3.2 Using weaker versions of the MPA's assumptions
3.2.1 The MPA's connection to Rubin's taxonomy of missing data
Como se ha mencionado previamente, el desempeño del sistema bajo una serie de condiciones de operación depende de las características de diseño y particularmente del tamaño de las superficies de intercambio de calor. Como caso de referencia, se consideraron las características de un sistema con tamaños basados en una máquina real, sin embargo los valores de coeficientes globales de transferencia de calor (U) varían dependiendo del fluido de trabajo y de las condiciones de operación del ciclo. Para evaluar el efecto del UA de los componentes en el desempeño del ciclo se realizaron varias simulaciones con dos diferentes valores de UA para cada uno de los componentes de la etapa de alta temperatura con Alkitratos. Los resultados se muestran en la tabla 4.3.
Los valores de UA de cada componente se han variado en un amplio rango, desde la mitad del valor que se ha definido en las condiciones de referencia (tabla 4.1) hasta el doble de este valor. No se ha observado una variación significativa en los parámetros de desempeño del ciclo evaluados. En la tabla 4.3 se ha incluido la relación entre la capacidad de enfriamiento y la sumatoria de los UA de todos los componentes del ciclo UATOTAL, QE/UATOTAL, el cual es un criterio que hace posible comparar los sistemas
con diferentes tamaños de las unidades de transferencia de calor (Grossman y DeVault, 1995). m8 m13 (kg.s-1) 0.05 0.40 0.15 0.30 0.225 0.225 0.25 0.20 0.35 0.10
Tabla 4.3. Efecto de los valores de UA de los componentes del ciclo de refrigeración por absorción de triple-efecto con etapa de alta temperatura con Alkitratos a TH=250ºC, TC=30ºC y caudal de salida del
absorbedor ABS(2)= 0.45 kg.s-1. UA (kW.ºC-1) Caso base Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5 Caso 6 Caso 7 Caso 8 Caso 9 Caso 10 EVP(11) 11.95 5.98 23.00 11.95 11.95 11.95 11.95 11.95 11.95 11.95 11.95 ABS(12) 6.11 6.11 6.11 3.06 12.22 6.11 6.11 6.11 6.11 6.11 6.11 GEN(1) 8.50 8.50 8.50 8.50 8.50 4.25 17.00 8.50 8.50 8.50 8.50 CND(1) 17.92 17.92 17.92 17.92 17.92 17.92 17.92 8.96 35.84 17.92 17.92 HEX(15) 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 1.15 4.06 UAtotal (kW.ºC-1) 121.5 115.5 132.5 118.4 127.4 117.2 130.0 112.5 139.4 120.5 123.5 COP 1.733 1.720 1.734 1.710 1.734 1.716 1.734 1.711 1.734 1.671 1.744 QE (kW) 55.39 58.44 59.15 56.28 59.05 57.83 58.43 58.04 58.66 60.41 58.31 QE/UAtotal (ºC) 0.45 0.506 0.446 0.475 0.464 0.493 0.450 0.516 0.421 0.502 0.472 X44 (% en peso) 91.8 92.21 91.63 92.45 91.61 91.68 91.82 91.61 91.89 91.43 91.99 T44-Tcrist 11.02 4.75 11.86 7.87 10.84 9.71 10.08 11.06 9.86 26.10 0.64
El aumento en los valores del UA de los componentes promueve un mejor desempeño del ciclo, sin embargo, el incremento no es tan significativo. Sólo en el caso de doblar el valor del UA del intercambiador calor de solución HEX(15) promueve un aumento del COP de 1.733 a 1.744. Por otra parte, aunque el COP no es afectado significativamente por el valor de UA de los componentes, se puede observar en la tabla 4.3 la variación en la diferencia de temperaturas T44-Tcrist. En algunos de los casos simulados, se ha
disminuido el valor de esta diferencia de 10ºC, que es considerado el valor mínimo permisible para evitar el riesgo de cristalización. Por lo cual, el caso 1, 3 y 10 quedarían completamente descartados.
4.4.2. Comparación con ciclos con H
2O/LiBr como fluido de
trabajo
En esta sección se han comparado los resultados de varios ciclos que utilizan H2O/LiBr
como fluido de trabajo definidos previamente, con el sistema propuesto en este trabajo (figura 4.3). Basados en el objetivo de mejorar el aprovechamiento del potencial térmico de la fuente de calor de alta temperatura, así como incrementar el desempeño de los ciclos doble-efecto existentes, en primer lugar se ha comparado la configuración del ciclo de triple-efecto con etapa de alta temperatura con Alkitratos con el ciclo de doble- efecto con el fluido convencional H2O/LiBr como fluido de trabajo (figura 4.6).
H2O/LiBr como fluido de trabajo (figura 4.7) y con el ciclo de triple-efecto con etapa de
alta temperatura con Alkitratos con el arreglo de flujo en serie (figura 4.5).
Las condiciones de operación se han establecido en una misma base de comparación. Se han definido los datos de entrada de la tabla 4.1 adaptados a cada configuración del ciclo. Como parámetro de comparación se han determinado el COP y la capacidad de enfriamiento de cada ciclo. En la figura 4.15, se muestran las curvas de operación de cada ciclo en función de la temperatura de la fuente de calor, TH. La temperatura de
impulsión (agua fría) y la temperatura del agua de enfriamiento a ABS(2) y CND(6) se ha definido en 7.2ºC y 30ºC, respectivamente. En todas las configuraciones de los ciclos se ha fijado el caudal de solución a la salida de absorbedor ABS(2) en 0.45 kg.s-1 y una distribución equitativa de solución al generador de cada etapa del ciclo.
Las curvas del COP demuestran la superioridad en el desempeño de las configuraciones de triple-efecto respecto a la de doble-efecto, cuyo máximo valor alcanzado es 1.259. El ciclo de triple-efecto con H2O/LiBr muestra valores del COP mayores a la
configuración del ciclo de triple-efecto con etapa de alta temperatura con Alkitratos, hasta TH de 180ºC, a partir de esta temperatura las tendencias son ligeramente opuestas,
manteniendo el desempeño del ciclo con Alkitratos (en flujo en paralelo) por encima del ciclo de triple-efecto con H2O/LiBr. Así mismo, se confirman los resultados obtenidos
en estudios anteriores en relación del arreglo del flujo de los ciclos. El arreglo de flujo en paralelo representa una mejora de aproximadamente 20% en el COP del ciclo respecto a la configuración de flujo en serie.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 TH (ºC) COP 0 20 40 60 80 100 120 QE (k W ) Doble-efecto H2O/LiBr
Doble-efecto: H2O/LiBr COP QE
Triple-efecto: H2O/LiBr COP QE
Triple-efectoAlkitratos(paralelo): COP QE
Triple-efectoAlkitratos(serie): COP QE
Figura 4.15. Coeficiente de operación (líneas continuas) y capacidad de enfriamiento (líneas discontinuas) de cuatro ciclos de refrigeración por absorción en función de la temperatura de la fuente de calor, TH.
La capacidad de enfriamiento suele tener una tendencia inversa al comportamiento del COP, al maximizar el COP normalmente se produce una reducción en la capacidad de enfriamiento. Sin embargo, la reducción en la capacidad de enfriamiento de los ciclos
significativa. Por otra parte, se debe considerar que las condiciones de operación establecidas para los ciclos de triple-efecto en realidad no pueden ser alcanzadas por la solución de H2O/LiBr, por lo cual el desempeño de este ciclo depende del desarrollo de
nuevos materiales de construcción o aditivos que permitan resistir la intensa corrosión que se presenta a esas condiciones, así como soluciones al problema de inestabilidad térmica de este fluido de trabajo.
Por lo anterior, el ciclo de triple-efecto con etapa de alta temperatura con la solución de nitratos alcalinos representa una opción factible y con alta eficiencia que permite el aprovechamiento del potencial térmico de fuentes de calor de alta temperatura.
4.4.3. Efecto del uso de la solución acuosa de LiNO
3+KNO
3+
NaNO
2(53:35:12) como fluido de trabajo
A pesar de las ventajas obtenidas por los ciclos de múlti-etapa al aumentar el aprovechamiento de las fuentes de calor de alta temperatura, estas condiciones implican la operación de las máquinas de refrigeración por absorción a mayores niveles de temperaturas y por lo tanto a mayores concentraciones de sal. Aunque las soluciones de nitratos y nitritos alcalinos no presentan problemas por corrosión, pueden generarse dificultades en el funcionamiento del equipo debido a la baja solubilidad de la solución, cuando las condiciones de operación se aproximan al límite de solubilidad de la mezcla. Para solventar este problema, se ha estudiado la posibilidad de utilizar la solución de nitratos y nitritos alcalinos propuesta por Vargas et al. (2008), la cual posee una mayor solubilidad en agua que los Alkitratos. Con esta nueva mezcla se reemplaza el nitrato de sodio (NaNO3) de la solución de Davidson y Erickson (1986) por nitrito de sodio
(NaNO2) y se varía la proporción en las concentraciones de los demás compuestos para
obtener LiNO3+KNO3+NaNO2 (53:35:12 en proporción másica, respectivamente).
En este apartado se presentan los resultados obtenidos al simular el funcionamiento del ciclo de triple-efecto con las dos mezclas de nitratos y nitritos alcalinos H2O/LiNO3+
KNO3+NaNO3 (proporción másica de las sales 53:28:19) y H2O/LiNO3+KNO3+NaNO2
(proporción másica de las sales 53:35:12). Ambas mezclas muestran un equilibrio líquido-vapor muy similar, pero la segunda tiene la ventaja que la temperatura de cristalización desciende en alrededor de 20ºC respecto a la primera. Por ello, el intervalo de temperaturas de operación del generador se amplía.
En la tabla 4.4 se comparan los resultados de la simulación del ciclo obtenidos con la solución acuosa de nitratos alcalinos, H2O/LiNO3+KNO3+NaNO3 (53:28:19), a 250ºC,
y los resultados del mismo ciclo con la solución acuosa de nitratos y nitritos alcalinos, H2O/LiNO3+KNO3+NaNO2 (53:35:12), en las mismas condiciones de operación. No se
observan cambios sustanciales en los parámetros de desempeño de los ciclos con las dos mezclas. Sin embargo, los valores obtenidos con la solución de Vargas et al. (2008) son ligeramente mejores. De la comparación se desprende que la solución H2O/LiNO3+KNO3+NaNO2 es prometedora porque amplía el intervalo de temperaturas
de operación con un coeficiente de funcionamiento ligeramente superior al del sistema de LiNO3+KNO3+NaNO3 en una máquina de triple-efecto.
Tabla 4.4. Comparación del ciclo de triple-efecto con dos soluciones de nitratos y nitritos alcalinos de diferente composición másica de sales como fluido de trabajo en la etapa de alta temperatura.