Ciclos de refrigeración
La
refrigeración típicamente se lleva a cabo usando uno de dos diferentes métodos.
Aunque existen otros métodos para aplicaciones de frío, el ciclo de compresión
de vapor y el ciclo de absorción son los dominantes en las aplicaciones de hoy.
El ciclo de compresión de vapor puede considerarse como un ciclo de Rankine inverso. Utiliza cuatro etapas principales para extraer el calor de un intercambiador de calor (que reduce la temperatura ambiente alrededor) que se denomina evaporador hasta un intercambiador de calor secundario para añadir energía a los alrededores de este intercambiador de calor (el condensador).
Los cuatro
pasos utilizados son los siguientes:
- El fluido se transfiere al fluido de trabajo a presión constante a través del evaporador.
- Ocurre una compresión isentrópica del fluido de trabajo, usualmente mediante el bombeo mecánico con suministro de energía externo para realizar el trabajo.
- El calor se transfiere desde el fluido de trabajo que fluye a presión constante a través del condensador al aire alrededor del condensador. El fluido de trabajo deja el condensador como un líquido.
- La expansión del fluido de trabajo ocurre por el uso de una válvula de expansión. El fluido de trabajo es estrangulado a una mezcla de vapor líquido en dos fases, en el tiempo que el fluido de trabajo entra en el evaporador. El fluido de trabajo luego retorna a la primera etapa del ciclo de compresión de vapor.
Ciclo de absorción
Un segundo
método de refrigeración es el ciclo de refrigeración por absorción. La segunda
etapa del ciclo de compresión de vapor (ej. el compresor) se reemplaza por
equipos que consisten en un absorbedor, bomba, generador y válvula y un
absorbente secundario se añade al ciclo.
En la
siguiente figura se utiliza un esquema de un sistema del ciclo de absorción
simplificado.
Una vez el
fluido de trabajo deja el evaporador, va al absorbedor donde es absorbido por
el absorbente secundario para formar una solución líquida. Esta solución luego
se eleva a una presión más alta (usualmente por medios mecánicos) y en este
punto tendremos una solución fuerte. En el generador, el fluido de trabajo
inicial se reclama por medio de calor adicional que se añade al sistema y una
solución débil es realimentada al absorbedor a través de una válvula de una
vía.
Una ventaja
del ciclo de absorción es que se requiere menos energía para bombear las
soluciones que en el ciclo de compresión de vapor en el que se usa un único
fluido tal como el amoniaco. Sin embargo deben analizarse los requerimientos de
energía térmica para la recuperación del absorbente. Donde hay disponibles
fuentes de calor residual, el ciclo de absorción puede usar esta energía
térmica para recuperar el absorbente, lo cual ofrece la ventaja de ayudar para
proporcionar una solución de refrigeración con calor residual.
A veces se
usa agua como medio de refrigeración en el condensador y bromuro de litio como
fluido absorbente en el ciclo de absorción de vapor. Este uso de agua como
refrigerante sin embargo ofrece una limitación de enfriamiento de 273 º K. Una
alternativa con la que podemos superar el límite de 273 ºK es usar amoniaco como refrigerante y agua
como fluido absorbente. A pesar de sus limitaciones de temperatura, el ciclo
basado en bromuro de litio es el más comúnmente usado en la implementación del
ciclo de absorción de vapor en aplicaciones comerciales.
REVISIÓN DE TECNOLOGÍAS PARA RECUPERACIÓN
DEL CALOR RESIDUAL
Hay un
amplio rango de fuentes de calor residual en un contexto industrial.
Además, casi
todos los procesos de recuperación de calor implican el uso de intercambiadores
de calor para recuperar energía y transferirlo a un fluido de trabajo
secundario para otro proceso. Consideramos diferentes tipos de intercambiadores
de calor y sus aplicaciones.
También
revisamos las tecnologías de generación con bombas de de calor.
Estas
tecnologías incorporan algunos de los ciclos de ingeniería discutidos
anteriormente, cuya consideración es importante para cuantificar el resultado
previsible de los proyectos de eficiencia energética que vamos a considerar
para un establecimiento industrial.
Energía transmitida
Desde el
momento en el que estudiamos un proyecto de recuperación de energía residual
industrial debemos plantear cómo capturar la energía. Aunque varias tecnologías
pueden ofrecer diferentes formas de recuperación de energía para su
reutilización, las dos formas de energía que en último término están
disponibles para su uso posterior, son la energía térmica y eléctrica.
Energía térmica
La energía
térmica es uno de los dos tipos típicos de recuperación de energía obtenidos,
usualmente en forma de calor.
Uno de los
problemas con la energía térmica en forma de aire o agua calientes es que puede
ser difícil convertir la energía en otras formas de energía útil. A bajos
niveles, es por lo tanto solo utilizable para aplicaciones de calentamiento y
enfriamiento. A niveles bajos, es por lo tanto utilizable únicamente en
aplicaciones de calentamiento y enfriamiento.
Algunos
ejemplos de utilización de energía residual industrial a baja temperatura son
la aportación de energía a piscifactorías o para el cultivo bajo invernadero.
Existen experiencias de reparto de energía térmica residual a distancias de
hasta 2 km para este tipo de aplicaciones.
Energía eléctrica
La segunda
forma de energía que típicamente se deduce de los procesos de energía térmica
residual es la energía eléctrica. La electricidad tiene flexibilidad
significativa en su uso y distribución sobre la energía térmica.
Puede
impulsarse un amplio rango de aplicaciones ya sea en el proceso industrial o
puede inyectarse en una red existente y ser distribuida eficientemente a
grandes distancias.
La
electricidad puede sólo ser realísticamente generada a altas eficiencias por
medio de trabajo mecánico llevado a cabo en una turbina para producir trabajo
mecánico y luego impulsar un generador eléctrico.
El efecto
termoeléctrico puede también ser usado para generar electricidad, con sistemas
como dispositivos de Peltier por ejemplo. Tienen ventaja sobre ciclos térmicos
porque requieren pocas partes térmicas para su operación. Sin embargo tienen
baja eficiencia en su operación cuando se comparan con los ciclos térmicos.
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