNO3 / 60 % H2O 750.1 92.9 4 % NH3 / 38.% LiCl3 / 57.5 % H2O 747.2 115.8 4 % NH3 / 9.1% LiOH / 86.9 % H2O 748.6 83.0 4 % NH3 / 47% LiBr / 49 % H2O 747.9 79.9
Basándose en las investigaciones de Reiner y Zaltash, Ibrahim et al. (1997), realizaron la simulación de un ciclo de refrigeración por absorción utilizando como fluidos de trabajo
mezclas de NH3/H2O con un tercer componente. Encontraron que ciertos hidróxidos, tales como
NaOH, KOH o LiOH provocaban el desplazamiento de amoníaco en la disolución (“salting out” o efecto salino). Estos compuestos son de naturaleza alcalina y en disolución producen iones
hidroxilo (OH-) que compiten con los generados en la ionización del amoníaco en agua
(reacción 1.1). Dado que el amoniaco es un electrolito mucho más débil que estos compuestos iónicos, el efecto del ion común tiende a dirigir el equilibrio de ionización del amoniaco hacia la
formación de NH3 con la siguiente eliminación de vapor de amoniaco en la disolución (reacción
1.2).
XOH → X+ (aq) + OH
-
(aq) (1.2)
Además, Reiner y Zaltash (1991, 1993) plantearon la posibilidad de usar membranas para separar el hidróxido de la corriente pobre en refrigerante, que circula desde el generador hasta el absorbedor, ya que la presencia del hidróxido en éste perjudicaría la posterior absorción del refrigerante por parte del absorbente, aunque no realizaron ningún estudio teórico y/o experimental que aportase datos sobre la viabilidad de la separación con membranas.
Cacciola et al. (1990) realizaron la simulación de un ciclo de refrigeración por absorción
estos mismos autores (Cacciola et al., 1995) llevaron a cabo un estudio del equilibrio líquido- vapor de este sistema.
Por otra parte, Peters et al. (1994, 1995), estudiaron y desarrollaron un modelo experimental que correlacionaba los datos experimentales del equilibrio liquido - vapor de la mezcla
NH3/H2O/LiBr. El modelo asumía la formación de grupos de iones Li
+
y Br– rodeados de moléculas de agua y amoníaco. Se concluyó que para obtener alguna ventaja del efecto que provoca el LiBr en el generador, éste debe operar a muy altas temperaturas, por lo que sólo tiene interés si se trabaja con fuentes de calor de baja temperatura.
Balamuru et al. (2000) simularon tres ciclos de refrigeración por absorción utilizando NaOH como aditivo. El primero era un ciclo típico de simple efecto, el segundo era idéntico pero con la adición de un intercambiador de calor y un rectificador de vapor a la salida del generador, y el tercero incluía un proceso de separación de la sal entre el generador y el absorbedor.
Ese mismo año, Brass et al. (2000) llevaron a cabo un estudio del equilibrio líquido-vapor
de los sistemas NH3/H2O/NaOH y NH3/H2O/KOH, a dos temperaturas (303 y 318 K y presiones
entre 0.1 MPa y 1.3 MPa que confirmó que la concentración de amoníaco en la fase líquida decrece a medida que se añade hidróxido sódico o potásico. Esta disminución era mayor con el aumento de la temperatura y más el caso del hidróxido sódico.
Finalmente, Salavera (2005) realizó un estudio sistemático de algunas propiedades
termofísicas de las mezclas ternarias NH3/H2O/NaOH y NH3/H2O/KOH, como son el equilibrio
liquido–vapor, la capacidad calorífica y la densidad a una presión de 1.8 MPa y en un intervalo de temperaturas entre 273.15 y 353.15 K. De acuerdo a sus medidas experimentales, el NaOH tiene el efecto más beneficioso en el ciclo de refrigeración.
Como conclusiones de los resultados que se obtuvieron cabe destacar:
♦ La adición de hidróxidos disminuye significativamente la temperatura del generador
(resultado del efecto salino “salting out”) y aumenta la capacidad de enfriamiento por parte del evaporado.
♦ La adición de hidróxidos aumenta la proporción de amoniaco a la salida del generador
reduciendo las pérdidas en la rectificación.
♦ El efecto del hidróxido es negativo en la etapa de absorción, especialmente a altas
temperaturas siendo necesario un sistema de separación que limite la sal a la sección del generador.
Otro tipo de aditivos que pueden ser de interés para mejorar las propiedades de la mezcla amoniaco/agua son las nanopartículas. Lee et al. (2010) estudiaron el efecto de la adición de
absorción que utiliza la mezcla NH3/H2O como fluido de trabajo, y encontraron que la
transferencia de calor mejora un 29 % y la absorción un 18 % al añadir una disolución de
Al2O3/CNT a una disolución de 20 %.
1.6 Objetivos
El objetivo de este trabajo es determinar el potencial del uso de las disoluciones acuosas de
NH3/H2O/XOH (X: Na, K, Li) en equipos de refrigeración por absorción de simple efecto
accionados por energía solar térmica o calor residual a baja temperatura para aplicaciones de refrigeración. La incorporación de los hidróxidos al fluido de trabajo puede reducir la temperatura de activación y aumenta el COP del ciclo.
Los objetivos específicos son los siguientes:
1.Completar las bases de datos existentes de las propiedades termofísicas de
amoníaco/agua/hidróxidos con medidas experimentales de presión de vapor y de capacidad
calorífica especifica a presión constante para las mezclas ternarias de NH3/H2O/LiOH, en el
intervalo de temperatura de interés para su aplicación a ciclos de refrigeración por absorción así como la determinación de la densidad utilizando métodos predictivos.
2.Identificar cual de los tres hidróxidos considerados (NaOH, KOH, LiOH) tiene un efecto
más beneficioso en las prestaciones de los ciclos de refrigeración por absorción en
comparación con las de la mezcla convencional NH3/H2O
3.Estudiar la viabilidad técnica de la separación del hidróxido seleccionado en mezclas
amoníaco/agua con membranas utilizadas comúnmente para desalación con ósmosis inversa.
4.Realizar la modelización y simulaciones del funcionamiento del ciclo de refrigeración por
absorción de simple efecto que utiliza como fluido de trabajo la mezcla ternaria
NH3/H2O/NaOH y que lleva incorporado un sistema de separación del hidróxido, para
cuantificar el efecto de la concentración del hidróxido en las prestaciones del ciclo.