Caracterización experimental y modelización de una enfriadora de absorción de simple/doble efecto de h2o-libr con accionamiento a dos temperaturas para climatización de edificios

Abstract

Durante la última década se produjo un enorme crecimiento de la implantación de la climatización de edificios, motivada por el aumento de los requerimientos de confort y de productividad de la población, entre otras causas. Los equipos de climatización más difundidos se accionan mediante energía eléctrica, lo que combinado con la gran simultaneidad de la demanda de climatización y su elevado consumo, provocan puntas de demanda de electricidad que sobrecargan las redes y frecuentemente ocasionan cortes de suministro eléctrico. Los sistemas de climatización basados en máquinas de absorción son una alternativa para disminuir la demanda de electricidad para climatización durante el verano y utilizar las redes de distribución de gas natural que en dicha temporada se encuentran generalmente ociosas. Además las máquinas de absorción, al ser activadas térmicamente, pueden utilizar calor proveniente de plantas solares o calor residual de procesos. Lo que puede llevar a una reducción del consumo de energía primaria y a una disminución de la emisión de gases de efecto invernadero asociados a la climatización. No obstante, para llegar a concretar esta posibilidad, se debe efectuar una selección cuidadosa de la tecnología a utilizar y un diseño muy delicado; dado que se observó que algunas plantas de climatización solar consumen, a lo largo del año, más energía primaria como respaldo que una planta de climatización accionada mediante energía eléctrica. Los sistemas de climatización solar actuales basados en equipos de simple efecto difícilmente pueden llegar a competir con los sistemas de refrigeración por compresión más eficientes, no solo en coste económico sino incluso en reducción del consumo de energía primaria. Es por ello que sería conveniente desarrollar sistemas de doble efecto o combinados de simple/doble efecto que permitan incrementar el aprovechamiento de la energía solar térmica disponible. El objetivo principal de esta tesis es el modelado y el ensayo de una enfriadora de agua por absorción de simple/doble efecto, de agua/LiBr que puede activarse a dos niveles de temperatura. En esta tesis se investigan las características de los ciclos de refrigeración con activación térmica a dos temperaturas en general y, en particular, un prototipo de máquina de refrigeración por absorción de doble etapa basado en el par H2O-LiBr con accionamiento mediante agua caliente a 165ºC como doble efecto y simultáneamente a 165ºC y 90ºC, en modo combinado de simple/doble efecto. En todos los casos con disipación mediante torre de enfriamiento y producción de agua fría a aproximadamente 6ºC. Este equipo permite emplear energía solar térmica para aportar calor al generador de baja temperatura y presión, y cuando este calor no está disponible, el calor auxiliar necesario para suplirlo se puede suministrar a más alta temperatura con lo que el equipo puede operar a un COP más elevado. Se desarrollaron cuatro modelos que enumerados en orden de complejidad creciente son el modelo reversible, endorreversible, termodinámico y térmico detallado. El modelo reversible es un modelo muy simple, totalmente ideal y solo acota las eficiencias a un máximo ideal en función de las temperaturas. El modelo endorreversible considera las irreversibilidades producidas en los intercambios de calor entre el exterior y el interior del ciclo, permitiendo evaluar someramente la distribución del área total de intercambio de calor entre los componentes principales de una máquina; acotando además la potencia máxima de refrigeración. En el modelo termodinámico se consideran, además de las irreversibilidades externas, las principales irreversibilidades internas, asociadas a flujos de calor y flujos de materia, permitiendo estudiar la distribución de áreas y reproduciendo fielmente la variación de la eficiencia con la potencia de refrigeración. En el último modelo, el denominado térmico detallado, se introducen las propiedades de la mezcla H2O-LiBr, las ecuaciones de transmisión de calor y los balances de materia y energía; lográndose predecir el comportamiento de la máquina, los diferentes estados por los que evoluciona la mezcla, y los flujos de materia y energía. Al comparar la distribución de superficies de intercambio de calor obtenida mediante los modelos, con la distribución real del prototipo, se observa que en general los modelos asignan mayor superficie al evaporador y menores superficies a los generadores, absorbedor y condensadores. Respecto al COP se obtienen valores de 1.18 para operación solo con accionamiento a alta temperatura y 0.73 con accionamiento solo a baja temperatura con una variación lineal entre ambos casos. Se examinó y reacondicionó integralmente un prototipo de enfriadora de agua por absorción de H2OLiBr, de simple/doble efecto, de 200 kW de potencia de refrigeración. Se diseñó y construyó una instalación experimental para ensayar el prototipo, compuesta principalmente de dos calderas, torre de enfriamiento y servicios de aire comprimido, entre otros. Se ensayó el prototipo con accionamiento a dos temperaturas y se analizó la influencia de las temperaturas de accionamiento, la temperatura del agua fría y de disipación de calor al ambiente sobre el COP y su variación con la carga de refrigeración. Para procesar la gran cantidad de datos experimentales obtenidos, se utilizó una metodología que combina la reconciliación de datos, con la detección de errores sistemáticos y que permite además la determinación de los errores en los datos reconciliados y su propagación a las variables calculadas. Con accionamiento únicamente a alta temperatura se logró un COP de 1.14 y una potencia de enfriamiento de hasta 160 kW. Para una combinación de potencias de accionamiento de 72 kW a una temperatura de 91ºC, complementada con 80 kW a 157ºC se logró una potencia de enfriamiento de 134 kW exhibiendo un COP de 0.87. Los resultados obtenidos permiten demostrar de forma teórica y experimental la factibilidad técnica y los beneficios del accionamiento de una enfriadora a dos temperaturas.