Refrigerador de absorción - Absorption refrigerator

Termodinámica
El motor térmico clásico de Carnot
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Propiedades del sistema Nota: Variables conjugadas en cursiva Diagramas de propiedades Propiedades intensivas y extensas Funciones de proceso Trabaja Calor Funciones del estado Temperatura  / Entropía  ( introducción ) Presión  / Volumen Potencial químico  / Número de partículas Calidad de vapor Propiedades reducidas
Propiedades materiales Bases de datos de propiedades Capacidad calorífica específica  ${\ Displaystyle c =}$ ${\ Displaystyle T}$ ${\ Displaystyle \ parcial S}$ ${\ Displaystyle N}$ ${\ Displaystyle \ parcial T}$ Compresibilidad  ${\ Displaystyle \ beta = -}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ V parcial}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ parcial p}$ Expansión térmica  ${\ Displaystyle \ alpha =}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ V parcial}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ parcial T}$
Ecuaciones Teorema de carnot Teorema de clausius Relación fundamental Ley de los gases ideales Relaciones de Maxwell Onsager relaciones recíprocas Ecuaciones de Bridgman Tabla de ecuaciones termodinámicas
Potenciales Energía gratis Entropía libre
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Otro Nucleación Autoensamblaje Autoorganización Orden y desorden
Categoría
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Un refrigerador de absorción es un refrigerador que utiliza una fuente de calor (por ejemplo, energía solar , una llama de combustibles fósiles, calor residual de fábricas o sistemas de calefacción de distrito ) para proporcionar la energía necesaria para impulsar el proceso de enfriamiento. El sistema utiliza dos refrigerantes, el primero de los cuales realiza el enfriamiento por evaporación y luego es absorbido por el segundo refrigerante; se necesita calor para restablecer los dos refrigerantes a sus estados iniciales. El principio también se puede utilizar para acondicionar edificios utilizando el calor residual de una turbina de gas o un calentador de agua . El uso de calor residual de una turbina de gas hace que la turbina sea muy eficiente porque primero produce electricidad , luego agua caliente y, finalmente, aire acondicionado: trigeneración . Los refrigeradores de absorción se utilizan comúnmente en vehículos recreativos (RV), campistas y caravanas porque el calor necesario para alimentarlos puede ser proporcionado por un quemador de combustible de propano, por un calentador eléctrico de CC de bajo voltaje (de una batería o del sistema eléctrico del vehículo) o por un calentador eléctrico de red . A diferencia de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor más comunes , un refrigerador de absorción se puede producir sin partes móviles que no sean los refrigerantes.

Historia

En los primeros años del siglo XX, el ciclo de absorción de vapor utilizando sistemas de agua-amoníaco era popular y ampliamente utilizado, pero después del desarrollo del ciclo de compresión de vapor perdió gran parte de su importancia debido a su bajo coeficiente de rendimiento (aproximadamente una quinta parte del ciclo de compresión de vapor). Los refrigeradores de absorción son una alternativa popular a los refrigeradores de compresor normales donde la electricidad no es confiable, costosa o no está disponible, donde el ruido del compresor es problemático o donde hay un exceso de calor disponible (por ejemplo, de escapes de turbinas o procesos industriales, o de plantas solares).

En 1748, mientras estaba en Glasgow, William Cullen inventó la base para la refrigeración moderna, aunque no se le atribuye una aplicación utilizable. Puede encontrar más información sobre la historia de la refrigeración en el párrafo Investigación sobre refrigeración en la página Refrigeración .

La refrigeración por absorción utiliza el mismo principio que la refrigeración por adsorción (tenga en cuenta que la segunda letra es diferente), que fue inventada por Michael Faraday en 1821, pero en lugar de utilizar un adsorbedor sólido, en un sistema de absorción, un absorbedor absorbe el vapor de refrigerante en un líquido. .

El enfriamiento por absorción fue inventado por el científico francés Ferdinand Carré en 1858. El diseño original utilizaba agua y ácido sulfúrico. En 1922, Baltzar von Platen y Carl Munters , cuando aún eran estudiantes en el Instituto Real de Tecnología de Estocolmo , Suecia , mejoraron el principio con una configuración de tres fluidos. Este diseño de "Platen-Munters" puede funcionar sin bomba.

La producción comercial comenzó en 1923 por la empresa recién formada AB Arctic , que fue comprada por Electrolux en 1925. En la década de 1960, la refrigeración por absorción experimentó un renacimiento debido a la importante demanda de refrigeradores para caravanas (remolques de viaje). AB Electrolux estableció una subsidiaria en los Estados Unidos, llamada Dometic Sales Corporation. La empresa comercializa refrigeradores para vehículos recreativos (RV) bajo la marca Dometic . En 2001, Electrolux vendió la mayor parte de su línea de productos de ocio a la empresa de capital riesgo EQT, que creó Dometic como empresa independiente. Dometic seguirá vendiendo refrigeradores de absorción en 2021.

En 1926, Albert Einstein y su antiguo alumno Leó Szilárd propusieron un diseño alternativo conocido como frigorífico Einstein .

En la Conferencia TED de 2007 , Adam Grosser presentó su investigación de una nueva unidad de refrigeración de vacunas de "absorción intermitente", muy pequeña, para su uso en países del tercer mundo. El frigorífico es una pequeña unidad colocada sobre una fogata, que luego se puede utilizar para enfriar 15 litros de agua por encima del punto de congelación durante 24 horas en un ambiente de 30 ° C.

Principios

Los refrigeradores de absorción comunes utilizan un refrigerante con un punto de ebullición muy bajo (menos de -18 ° C (0 ° F)) al igual que los refrigeradores de compresor . Los refrigeradores de compresión generalmente usan un HCFC o HFC , mientras que los refrigeradores de absorción generalmente usan amoníaco o agua y necesitan al menos un segundo fluido capaz de absorber el refrigerante, el absorbente , respectivamente agua (para amoníaco) o salmuera (para agua). Ambos tipos utilizan enfriamiento por evaporación : cuando el refrigerante se evapora (hierve), se lleva algo de calor, proporcionando el efecto de enfriamiento. La principal diferencia entre los dos sistemas es la forma en que el refrigerante se cambia de gas a líquido para que el ciclo se pueda repetir. Un refrigerador de absorción vuelve a convertir el gas en líquido mediante un método que solo necesita calor y no tiene partes móviles que no sean los fluidos.

El ciclo de enfriamiento por absorción se puede describir en tres fases:

1. Evaporación : Un refrigerante líquido se evapora en un entorno de baja presión parcial , extrayendo así calor de su entorno (por ejemplo, el compartimento del frigorífico). Debido a la baja presión parcial, la temperatura necesaria para la evaporación también es baja.
2. Absorción : El segundo fluido, en un estado agotado, succiona el refrigerante ahora gaseoso, proporcionando así la baja presión parcial. Esto produce un líquido saturado de refrigerante que luego fluye al siguiente paso:
3. Regeneración : el líquido saturado de refrigerante se calienta, lo que hace que el refrigerante se evapore.

una. La evaporación ocurre en el extremo inferior de un tubo estrecho; las burbujas de gas refrigerante empujan el líquido agotado en refrigerante a una cámara superior, desde la cual fluirá por gravedad a la cámara de absorción.

B. El refrigerante gaseoso caliente pasa a través de un intercambiador de calor, transfiriendo su calor fuera del sistema (como el aire circundante a temperatura ambiente) y se condensa en un lugar más alto. El refrigerante condensado (líquido) fluirá luego por gravedad para suministrar la fase de evaporación.

De este modo, el sistema proporciona silenciosamente la circulación mecánica del líquido sin una bomba habitual. Por lo general, se agrega un tercer fluido, gaseoso, para evitar problemas de presión cuando se produce condensación (ver más abajo).

En comparación, un refrigerador de compresor usa un compresor, generalmente alimentado por un motor eléctrico o de combustión interna, para aumentar la presión sobre el refrigerante gaseoso. El gas caliente resultante a alta presión se condensa a una forma líquida al enfriarlo en un intercambiador de calor ("condensador") que está expuesto al ambiente externo (generalmente aire en la habitación). El refrigerante condensado, ahora a una temperatura cercana a la del ambiente externo pero a una presión más alta, pasa a través de un orificio o una válvula de mariposa hacia la sección del evaporador. El orificio o la válvula de mariposa crea una caída de presión entre la sección del condensador de alta presión y la sección del evaporador de baja presión. La presión más baja en la sección del evaporador permite que el refrigerante líquido se evapore, el cual absorbe el calor del compartimiento de alimentos del refrigerador. El refrigerante ahora vaporizado vuelve al compresor para repetir el ciclo.

Sistema simple de agua y sal

Un sistema de refrigeración de absorción simple común en grandes plantas comerciales utiliza una solución de bromuro de litio o sal de cloruro de litio y agua. El agua a baja presión se evapora de las bobinas que se van a enfriar. El agua es absorbida por una solución de agua / bromuro de litio. El sistema expulsa el agua de la solución de bromuro de litio con calor.

Refrigeración por absorción de agua pulverizada

Sistema de absorción de agua pulverizada

Otra variante utiliza aire, agua y una solución de agua salada. La ingesta de aire caliente y húmedo se hace pasar a través de una solución rociada de agua salada. El spray reduce la humedad pero no cambia significativamente la temperatura. El aire cálido y menos húmedo pasa luego a través de un enfriador evaporativo , que consiste en un rocío de agua dulce, que enfría y rehumedece el aire. La humedad se elimina del aire enfriado con otro rocío de solución salina, proporcionando la salida de aire fresco y seco.

La solución salina se regenera calentándola a baja presión, lo que hace que el agua se evapore. El agua evaporada de la solución salina se vuelve a condensar y se redirige de nuevo al enfriador evaporativo.

Refrigeración por absorción de presión simple

Frigorífico de absorción doméstico.
1. El hidrógeno ingresa a la tubería con amoníaco líquido.
2. El amoníaco y el hidrógeno ingresan al compartimiento interno. El aumento de volumen provoca una disminución de la presión parcial del amoníaco líquido. El amoníaco se evapora, tomando calor del amoníaco líquido (ΔH _Vap ) bajando su temperatura. El calor fluye desde el interior más caliente del refrigerador al líquido más frío, lo que promueve una mayor evaporación.
3. El amoníaco y el hidrógeno regresan del compartimiento interior, el amoníaco regresa al absorbedor y se disuelve en agua. El hidrógeno puede subir libremente.
4. Condensación de gas amoniaco (enfriamiento pasivo).
5. Gas amoniaco caliente.
6. Aislamiento térmico y destilación del gas amoniaco del agua.
7. Fuente de calor eléctrica.
8. Recipiente absorbente (agua y solución de amoniaco).

Imagen térmica de un refrigerador de absorción doméstico de tipo comparable al de la imagen etiquetada arriba. El color indica la temperatura relativa: azul = frío, el rojo es más caliente. La fuente de calor (7) está contenida íntegramente dentro de la sección de aislamiento (6).

Un refrigerador de absorción de presión única aprovecha el hecho de que la tasa de evaporación de un líquido depende de la presión parcial del vapor sobre el líquido y aumenta con una presión parcial más baja. Si bien tiene la misma presión total en todo el sistema, el refrigerador mantiene una baja presión parcial del refrigerante (por lo tanto, una alta tasa de evaporación) en la parte del sistema que extrae calor del interior de baja temperatura del refrigerador, pero mantiene el refrigerante. a alta presión parcial (por lo tanto, baja tasa de evaporación) en la parte del sistema que expulsa calor al aire a temperatura ambiente fuera del frigorífico.

El refrigerador usa tres sustancias: amoníaco , gas hidrógeno y agua . El ciclo se cierra, con todo el hidrógeno, el agua y el amoníaco recogidos y reutilizados sin cesar. El sistema está presurizado a la presión en la que el punto de ebullición del amoníaco es más alto que la temperatura del serpentín del condensador (el serpentín que transfiere calor al aire fuera del refrigerador, al estar más caliente que el aire exterior). Esta presión es típicamente 14– 16 atm a cuya presión el punto de rocío del amoníaco será de aproximadamente 35 ° C (95 ° F).

El ciclo de enfriamiento comienza con el amoníaco líquido a temperatura ambiente que ingresa al evaporador. El volumen del evaporador es mayor que el volumen del líquido, con el espacio sobrante ocupado por una mezcla de amoníaco gaseoso e hidrógeno. La presencia de hidrógeno reduce la presión parcial del gas amoniaco, reduciendo así el punto de evaporación del líquido por debajo de la temperatura del interior del frigorífico. El amoníaco se evapora, extrayendo una pequeña cantidad de calor del líquido y bajando la temperatura del líquido. Continúa evaporándose, mientras que la gran entalpía de vaporización (calor) fluye desde el interior del refrigerador más cálido al amoníaco líquido más frío y luego a más gas amoníaco.

En los dos pasos siguientes, el gas amoniaco se separa del hidrógeno para poder reutilizarlo.

1. La mezcla de amoníaco (gas) e hidrógeno (gas) fluye a través de una tubería desde el evaporador hasta el absorbedor. En el absorbedor, esta mezcla de gases entra en contacto con el agua (técnicamente, una solución débil de amoníaco en agua). El amoníaco gaseoso se disuelve en el agua, mientras que el hidrógeno, que no lo hace, se acumula en la parte superior del absorbedor, dejando la solución ahora fuerte de amoníaco y agua en la parte inferior. El hidrógeno ahora está separado mientras que el amoníaco ahora está disuelto en el agua.
2. El siguiente paso separa el amoníaco y el agua. La solución de amoníaco / agua fluye hacia el generador (caldera), donde se aplica calor para evaporar el amoníaco, dejando atrás la mayor parte del agua (que tiene un punto de ebullición más alto). Algo de vapor de agua y burbujas permanecen mezclados con el amoníaco; esta agua se elimina en el paso final de separación, pasándola a través del separador, una serie de tuberías retorcidas cuesta arriba con obstáculos menores para hacer estallar las burbujas, permitiendo que el vapor de agua se condense y drene de regreso al generador.

El gas de amoníaco puro luego ingresa al condensador. En este intercambiador de calor , el gas amoniaco caliente transfiere su calor al aire exterior, que está por debajo del punto de ebullición del amoniaco a presión máxima y, por lo tanto, se condensa. El amoníaco condensado (líquido) fluye hacia abajo para mezclarse con el gas hidrógeno liberado por el paso de absorción, repitiendo el ciclo.

Ver también

• Refrigeración por adsorción
• Bola de hielo
• Refrigerador de absorción cuántica
• Refrigerador RV

Referencias

Otras lecturas

• Levy, A .; Kosloff, R. (2012). "Refrigerador de absorción cuántica". Phys. Rev. Lett . 108 (7): 070604. arXiv : 1109.0728 . Código Bibliográfico : 2012PhRvL.108g0604L . doi : 10.1103 / PhysRevLett.108.070604 . PMID  22401189 . S2CID  6981288 .

enlaces externos

• Bombas de Calor de Absorción ( Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables ).
• Explicación de Arizona Energy con diagramas
• Ciclo del agua / bromuro de litio : refrigeración por absorción para la refrigeración del campus de BYU.
• Instituto Nacional Estadounidense de Estándares . "Estándar AHRI 560-2000 para refrigeradores de absorción" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 31 de octubre de 2012 . Consultado el 31 de marzo de 2012 .