Refrigeracion por adsorcion

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Refrigeracion por adsorcion Powered By Docstoc
					Actividades de Investigación y Desarrollo en el Área de Enfriamiento Solar
  en el Centro de Energías Renovables y Uso Racional de Energía de la
               Universidad Nacional de Ingeniería en Lima
                          Miguel Ramos, Manfred Horn, Rafael Espinoza
               Centro de Energías Renovables y Uso Racional de la Energía (CER-UNI)
                                E-mail: mramos@uni.edu.pe / cer@uni.edu.pe


                                                  RESUMEN

   El presente trabajo muestra algunos aspectos tomados como base para la construcción de un prototipo de
refrigerador adsortivo de ciclo intermitente, usando el par agua - zeolita, el cual ha sido desarrollado a partir
                 de la evaluación experimental de un refrigerador construido por "EG-Solar".


              INTRODUCCIÓN                                   4. Elaboración de un programa de simulación
                                                                para observar el comportamiento del
El presente artículo describe la actividad                      prototipo a diferentes condiciones y
principal del CER-UNI en el campo de                            parámetros ambientales.
refrigeración solar, consistente en trabajos con
un prototipo de refrigerador solar de adsorción,                      FUNDAMENTO TEORICO
usando zeolita como adsorbente y agua como
adsorbato (refrigerante).                                    Par Adsortivo Agua - Zeolita
                                                             Zeolitas.- Grupo de minerales de una clase de
El diseño y construcción de este prototipo                   aluminosilicatos cristalinos, basados en un
parte de la necesidad de mostrar una                         esqueleto estructural aniónico rígido, con
alternativa capaz de cubrir necesidades de                   canales y cavidades bien definidas, que pueden
refrigeración a pequeña escala en poblaciones                retener moléculas huéspedes removibles y
rurales aisladas. Este diseño ha sido                        reemplazables. La fórmula general de la
desarrollado tomando como base los resultados                composición de las zeolita es
y experiencias adquiridas en la evaluación                   Mx/n[AlO2)x(SiO2)y].mH2O), donde los
experimental de un prototipo diseñado y                      cationes M (Na+, K+, etc.) de valencia “n”
construido por la ONG "EG-Solar" de                          neutralizan las cargas negativas del esqueleto
Altötting, Alemania (y donado al CER-UNI),                   estructural del aluminosilicato. Existen más de
en el cual se han obtenido temperaturas de                   40 zeolitas naturales y alrededor de 150
alrededor de - 8 ºC en la superficie del                     artificiales [6]. Las zeolitas pueden utilizarse
evaporador, pero que presentó una serie de                   como agentes deshidratantes, como
dificultades para su uso práctico.                           intercambiadores de iones, como adsorbentes;
                                                             su densidad es de alrededor de 800 kg/m3 y su
Este proyecto ha sido ejecutado de acuerdo a                 costo varía de entre 0,50 y 4,00 $/kg.
las siguientes etapas:
                                                             Adsorbato Agua.- Compuesto químico cuya
1. Evaluación de un refrigerador solar                       fórmula es H2O, a temperatura entre 0 – 100 ºC
   adsortivo, prototipo "EG-Solar", con el                   (P = 1000 mbar) es un líquido insípido,
   objeto de analizar su comportamiento y                    inodoro e incoloro en cantidades pequeñas; en
   mejorar su operatividad para su posible                   grandes cantidades retiene las radiaciones del
   aplicación en poblaciones rurales aisladas                rojo, por lo que a nuestro ojos adquiere un
   en el Perú.                                               color azul.
2. Diseño y construcción de un prototipo que
   mejore        algunas         características             A      continuación   mostramos   algunas
   constructivas del prototipo anterior.                     propiedades termodinámicas del agua y el
3. Construcción y evaluación experimental                    comportamiento de la adsorción del par
   del prototipo de refrigerador "UNI",                      adsortivo, agua-zeolita, en un diagrama
   evaluación de resultados.                                 isostérico.
                                                    diferentes temperaturas de regeneración. En
Tabla 1. Presión de saturación de agua en función   ella se puede observar que una temperatura
                de la temperatura                   adecuada y suficiente para la regeneración es
                                                    250 ºC durante aproximadamente 2,5 horas.
                Líquido - Vapor
     T (ºC)   P (mbar)          T(ºC) P (mbar)
1     100     1003.50      12     45   95.93
2      95      845.54      13     40   73.84
3      90      701.39      14     35   56.28
4      85      578.34      15     30   42.46
5      80      473.90      16     25   31.17
6      75      385.78      17     20   23.39
7      70      311.88      18     15   17.05
8      65      250.33      19     10   12.28
9      60      199.41      20      5    8.72
10     55      157.58      21      0    6.11
11     50      123.50
                 Sólido – Vapor
     T (ºC)   P (mbar)         T (ºC) P (mbar)      Fig. 2 Contenido de Humedad vs. Tiempo
1     0.01     6.113       12    -20   1.036               (Diferentes Temperaturas)
2      0       6.108       13    -22   0.854
3      -2      5.177       14    -24   0.701
4      -4      4.376       15    -26   0.574           DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE
5      -6      3.639       16    -28   0.468                 REGENERACIÓN
6      -8      3.102       17    -30   0.381
7     -10      2.601       18    -32   0.309        Este proceso se realiza con la finalidad de
8     -12      2.176       19    -34   0.249        separar el vapor de agua retenido en la
9     -14      1.815       20    -36   0.202        superficie de la zeolita y se realiza mediante un
10    -16      1.510       21    -38   0.161        calentamiento externo.
11    -18      1.252
                                                    Para realizar este proceso se cierran las
                                                    válvulas A y C, y se abre la válvula B (figura
                                                    3), luego, se entrega la cantidad de calor
                                                    suficiente para realizar la separación del vapor
                                                    con el sólido, este calor es el denominado calor
                                                    integral de adsorción, equivalente a la suma
                                                    aritmética del calor de vaporización (a la
                                                    presión correspondiente) y el calor equivalente
                                                    a la energía libre, producto de la adherencia y
                                                    la posición de las moléculas líquidas en los
                                                    microporos, mesoporos y macroporos del
                                                    sólido.

                                                    El proceso se inicia con la entrega del calor
Fig 1. Isósteras del par adsortivo Zeolita 13x –    integral de adsorción, ello origina que el vapor
      H2O.                                          de agua sea expulsado del adsorbente y
                                                    obligado a atravesar el condensador, donde es
                                                    extraído su calor latente de vaporización,
En la figura 1, se muestra las isósteras del par    condensándolo y almacenándolo en la botella
adsortivo Zeolita 13x – H2O, el tipo de zeolita     captadora.
que estamos usando. Como se observa en la
figura la capacidad máxima de adsorción de          Al final del proceso se obtiene la totalidad del
agua es aproximadamente 30% de su masa.             refrigerante líquido (agua) almacenado en la
                                                    botella captadora y el adsorbente seco y listo
La figura 2 muestra los resultados de someter       para utilizarse nuevamente y adsorber los
una muestra de zeolita saturada con agua a
vapores que se generan durante el proceso de       sin embargo ésta se mantiene baja hasta
enfriamiento.                                      finalizar la etapa de adsorción, ya que los
                                                   vapores son totalmente capturados por el
                                                   adsorbente.

                                                   La figura 5, muestra el ciclo teórico de
                                                   refrigeración en el diagrama isostérico agua –
                                                   zeolita.




    Fig. 3. Esquema del proceso de regeneración


Durante el desarrollo del proceso de
regeneración se incrementa la presión del
sistema desde 1 mbar hasta la presión de
saturación correspondiente a la temperatura del     Fig. 4. Esquema del proceso de enfriamiento
condensador, obteniéndose al final del proceso
en la línea de condensación una etapa de “alta
presión” de alrededor de 40 - 100 mbar.


   DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE
         ENFRIAMIENTO

El proceso de enfriamiento se obtiene
mediante la evaporación del refrigerante.
Nuestro prototipo se encuentra diseñado para
realizar esta evaporación en forma paulatina
dosificando el ingreso del refrigerante al
evaporador por medio de una válvula
adecuada.                                          Fig. 5 Diagrama isostérico del prototipo UNI
                                                   (esquemático); masa de zeolita : 5 kg; masa de
Para el inicio del proceso se requiere haber       agua : 1 kg; AB: Adsorción isobárica;      BC:
captado la totalidad del refrigerante líquido en   Calentamiento isostérico; CD: Regeneración
la botella, con ello además se garantiza que el    isobárica; DA: Enfriamiento isostérico
adsorbente se encuentre seco. Se cierra la
válvula “A” y se abre la válvula “B” mientras
que la válvula “C” es abierta para permitir el     DESCRIPCIÓN DEL PROTOTIPO "UNI"
ingreso paulatino del refrigerante, (figura 4).
                                                   Diseño del Reactor
La presión durante el proceso de evaporación       Este dispositivo fue      diseñado    bajo     los
es alrededor de 1 mbar, es decir tenemos la        siguientes criterios:
etapa de “baja presión”. El ingreso del
refrigerante en el evaporador hace que la          1. Alojar hasta 14 kg de adsorbente (zeolita).
presión dentro de él comienza a incrementarse,
2. Distribuir adecuadamente el grano con la         cual capta el refrigerante condensado y
   finalidad de facilitar la adsorción y la         dosifica su ingreso al evaporador.
   desorción del refrigerante (agua) durante
   los procesos de adsorción o regeneración.
3. Transferir adecuadamente el calor hacia el
   grano o del grano al exterior durante los
   procesos de regeneración o adsorción
   respectivamente.
4. Su diseño facilita el cambio o extracción
   del adsorbente.
5. El reactor puede trabajar con masas de
   adsorbente menor a 10 kg y hasta 15 kg,
   dependiendo del tamaño de grano.
6. Su diseño permite su calentamiento
   mediante gases de escape por medio de
   una chimenea, o directamente por medio
   de un quemador de gas propano.
7. La figura 6 muestra el esquema del reactor
                                                        Fig. 7 Esquema del condensador
   el cual está compuesto por 14 tubos de
   0.6m de 2” de diámetro y en su interior se
   encuentra una malla metálica de 1” de         Diseño del evaporador y caja térmica
   diámetro, entre el tubo y la malla se         Este dispositivo fue diseñado bajo           los
   encuentra el adsorbente.                      siguientes criterios:

                                                 1. Con la capacidad de extraer el calor
                                                    necesario para el enfriamiento de una
                                                    cámara de 45 l.
                                                 2. Compuesto por un tubo de cobre,
                                                    dispuesto en forma horizontal con
                                                    superficies aleteadas.
                                                 3. El evaporador se encuentra dentro de una
                                                    caja térmica de poliuretano de 45 l.
                                                    adecuadamente aislada, la apertura y cierre
                                                    de esta caja es por su parte superior.




           Fig. 6 Esquema del reactor
Diseño del Condensador
 Este dispositivo fue diseñado bajo los
siguientes criterios:

1. Capaz de extraer el calor latente necesario
   para el cambio de fase vapor – líquido de
   hasta 3.5 kg de agua.
2. Compuesto por un tubo de cobre,
   dispuesto en espiral con una longitud total
   de 6 m, sumergido en agua dentro de una
   caja metálica.                                        COMENTARIOS FINALES
3. El condensador cuenta en su parte inferior
   con un recipiente (botella de vidrio), el               Fig. 8 Esquema del prototipo UNI
El prototipo UNI es cerrado, de ciclo               [4].  Antonio Pralon Ferreira Leite, Michel
intermitente, superando así los problemas                 Daguen “Performance of a new solid
presentados por el prototipo de EG-Solar.                 adsorption ice maker with solar energy
                                                          regeneration”, “Energy Conversion &
Cada componente ha sido diseñado                          Management”, 41, 1625-1647 (2000).
considerando las condiciones climáticas de la       [5]. Torresman M. A. “Etude experiméntale
selva peruana, (temperatura ambiente de 32ºC              de la cinétique d’adsorption dans les
a 38ºC), posible zona de aplicación. En esta              zeólithes”, Thése de Doctorat en
zona podemos considerar la leña como una                  Energétique.
gran fuente calorífica a utilizar, por ejemplo un         Université Pierre et Marie Curie. Paris
horno a leña cuya eficiencia sea del 50%                  6, 1991.
requerirá la quema de 8,6 kg de leña en cada        [6]. Luiz Simao de Andrade Filho
ciclo (considerando una biomasa de poder                  “Contribucao ao Estudo Experimental
calorífico 2240 kJ/kg).                                   da Difusao de Calor e Massa em Sílica
                                                          Gel”, Tese de doutorado
Las presiones de trabajos serán: presión                  Universidade Federal da Paraiba, Joao
mínima de 1 a 2 mbar. (proceso de                         Pessoa, PB, Brasil (2001).
enfriamiento) y presión máxima de 100 mbar.         [7]. Miguel      Ramos,      Manfred Horn
(proceso de regeneración).                                “Comportamiento experimental de un
                                                          refrigerador por adsorción” “Memorias
                                                          del I Encuentro Iberoamericano de
       BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA                             Refrigeración y Aire Acondicionado
                                                          Solar”, memorias, Sevilla, España
[1].   Antonio Pralon Ferreira Leite “Sistema             (2001).
       Frigorífico a Adsorcao Utilizando            [8]. Miguel Ramos, Manfred Horn,
       Carvao       Ativado   Metanol     com             “Diseño preliminar de un prototipo
       Regeneracao por Energía Solar” Tese                experimental de refrigeradora      por
       presentada en concurso publico para                adsorcion”, “IX Simposio Peruano de
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