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¿Enfriando con el calor solar?
A. González Arias, Juv. Tec. Digital 18 Marzo, 2009
Figura 1. Climate-Well 10, Lansolar
Y si algo tenemos de sobra en los trópicos es sol y calor, de ahí que tales sistemas sean, en principio, muy promisorios para los países tropicales. Antes de describir brevemente el funcionamiento de estos sistemas, resulta conveniente revisar algunas ideas básicas sobre la refrigeración. Cuando una sustancia en fase líquida pasa a fase vapor, absorbe el calor de vaporización. Y cuando se condensa, desprende el calor de condensación en igual cantidad. En el caso del agua, este calor tiene un valor de 560 calorías/gramo (figura 2). Ambos procesos ocurren esencialmente a la misma temperatura. Al calentar agua a un régimen constante, esta absorbe calor y eleva su temperatura (tramo azul en la figura). Sin embargo, al llegar a los 100oC el incremento se detiene y el calor absorbido no se emplea en seguir elevando la temperatura, sino en disgregar las moléculas de agua para que pasen a fase vapor. Si el vapor se recoge y se enfría, volverá a licuarse al llegar a los 100oC, desprendiendo la misma cantidad de calor que fue absorbido anteriormente (calor de condensación).
En la transición sólido-líquido a 0oC (hielo-agua) ocurre algo similar; en este caso tendremos los calores de fusión y solidificación, según la transición avance en uno u otro sentido. Si durante el paso de líquido a vapor la presión en el sistema disminuye, se favorece el paso a la fase vapor, ya que las moléculas se pueden disgregar más fácilmente. Si la presión aumenta ocurre lo contrario; se favorece el paso a la fase líquida. Esta propiedad de las sustancias de absorber y emitir calor durante las transiciones de fase es la que se utiliza en la mayoría de los sistemas de enfriamiento para extraer calor de algún recinto cerrado.
El refrigerador convencional En la figura 3 se muestra el ciclo recorrido por un refrigerador convencional. El sistema está formado por tuberías, un compresor B y una válvula de expansión C.
Los tubos se llenan parcialmente con una sustancia de
temperatura de vaporización adecuada. El compresor, movido por
electricidad, mantiene una diferencia de presión constante entre el
evaporador (arriba) y el condensador (abajo), extrayendo vapor de la
región de baja presión en A e inyectándolo en la de alta presión en
D.
Figura 3. Esquema del ciclo de enfriamiento de un refrigerador convencional.
El evaporador se coloca dentro del lugar que se desea enfriar (por ejemplo, el congelador) y el condensador se ubica en el exterior. La válvula de expansión (un pequeño agujero o estrangulación que limita el paso del líquido) contribuye a regular la diferencia de presión entre ambas regiones. En el condensador el incremento de la presión causa la condensación forzada del líquido, con el correspondiente desprendimiento del calor de condensación, que es enviado al medio ambiente mediante un serpentín intercambiador. Por otra parte, en el evaporador, el líquido a baja presión es forzado a evaporarse, absorbiendo el calor de los alrededores. Precisamente, esta extracción de calor es la que causa la disminución deseada de la temperatura y el consiguiente enfriamiento. En un equipo de aire acondicionado el condensador se ubica en el exterior del edificio y se añade un ventilador al evaporador para hacer circular el aire, que va colocado dentro de la habitación. Desde luego, la selección de la sustancia de trabajo para lograr que la condensación y la vaporización tengan lugar en el intervalo adecuado de temperaturas es esencial. Durante muchos años, los compuestos de clorofluocarbono (CFC) fueron los más utilizados internacionalmente para estos fines. Actualmente han ido sustituyéndose por otros menos agresivos, pues los CFC, al pasar al medio ambiente, contribuyen de manera importante a la destrucción de la capa de ozono, sin la cual la vida en la tierra no podría existir.
El refrigerador solar
Esta novedad se basa en el uso de celdas solares
(figura 4) para energizar el compresor de la figura 3. El proyecto
Solarchill, promovido por un conjunto de instituciones
internacionales, dio origen a un modelo de refrigerador solar capaz
de funcionar en los períodos de sombra sin baterías. Mantiene el
frío almacenando hielo en una serie de compartimentos en su parte
más alta.
Figura 4. Celda solar del Solarchill ►
Cuando no hay sol, el aire frío y denso desciende por gravedad hacia el compartimiento de almacenaje, manteniéndolo fresco. Al funcionar las celdas solares la circulación del aire se refuerza mediante unos ventiladores que contribuyen a distribuir el frío y crear hielo. Un termostato ayuda a mantener la temperatura en los niveles deseados. Uno de los modelos, diseñado específicamente para almacenar vacunas, mantiene la temperatura entre los 0ºC y los 8ºC en los ciclos de alta insolación, y en los de baja insolación las temperaturas permanecen por debajo de los 15ºC hasta por 5 días. Estos niveles térmicos permiten la adecuada conservación de las vacunas.
Enfriando con el calor A: El refrigerador de absorción La idea de enfriar con el calor no es nueva. La primera patente de un refrigerador de absorción, que trabaja sólo con la energía proveniente de una llama, data de 1922. Los más usuales emplean como sustancia de trabajo una mezcla de amoniaco, hidrógeno y agua; los de nueva generación utilizan bromuro de litio. El sistema no tiene partes móviles y quema kerosén o gas para funcionar. La presión total dentro del sistema de enfriamiento es aproximadamente constante; sin embargo, la presión parcial de los vapores de amoniaco puede variar de una región a otra del sistema, al disolverse una mayor o menor fracción en el agua. La función del amoniaco es absorber y entregar calor. La del agua, circular para mantener una baja presión de vapor de amoniaco en el evaporador y una alta presión en el condensador, mientras que el hidrógeno a presión evita la descomposición del amoniaco con el calor, de acuerdo a la reacción de equilibrio
NH3(g) = 1/2N2(g) + 3/2H2(g) ΔHº = 91.8 kJ
El esquema simplificado de un sistema de este tipo se
muestra en la figura 3. El proceso ocurre de forma continua, y el
ciclo recorrido por cada porción de la disolución es aproximadamente
el siguiente:
Figura 5. Esquema del refrigerador de absorción. El calor de una llama alimentada por kerosene o gas se aplica directamente al agua con amoniaco disuelto en el generador (1), y el amoniaco es expulsado, arrastrando algo de agua hasta el separador (2). Allí el agua se separa del amoniaco por gravedad y se enfría, mientras que los vapores de amoniaco a alta presión viajan al condensador (3), donde pasan a fase líquida entregando calor al medio ambiente. El amoniaco licuado se dirige por un estrechamiento al evaporador (4) a menor presión, y se evapora, absorbiendo calor y causando en enfriamiento de los alrededores. En el recombinador (5) los vapores de amoniaco generados en (4) se reabsorbidos en el agua ya enfriada proveniente de (2), manteniendo así la necesaria baja presión en (4). Finalmente, la disolución que se forma regresa al generador (1) para comenzar un nuevo ciclo de enfriamiento.
B: Climatizando con el calor solar El sistema introducido recientemente por la compañía hispano-sueca Climate-Well emplea directamente la energía térmica solar para enfriar (figura 1), utilizando como sustancia de trabajo una disolución de cloruro de litio (LiCl). Como característica novedosa, adicional al cambio de estado liquido-vapor usado comúnmente para enfriar, también emplea el cambio de estado sólido-líquido, en este caso para almacenar energía. El calor necesario para hacer funcionar el dispositivo también se puede obtener de cualquier otra fuente térmica, no sólo del panel solar. El sistema emplea sólo una fracción pequeña de la energía eléctrica consumida por los modelos convencionales equivalentes, pues el ciclo de refrigeración no necesita compresor. Según los fabricantes, está diseñado para aportar una solución sostenible para la climatización de todo tipo de inmuebles, pero su gran peso y tamaño (70x70x185 cm y un peso de 740 kg) sugieren más bien un empleo en áreas amplias y de fácil acceso, tales como edificios comunitarios y oficinas. También se puede utilizar como apoyo para reducir el consumo energético en centros comerciales, hospitales y similares. Entre los beneficios reportados se enumeran el ahorro de hasta el 85% del consumo energético y una reducción anual en las emisiones de CO2 que puede llegar a 15 toneladas por vivienda a causa del ahorro en la quema de combustibles, pues este sistema se puede utilizar tanto para enfriar como para calentar cuando hay frío.
Más información en http://www.lansolar.com/paginas/images/climatewell-lansolar.pdf.
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En
los últimos tiempos han aparecido sistemas de climatización que usan
como principal fuente energética la energía térmica solar.
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