Uno de los m�todos m�s antiguos de refrigeraci�n y que en algunos lugares a�n se sigue utilizando, es el que se basa en la fusi�n de hielo o nieve, que a la presi�n de 1 atm, tiene lugar a una temperatura de 0 �C. El hielo o nieve se colocan en el espacio
o sobre los objetos que se quieren refrigerar o enfriar y que tienen una temperatura superior a los 0 �C. Seg�n la segunda ley de la termodin�mica, el calor fluir� espont�neamente de la regi�n de mayor temperatura (espacio u objetos a refrigerar) hacia l
a
regi�n de menor temperatura (hielo o nieve), de manera que el espacio u objetos son enfriados. Esto ocurre tambi�n debido a que el hielo o nieve en esas condiciones de temperatura y presi�n ambiente, debe pasar al
estado l�quido y para hacer ese cambio de fase (s�lido a l�quido), se requiere de una determinada cantidad de calor (calor de fusi�n = 80 cal/gr) que es suministrada por los alrededores.
Otras pr�cticas muy comunes para obtener refrigeraci�n eran tambi�n
mediante el uso del bi�xido de carbono (hielo seco) o agua fr�a, operando bajo principios semejantes a los mencionados para el hielo o nieve.
Los sistemas de refrigeraci�n que actualmente m�s se utilizan son el sistema de refrigeraci�n por compresi�n y el sistema de refrigeraci�n por absorci�n. Estos sistemas se basan en la evaporaci�n o gasificaci�n de un l�quido a baja presi�n. Al igual que
un s�lido absorbe calor para pasar al estado l�quido, un l�quido tambi�n debe de absorber calor para vaporizarse o pasar al estado gaseoso.
En los �ltimos a�os se ha venido trabajando en sistemas de refrigeraci�n
que utilizan la radiaci�n solar para producir el efecto de enfriamiento. Dentro de las aplicaciones de la energ�a solar, esta es una de las m�s importantes e interesantes debido por un lado, al reto tecnol�gico que implica desarrollar sistemas de este tip
o, y por el otro, al hecho de que en esta aplicaci�n coincide la disponibilidad con la necesidad, esto es: entre m�s flujo de energ�a radiante llega a un determinado lugar, mas altas son las temperaturas ambientales y por lo tanto m�s se requiere de la re
fr
igeraci�n o enfriamiento. Por ejemplo, se tiene conocimiento de que en los pa�ses tropicales, casi no se consume carne y leche entre otros, porque se descomponen muy f�cilmente y la mayor�a de la gente de escasos recursos econ�micos no cuenta con sistemas
de refrigeraci�n para su conservaci�n. Tambi�n se sabe que en estos mismos pa�ses gran parte de las cosechas de frutas y verduras se pierden por la misma causa.
Tanto el sistema de refrigeraci�n por compresi�n como el de absorci�n
pueden ser adaptados para que funcionen con energ�a solar. El primero mediante
la conversi�n de la energ�a solar en energ�a mec�nica o el�ctrica para hacer funcionar el compresor de un sistema convencional, y el segundo mediante la utilizaci�n directa de la energ�a solar como fuente de energ�a t�rmica. Este ultimo, por no implicar c
onversiones de un tipo de energ�a en otra, resulta m�s econ�mico y eficiente y es el sistema que abordaremos en el cap�tulo presente.
Debido a la intermitencia propia de la radiaci�n solar, lo m�s sensato es
pensar es sistemas de refrigeraci�n intermitentes, aunque tambi�n se pueden desarrollar sistemas que operan continuamente, pero que necesitan de un sistema
de almacenamiento y de una fuente auxiliar de energ�a para que puedan seguir operando en las horas que no hay radiaci�n solar (Noche y per�odos con nublados intensos). El decidirse por alg�n tipo de sistema tambi�n tiene que ver con la aplicaci�n que se l
e vaya a dar. Si el sistema se necesita para el acondicionamiento calor�fico de viviendas o edificios generalmente se utilizan sistemas continuos que utilizan una mezcla de bromuro de litio-agua (BrLi-H2O), pero si lo que se requiere es conservar alimento
s
o cualquier tipo de producto perecedero, un sistema intermitente podr�a dar buenos resultados. Estos, generalmente utiliza una mezcla de amoniaco-agua (NH3-H2O) y logran temperaturas lo bastante bajas como para producir hielo. Los dos sistemas mencionados
son los que se analizan en el texto.
En ITESO se ha trabajado en este campo a trav�s del "Grupo Solar" del
actual Departamento de Procesos Tecnol�gicos e Industriales. Se desarroll� y experiment� un prototipo de refrigerador solar intermitente, en el cual se logr� producir los primeros kilogramos de hielo hechos 100% con energ�a solar en todo M�xico.
En el cap�tulo se describen los principios de funcionamiento bajo los cuales operan los refrigeradores solares y en general los sistemas tradicionales. Tambi�n se muestran algunas experiencias y resultados obtenidos en la experimentaci�n del refrigerador
solar desarrollado en iteso.
Termodin�micamente, cualquier sistema de refrigeraci�n o enfriamiento es conocido como una m�quina t�rmica invertida o como una m�quina frigor�fica (MF). Esta se ilustra en la figura 13.1 y se define como un dispositivo que toma calor (Qb) de una regi�n o
fuente a temperatura baja (Tb) para cederlo (Qa) a una regi�n o sumidero a temperatura alta (Ta), siempre y cuando se realice un trabajo (W) sobre dicha m�quina.
En este tipo de m�quinas, nos interesa que el calor retirado de la regi�n de temperatura baja (Qb) sea el m�ximo y que la cantidad de trabajo suministrado (W) para que lo anterior suceda sea el m�nimo. La relaci�n ideal entre estos dos t�rminos nos la da
el ciclo de Carnot invertido y se representa mediante lo que se conoce como el coeficiente de realizaci�n (�) que en forma general se define como la relaci�n entre la energ�a solicitada (retirar Qb) y la energ�a que nos cuesta (W), de manera que:
pero si hacemos un balance energ�tico sencillo de la m�quina t�rmica tenemos:
y entonces,
y poniendo la ecuaci�n anterior en funci�n de las temperaturas,
Note que conociendo las temperaturas de la fuente y el sumidero, que se miden mucho m�s f�cil que los calores, podemos determinar el coeficiente de realizaci�n m�ximo (ideal) seg�n
Carnot.
Como ya se mencion�, la mayor�a de los sistemas de enfriamiento que se utilizan en la actualidad se basan en la evaporaci�n de un l�quido a baja presi�n. Un diagrama del refrigerador m�s simple de este tipo se presenta en la figura
13.2. Al dejar escapar el l�quido refrigerante del recipiente que lo contiene, pasa de una presi�n alta a la presi�n atmosf�rica. A la presi�n y temperatura ambientes, por caracter�sticas propias del fluido refrigerante, �ste no puede existir en estado l�
quido y forzosamente tiene que pasar al estado gaseoso. El calor requerido para que se de este cambio de fase (calor de vaporizaci�n) se toma de los alrededores con que est� en contacto el fluido refrigerante (recipiente y medio ambiente) de manera que es
to
s ser�n enfriados.
Desde luego, trabajar con un sistema abierto donde el refrigerante, que puede ser costoso y t�xico, se pierda al pasar directamente a la atm�sfera, no es
lo m�s conveniente; y lo normal es trabajar con ciclos de refrigeraci�n. Cualquier ciclo de refrigeraci�n necesita energ�a para su funcionamiento. Esta energ�a puede ser suministrada de diversas maneras seg�n el sistema de refrigeraci�n de que se trate. S
i es un ciclo de refrigeraci�n por compresi�n lo normal es suministrar esta energ�a en forma de trabajo mec�nico a trav�s de un compresor, pero si se trata de un sistema de refrigeraci�n por absorci�n, la energ�a se suministra en forma de calor. Este calo
r
puede provenir de la quema de alg�n combustible (gas, diesel, gasolina, carb�n, le�a), de alguna reacci�n qu�mica o directamente del sol. Hasta hace algunos a�os era muy frecuente encontrar refrigeradores por absorci�n con mezclas de amoniaco-agua-hidr�ge
no (NH3-H2OH2) que operaban con gas LP. El utilizar la energ�a solar como medio de suministrar el calor a un sistema de refrigeraci�n por absorci�n es algo novedoso que se ha venido dando y desarrollando durante los �ltimos a�os y que puede convertirse en
u
na de las aplicaciones m�s importantes de la energ�a solar, si es que se logran desarrollar sistemas pr�cticos, sencillos, seguros y de costo no muy elevado.
Un diagrama general de un sistema que opera con un ciclo de refrigeraci�n
continuo se presenta en la figura 13.3. Este consta de una parte donde se suministra el trabajo mec�nico o el calor seg�n lo visto arriba, adem�s del condensador, evaporador y v�lvula de expansi�n comunes a ambos ciclos de refrigeraci�n que operan de man
era continua.
A continuaci�n se da una breve explicaci�n de cada uno de los procesos que
tienen lugar en el ciclo:
1-2 Compresi�n. La forma de como se logra, depende del tipo de sistema y b�sicamente �sa es la diferencia fundamental entre un sistema de refrigeraci�n por compresi�n y uno por absorci�n. Lo que en el primero se logra f�cilmente, aunque no sea lo
m�s econ�mico, mediante la aplicaci�n de un trabajo (W) por medio de un compresor el�ctrico, en el segundo se da mediante la aplicaci�n de un calor en el generador (QG) bajo diversas condiciones que analizaremos m�s delante. 2-3 Enfriamiento y condensaci�n. A presi�n alta y constante, el vapor se transforma en l�quido saturado, desprendiendo el calor latente "Qa" o calor cedido por el condensador (QC). 3-4 Expansi�n. Mediante una v�lvula reguladora de presi�n pasamos el l�quido saturado de la regi�n de alta presi�n hacia otra de baja presi�n. 4-1 Evaporaci�n. El l�quido a presi�n baja y constante se evapora y con esto se cierra el ciclo. Es aqu� donde se da el efecto de enfriamiento cuando el fluido refrigerante absorbe el calor latente "Qb" que pierden los alrededores o calor que abso
rbe el evaporador (QE).
Un diagrama presi�n volumen (P-V) y otro temperatura entrop�a (T-S) suponiendo que la compresi�n del paso 1-2 es adiab�tica para ambos sistemas se muestra en la figura 13.4. Indice
1. Fluidos refrigerantes.
Los fluidos refrigerantes deben de cumplir ciertas caracter�sticas para que puedan ser utilizados como tales. A continuaci�n se da una lista de las m�s importantes:
1. Bajo punto de ebullici�n normal. Con esto se evita que el sistema tenga que operar al vac�o con la posibilidad de que le entre aire.
2. Presi�n de condensaci�n no excesiva. Para no tener que utilizar
instalaciones extrafuertes.
3. Temperatura cr�tica alta. Esto permite que el refrigerante sea condensable
en las condiciones de operaci�n del sistema. Se recomiendan Temperaturas cr�ticas arriba de los 100 �C.
4. Calor latente de vaporizaci�n alto. Entre m�s alto sea este valor, menos
flujo de refrigerante se necesita circular por unidad de tiempo para tener la misma capacidad.
5. Calor espec�fico del l�quido bajo. De alguna manera el l�quido tiene que ser
enfriado antes de evaporarse. Esto es a expensas de la vaporizaci�n del mismo.
6. No corrosivo.
7. Estable qu�micamente.
8. No inflamable y no explosivo.
9. No t�xico. Tanto para pulmones, ojos y en general a la salud.
10. Indicador de fugas. Que el refrigerante sea tal que una fuga se pueda detectar f�cilmente.
11. No afecte a los lubricantes utilizados.
12. Transferencia de calor satisfactoria.
13. Punto de congelaci�n bajo. Abajo de la temperatura a la cual va a trabajar el evaporador.
14. Disponibilidad, bajo costo y f�cil de manejar.
No todos los refrigerantes tienen todas las caracter�sticas mencionadas,
pero deber� tener las m�ximas posibles.
En la tabla 13.1 se da una lista de los refrigerantes mas utilizados as� como algunas de sus caracter�sticas.
En un sistema de refrigeraci�n por absorci�n se trabaja generalmente con mezclas de 2 componentes en donde uno es el fluido refrigerante y el otro simplemente sirve como medio de absorci�n del fluido refrigerante.
Se han estudiado diversas mezclas de componentes. Por ejemplo, se han estudiado diversos medios de absorci�n para el amoniaco que tiene excelentes propiedades como refrigerante. Entre los medios de absorci�n estudiados se encuentran el nitrato de amonio
, el nitrato de litio, los haluros alcalinos y los tiocianatos de sodio y litio; aunque el medio de absorci�n por excelencia es el
agua. Tambi�n la mezcla de bromuro de litio agua ha sido muy estudiada. Tabla 13.1. Fluidos refrigerantes m�s utilizados.
Nombre
ASRE
Nombre
qu�mico
F�rmula
Peso molecular
Punto de
ebullici�n
11
Tricloromono-
fluorometano
CCL3F
137.4
23.7 �C
12
Diclorodifluor
o
metano
CCL2F2
120.9
-29.7 �C
114
Diclorotetra-
fluoroetano
(CCLF2)2
170.9
3.5 �C
717
Amoniaco
NH3
17.0
-33.3 �C
718
Agua
H2O
18.0
100.0 �C
744
Di�xido de
carbono
CO2
44.0
-78.3 �C (subl.)
1. Sistema de refrigeraci�n continua por absorci�n.
Un diagrama de un refrigerador por absorci�n continuo se muestra en la figura 13.5. La funci�n del condensador, v�lvula de expansi�n y evaporador es id�ntica a la que se da en el ciclo de refrigeraci�n por compresi�n. Como ya se mencion�,
la diferencia esta en el modo de lograr la presurizaci�n del fluido refrigerante. En este caso, primero se disuelve el refrigerante en un l�quido absorbente dentro del absorbedor (2-3). Luego, la soluci�n concentrada pasa hacia la regi�n de alta presi�n m
ediante el uso de una bomba ordinaria (3-4), donde finalmente el refrigerante es separado de la soluci�n por medio de la adici�n de calor en el generador (QG) (4-5). La soluci�n diluida (4-7) regresa al absorbedor a trav�s de una v�lvula (7-8) que control
a
la diferencia de presiones entre el generador (presi�n alta) y el absorbedor (presi�n baja). La reacci�n de absorci�n que se da en el absorbedor es exot�rmica y por lo tanta ah� se libera un calor (QA) hacia el medio ambiente.
Suponiendo que el trabajo de la bomba (WP) es despreciable, el coeficiente
de realizaci�n (�) com�nmente conocido tambi�n como coeficiente de funcionamiento o coeficiente de rendimiento (COP o COR), dado por la ecuaci�n 1
queda definido como la relaci�n entre el calor absorbido por el fluido refrigerante al evaporarse (QE) y el calor suministrado en el generador, QG. De este modo:
Se mencion� ya que los sistemas que m�s acoplan para utilizar la energ�a solar como fuente de energ�a son los sistemas de refrigeraci�n por absorci�n. En la figura 13.6 se muestra un diagrama de un ciclo de refrigeraci�n solar continuo. La caracter�stica
de un refrigerador solar es que el calor suministrado en el generador (QG), ahora viene de la energ�a solar (Qi) a trav�s de un campo de colectores solares en donde se calienta alg�n fluido de trabajo que posteriormente mediante intercambiadores de calor
c
ede el calor solar en el generador. Cabe hacer notar que en este caso el calentamiento solar es indirecto y que debido a la intermitencia propia del sol, se requiere de un sistema de almacenamiento y de una fuente auxiliar extra para que el sistema funcio
ne continuamente. Las mezclas m�s utilizadas en este tipo de sistemas son la de amoniaco-agua y bromuro de litioagua.
Sistema amoniaco-agua (NH3-H2O). En este caso el refrigerante es el amoniaco y el absorbente es el agua. La temperatura que se requiere en el
generador para lograr separar el amoniaco de la soluci�n concentrada es del orden de los 120-150 �C, factibles de alcanzar con colectores solares planos. Debido al bajo punto de ebullici�n normal del amoniaco (-33.3 �C) y a su gran calor de vaporizaci�n (
327 cal/g), en el evaporador se pueden obtener temperaturas abajo de 0 �C. En general estos sistemas se utilizan para la conservaci�n de productos perecederos como alimentos y medicinas, y para la producci�n de hielo. Una desventaja del amoniaco es que es
t
�xico y que ataca metales como el fierro galvanizado y cobre, de manera que el equipo que est� en contacto con �l debe ser
de fierro al carb�n o alg�n otro material resistente al amoniaco. El equipo tambi�n debe estar construido para soportar las grandes presiones que se generan con los vapores del amoniaco (hasta de 15 kg/cm2).
Sistema bromuro de litio-agua (BrLi-H2O). Esta mezcla se utiliza mucho en
los sistemas de aire acondicionado y por lo tanto su principal uso es en el acondicionamiento calor�fico de viviendas y edificios. Las temperaturas que se pueden obtener en el evaporador no pueden estar abajo de los 4 �C debido a que
en este caso el fluido refrigerante es el agua y el absorbente el bromuro de litio. El punto de ebullici�n normal del agua es de 100 �C y su calor de vaporizaci�n de 540 cal/g. Las temperaturas requeridas en el generador para separar el agua de la soluci�
n concentrada son de alrededor de los 100 �C, por lo que el uso de colectores planos se da sin ning�n problema.
Un diagrama de un refrigerador solar intermitente muy sencillo que nos sirve s�lo para explicar de manera simple los pasos y procesos que se dan en un sistema de este tipo se muestra en la figura 13.7. Consta de dos recipiente interconectados entre si por
medio de una v�lvula, donde cada uno de ellos juega una doble funci�n. El primero como generador-absorbedor y el segundo como condensadorevaporador. El funcionamiento lo podemos dividir en dos etapas: la etapa de generaci�n y la de enfriamiento.
En la etapa de generaci�n, el recipiente que en este caso sirve como generador, inicialmente contiene un soluci�n acuosa concentrada de amoniaco.
Esta es calentada con energ�a solar de manera que se genera o produce vapor de amoniaco que despu�s de pasar por la v�lvula se condensa en el otro recipiente que en esta etapa sirve como condensador. Aqu� hay que retirar el calor de condensaci�n del amoni
aco (327 cal/g) enfriando por medio de aire o agua para lograr tenerlo en estado l�quido y a una alta presi�n.
Esta etapa se lleva a cabo mientras el flujo de energ�a solar es suficiente para seguir generando vapor de amoniaco. Hay que tener en cuenta que a medida que pasan las horas de sol la soluci�n inicialmente concentrada se torna una soluci�n d�bil y por l
o mismo es m�s dif�cil seguir generando amoniaco.
Una vez terminada la etapa de generaci�n se cierra la v�lvula intermedia y se deja enfriar el primer recipiente que ahora contiene una soluci�n d�bil de amoniaco y una baja presi�n. En el condensador queda almacenado amoniaco l�quido a alta presi�n listo
para usarse en la etapa de enfriamiento.
En esta etapa se vuelva a abrir la v�lvula intermedia. Al comunicar de
nuevo los dos recipientes, la presi�n del sistema completo baja lo suficiente para
que el amoniaco no pueda existir en estado l�quido y por lo tanto forzosamente tiene que pasar al estado gaseoso. Esto se hace en el segundo recipiente que ahora sirve como evaporador. El amoniaco absorbe calor de los alrededores para pasar de l�quido a v
apor y por lo tanto es aqu� donde se tiene el efecto de refrigeraci�n.
El vapor de amoniaco pasa al primer recipiente y se absorbe en la soluci�n diluida de amonaico. Este recipiente ahora tiene la funci�n de absorbedor. Aqu� hay que retirar el calor que se genera por la absorci�n para evitar que se incremente la temperatur
a y se dificulte la absorci�n que afectar�a el funcionamiento del sistema completo. Con esto se completan las dos etapas del
ciclo intermitente de refrigeraci�n, y el sistema queda listo para iniciar un nuevo ciclo cuando vuelva a haber flujo de energ�a radiante.
Desde luego, un sistema real no es tan sencillo como lo anterior, hay que tener cuidado especial sobre todo en el dise�o del colector de energ�a solar que contendr� la soluci�n de amoniaco a evaporar y en las interconecciones entre el colector(generador)
-absorbedor y el condensador-evaporador.
Descripci�n del refrigerador solar desarrollado en iteso. En la figura 13.8 se muestra una fotograf�a y un diagrama del refrigerador solar intermitente. Este consta de un colector plano de 3 m2 de �rea de colecci�n (3). Este hace las veces de generador y
absorbedor, est� construido con tubo de fierro negro de diversos di�metros y placa de fierro soldada a dichos tubos. Algunos tubos (parte superior y centro (4)) son de un di�metro bastante grande (20 y 10 cm) y permiten por un lado almacenar un cantidad
im
portante de la soluci�n concentrada de amoniaco que se va a evaporar, as� como propiciar que se haga una separaci�n eficiente entre el vapor de amoniaco y la soluci�n. Todo el colector se encuentra dentro de un caj�n (5) que tiene una doble cubierta de vi
drio (1 y 2).
El amoniaco generado durante el d�a pasa a trav�s de la v�lvula (8) al
condensador-evaporador (6) que est� dentro de una chaqueta (7) donde se hace circular agua de enfriamiento durante el d�a (etapa de generaci�n) y se pone el agua que se quiere convertir en hielo o enfriar durante la noche (etapa de enfriamiento). Las otra
s v�lvulas deben permanecer cerradas en la etapa de generaci�n.
El condensador-evaporador (6) debe estar construido para soportar las
altas presiones que genera el amoniaco durante la etapa de generaci�n (6 a 15 kg/cm2).
La v�lvula (9) se utiliza durante la etapa de enfriamiento y permite al amoniaco que se evapora y produce hielo o enfriamiento en el agua que se pone en la chaqueta que rodea al evaporador, pasar a la parte baja del colector para volver a absorberse en l
a soluci�n d�bil que qued� en el colector.
La v�lvula (10) se utiliza ocasionalmente cuando algo de agua a sido arrastrada por el vapor de amoniaco y ha pasado al condensador-evaporador. Para evitar lo m�s posible este efecto, se pone un rectificador entre la salida del amoniaco generado y la en
trada al condensador.
El funcionamiento tanto en la etapa de generaci�n como en la de enfriamiento es similar a lo explicado arriba para el diagrama de la figura 13.7.
En la figura 13.9 se muestra una gr�fica t�pica del funcionamiento del
refrigerador solar intermitente. Se grafican datos de presi�n del sistema, temperatura de la placa y del cabezal superior o domo de vapor, temperatura ambiente, insolaci�n y volumen de amoniaco generado, para la etapa de generaci�n-condensaci�n; y tempera
tura del evaporador, temperatura del cabezal superior y presi�n del sistema, durante la etapa de evaporaci�n-absorci�n.
En la figura 13.10 se muestran algunas fotos de los hielos obtenidos 100 %
con energ�a solar. Se lograron producir hasta 7 kg de hielo por d�a con el sistema mencionado.
Pagina inicial del grupo solar
Esta hoja fue escrita en Junio de 1995 por Axel Tiessen Favier.
Lamentablemente no se puede dar soporte a esta pagina ni dar mas informacion
mas alla de la que ya ponemos en este sitio. Las graficas y formulas faltantes
no estan disponibles. Sin embargo, la informacion que ofrecemos en este sitio es nuestro
granito de arena para contribuir a mejorar este mundo y asegurar un desarrollo
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