ES2402274B1 - Procedimiento de funcionamiento de dispositivo de refrigeración por absorción de simple etapa - Google Patents

Procedimiento de funcionamiento de dispositivo de refrigeración por absorción de simple etapa Download PDF

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Abstract

Procedimiento de funcionamiento de dispositivo de refrigeración por absorción de simple etapa.#Procedimiento de funcionamiento de dispositivo de refrigeración por absorción de simple etapa, cuyo fluido de trabajo es una mezcla ternaria de amoníaco/nitrato de litio + agua, en el que:#- el refrigerante es el amoníaco;#- el absorbente es la disolución de nitrato de litio + agua;#caracterizado por el hecho de que la concentración en masa de agua del vapor de salida del generador es inferior a 1%, de modo que es posible prescindir de rectificador.

Description

PROCEDIM lENTO DE FUNCIONAMIENTO DE DISPOSITIVO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE SIMPLE ETAPA
La presente invención se refiere a un procedimiento de funcionamiento de dispositivo 5 de refrigeración por absorción que utiliza amoniaco como refrigerante y nitrato de litio
o soluciones acuosas de nitrato de litio como absorbente en un ciclo de simple etapa, para la producción de frío (refrigeración) aprovechando el calor residual de motores alternativos de combustión interna.
10 ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
Los dispositivos de refrigeración por absorción de amoniaco/agua para la producción de frío (refrigeración) en sistemas de cogeneración con motores de combustión interna alternativos aprovechan únicamente el calor residual de los gases de escape para su
15 activación ya que requieren una temperatura relativamente elevada para su accionamiento. Estos equipos de refrigeración por absorción utilizan la mezcla amoniaco/agua y requieren la incorporación de un rectificador para reducir el contenido de agua de los vapores que salen del generador. Esta rectificación reduce la capacidad frigorífica y
2 O penaliza el rendimiento del ciclo. Para aprovechar mejor el potencial térmico del calor residual utilizando también el agua caliente del circuito de refrigeración de las camisas del motor, puede utilizarse la mezcla amoniaco/nitrato de litio en los equipos de refrigeración por absorción, ya que requieren temperaturas de activación de hasta veinte grados por debajo de las
25 requeridas para el amoníaco/agua. Otra ventaja de estos equipos de refrigeración por absorción utilizando dicha mezcla amoniaco/nitrato de litio es que no requieren rectificador al ser los vapores que se producen en el generador totalmente puros en amoniaco. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la solubilidad de las soluciones de amoniaco/nitrato de litio no es total y que existe una temperatura de cristalización
3 O que limita la operatividad de este tipo de equipos. Además, las mejoras expuestas desde el punto de vista termodinámico quedan limitadas en la práctica por las desfavorables propiedades de las disoluciones de amoníaco/nitrato de litio, en especial su mayor viscosidad y menor conductividad térmica en comparación con las disoluciones de amoníaco/agua, que perjudican los procesos de transferencia de calor
35 Y de materia fundamentalmente en el absorbedor, por lo que se requieren superficies de
transferencia mucho mayores que pueden llegar a hacer inviable la instalación.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
5 Con la finalidad de mantener las ventajas de los equipos de refrigeración por absorción con amoniaco/ nitrato de litio frente a los de amoniaco/ agua, aprovechar mejor el calor residual, mejorar su operatividad y reducir el efecto adverso de las propiedades de transporte, viscosidad y conductividad ténnica, de las soluciones en el proceso de absorción del amoniaco que tiene lugar en el absorbedor, se propone un procedimiento
10 de funcionamiento de dispositivo de refrigeración por absorción, cuyo fluido de trabajo
es una mezcla ternaria de amoníaco/ nitrato de litio + agua, en el que: el refrigerante es el amoníaco; el absorbente es la disolución de nitrato de litio + agua;
y que se caracteriza por el hecho de que la concentración en masa de agua del vapor de
15 salida del generador es inferior a 1%, de modo que es posible prescindir de rectificador. Con estas características se consigue: -mayor intervalo de solubilidad, lo que permite evitar problemas de cristalización de las disoluciones en los periodos en que el equipo o la planta de refrigeración este fuera
2 O de servicio. -la viscosidad de la disolución de amoniaco/ nitrato de litio + agua en el absorbedor puede ser de hasta un 50% inferior con respecto a la de amoniaco/ nitrato de litio en las misma condiciones de operación. -la conductividad térmica de dicha disolución ternaria también experimenta una
25 mejora de hasta un 10% respecto a la mezcla salina binaria. -con la mezcla ternaria propuesta pueden conseguirse mejoras del coeficiente de transferencia de calor en el absorbedor de hasta un 60%, así como en el flujo de vapor de amoniaco absorbido por unidad de superficie de hasta un 40% respecto a la mezcla binaria salina.
3 O -también puede incrementarse el coeficiente de transferencia de calor en el generador hasta en un 40% respecto a la mezcla binaria salina en las mismas condiciones de operación. -en las condiciones de operación de la aplicación propuesta no se hace necesario la rectificación de los vapores que salen del generador.
35 La invención halla una aplicación especial en dispositivos que presentan las siguientes características, tomadas individualmente o en combinación siempre que sea posible. -se emplea un foco caliente con temperatura comprendida entre 90 y 120°C. Estas temperaturas se pueden obtener utilizando el calor residual de los motores alternativos de combustión interna, disponible en forma de agua caliente en el circuito de refrigeración con temperatura comprendida entre 85 y 110 °C y/o en los gases de escape que tienen una temperatura entre 440 y 530 oC. -se emplea un foco de disipación con temperatura comprendida entre 10 Y 40 oc. La temperatura de 10°C se ha tomado como el límite inferior de la temperatura de disipación en el periodo invernal y la de 40°C como el límite superior correspondiente al periodo estival. La disipación se realiza por aire y/o agua. El aire atmosférico y el agua de torre de refrigeración como medios de disipación de calor presentan diferencias de temperaturas que pueden ser hasta de 10 °C dependiendo de la humedad del aire. -se emplea un foco frío con temperatura comprendida entre -20 y 5 oC. La temperatura de -20 oC corresponde a la temperatura mínima de la demanda del frío y la de 5° C a la temperatura típica de aplicaciones de conservación. -la concentración en masa de agua en el absorbente está comprendida entre 15 y 30%. De esta manera el equipo puede operar sin rectificador y en los intervalos de temperatura de activación entre 90 y 120 oC y de disipación entre 10 Y 40 oc.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LOS DmUJOS
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización. La figura I es un esquema general de una realización preferida del dispositivo de refrigeración por absorción activado por el calor residual de un motor de un sistema de cogeneración. En la figura se ilustra un esquema del dispositivo de la invención en el que el sentido de circulación de los circuitos está indicado mediante flechas.
DESCRIPCiÓN DE UNA REALIZACiÓN PREFERIDA
La descripción que sigue permite apreciar con detalle las diferentes partes que forman el dispositivo de generación de electricidad 1, el sistema de recuperación del calor residual 2 y el sistema de refrigeración por absorción 3 y que ilustran un modo de realización preferido del dispositivo. Según la forma de realización, el módulo de generación de electricidad 1 puede estar fomlado por un motor alternativo de combustión interna en ciclo Otto 4, funcionando con gas natural como combustible 6, los gases de escape del cual 7 tienen una
5 temperatura entre 440 y 530 oc. También hay un calor disponible de la refrigeración del motor, obtenido en forma de agua caliente y unas temperaturas que oscilan entre 85 y 110 °C 8. El motor de combustión hace girar el generador 5 para generar electricidad
9.
El sistema de recuperación de calor 2 incluye un intercambiador de tipo placas 5 para
10 recuperar el calor del agua de refrigeración del motor y un intercambiador del tipo tubos con alteas 6 para recuperar el calor de los gases de escape del motor de combustión interna 4. Un circuito de agua caliente a presión 8 circula entre el motor de combustión interna 4 y el intercambiador de calor de agua 5. El agua a presión se calienta al refrigerar el motor de combustión interna 4 y es alimentada al
15 intercambiador 5 donde cede calor a otro circuito de agua a presión 10 y vuelve de nuevo al motor de combustión interna 4 siguiendo el circuito 8. El agua a presión se hace circular entre el motor de combustión interna 4 y el intercambiador de calor 5 mediante la bomba 11 intercalada en el circuito 8. Además, el circuito 8, incluye un intercambiador tipo aereorefrigerante 7 cuyo ventilador se activa cuando la válvula de
2 O tres vías desvía parte del caudal por el intercambiador 7. El sistema de recuperación de calor 2 también incluye un intercambiador 6 para recuperar el calor de los gases de escape del motor. Dichos gases de escape del motor de combustión interna 4 pasan a través del recuperador de calor 6 siguiendo el tubo de escape 7. Los gases ceden calor al circuito de agua a presión 10 y son descargados a la
25 atmósfera a través del conducto de gases de escape 12. El circuito de agua caliente a presión 10 del sistema de recuperación de calor también incluye una bomba para hacer circular el agua caliente a presión a través del intercambiador 5, el recuperador de calor 6 y del generador 16 del sistema de absorción 3.
3 O Finalmente, el sistema de recuperación de calor 2 incluye un sistema de control no mostrado en la figura que controla las válvulas de tres vías 17, 18 y 43. La válvula de control de tres vías 17 desvía parte del caudal que circula por el circuito 8 hacía el intercambiador 7 si la temperatura de retorno del agua al motor 4 supera el máximo establecido por el fabricante. La válvula de control de tres vías 18 desvía parte del
35 caudal que circula por el circuito 10 hacia el recuperador de calor 6 para conseguir la temperatura requerida a la entrada del generador 16 del sistema de absorción 2. La válvula de control 43 cierra el paso por el intercambiador 5 cuando la temperatura del agua del circuito de agua a presión 10, a la entrada del intercambiador 5, supera la temperatura del agua a presión 10 del circuito 8 a la salida del motor de combustión
5 interna 4. El sistema de refrigeración por absorción 3, de la presente invención, consta de un generador 16, un depósito separador 19, un condensador refrigerado por aire 20, un depósito de acumulación de refrigerante 21, una válvula de expansión electrónica de refrigerante 28, un evaporador 22, un absorbedor 24, un intercambiador de solución
10 25, un depósito de solución 26, un bomba de solución 27, un sistema de expansión de la solución 29 y un intercambiador en el circuito de disipación de calor del absorbedor
23. El funcionamiento del sistema de absorción es el siguiente: el agua caliente a presión del circuito 10 es bombeada por la bomba 13 y se calienta en el intercambiador 5. Si a
15 la salida del intercambiador 5 la temperatura del agua es inferior a la requerida por el sistema de absorción 3 parte del caudal de agua se hace circular por el intercambiador 6 para aumentar la temperatura. La corriente de agua es a continuación alimentada al generador 16 y transfiere calor a la solución. En el sistema de refrigeración por absorción 3, con el calor cedido por el agua del
20 circuito de calentamiento 10, se calienta la solución que entra al generador 16 hasta la temperatura de ebullición, obteniéndose a la salida del generador una corriente bifásica 31 que se separa en el separador 19. Por la parte superior del separador 19 sale una corriente de vapor recalentado 32 con una composición de amoniaco superior al 99%. Estos vapores son condensados en el condensador 20, cediendo el calor de
25 condensación al aire exterior y obteniéndose una corriente líquida de refrigerante 33 que es alimentada al tanque de acumulación de refrigerante 2 1. La alimentación de refrigerante al evaporador de expansión seca 22 es controlada mediante la válvula electrónica 28 que mantiene un recalentamiento en la corriente de salida del evaporador 36. El calor necesario para evaporar el refrigerante se obtiene del
3 O enfriamiento de una corriente de agua glicolada que se había calenta.do en las cámaras frigoríficas. La solución concentrada en absorbente nitrato de litio+agua sale por la parte inferior del separador 19 y mediante la línea 37 es alimentada al intercambiador de solución 25 donde cede calor a la corriente 40 que procede del tanque de almacenamiento de
35 solución 26. La solución concentrada en absorbente sale del intercambiador de
solución 25 a través de la corriente 38 y es expansionada mediante la válvula de expansión 29 hasta el nivel de baja presión del absorbedor. La válvula de expansión 29 es controlada por el nivel del tanque de solución 26. Finalmente, la solución concentrada en absorbente se dirige al absorbedor 24 donde se pone en contacto con el 5 vapor de refrigerante que llega al absorbedor a través de la línea 36. Mediante un sistema de absorción en burbujas, la solución absorbe los vapores de refrigerante y a la salida del absorbedor se obtiene diluida en absorbente nitrato de litio+agua que, mediante la bomba de solución 27, es bombeada desde el tanque de almacenamiento de solución 27 al intercambiador de solución 25 donde aumenta su temperatura con el 10 calor cedido por la solución concentrada. Desde el intercambiador de solución 25, la solución diluida llega al generador 16 par iniciar de nuevo el ciclo. El calor cedido en el proceso de absorción es transferido al aire exterior mediante el circuito de enfriamiento 42 que incluye la bomba de circulación de agua 30 y el aereorefrigerante
23.
15 El sistema de control del sistema de absorción 3 actúa sobre la válvula de control 18 para seleccionar la óptima temperatura de la corriente lOa la entrada del generador 16.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    l. Procedimiento de funcionamiento de dispositivo de refrigeración por absorción de simple etapa, cuyo fluido de trabajo es una mezcla ternaria de amoníacol nitrato de litio + agua, en el que:
    el refrigerante es el amoníaco;
    el absorbente es la disolución de nitrato de litio + agua; caracterizado por el hecho de que la concentración en masa de agua del vapor de salida del generador es inferior a 1%, de modo que es posible prescindir de rectificador.
  2. 2.
    Procedimiento según la primera reivindicación, en el cual se emplea como foco caliente el calor disponible de la refrigeración de los motores alternativos de combustión interna, obtenido en forma de agua caliente y unas temperaturas que osci lan entre 85 y 110 oc.
  3. 3.
    Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual se emplea como foco caliente el calor disponible de los gases de escape de los motores alternativos de combustión interna, que tienen una temperatura entre 440 y 530 oC.
  4. 4.
    Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual se emplea como foco caliente una combinación del calor disponible de la refrigeración de los motores alternativos de combustión interna, obtenido en forma de agua caliente y unas temperaturas que oscilan entre 85 y 110 oC, y el calor disponible de los gases de escape de los mismos, que tienen una temperatura entre 440 y 530 oC.
  5. 5.
    Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual se emplea aire y/o agua como foco de disipación con temperatura comprendida entre 10 Y 40"C.
  6. 6.
    Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual se emplea un foco frío con temperatura comprendida entre -20 y 5°C.
  7. 7.
    Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la concentración en masa de agua en el absorbente está comprendida entre 15 y 30%,
    dependiendo de la temperatura del foco frío requerida y del sistema de disipación utilizado.
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