VIII  Simposio Peruano de Energía Solar

Puno, Perú, 16 - 18 de Noviembre del 2000

EVALUACION EXPERIMENTAL DE UN REFRIGERADOR POR ADSORCION

R. Miguel Ramos Chaya y  Manfred Horn

Centro de Energías Renovables

Universidad Nacional de Ingeniería

Av. Túpac Amaru 210 Lima 25, Perú

Tel/Fáx 51-1-3821058; E-mail: mhorn@uni.edu.pe   / rramosc@uni.edu.pe

 
RESUMEN

El Centro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería, CER-UNI,  viene desarrollando un proyecto   con el objeto de desarrollar una refrigeradora para el medio rural, donde no existe disponibilidad de una red eléctrica. El funcionamiento de la refrigeradora se basa en un ciclo termodinámico de adsorción, utilizando como refrigerante agua y como adsorbente el mineral zeolita. El  prototipo de refrigeradora fue  desarrollado por EG-Solar (Altötting, Alemania) y donado a la UNI.

Se presenta aquí primeros resultados experimentales obtenidos con el prototipo. Esta evaluación conllevará luego a presentar modificaciones adecuadas para mejorar su operatividad, además de adaptarla a la realidad peruana.

 

INTRODUCCION

La refrigeración es utilizada por el hombre desde mucho tiempo  para la conservación de alimentos, medicinas, así como para la producción de hielo, etc. La mayoría de las refrigeradoras usan hoy un ciclo termodinámico que incluye la compresión de un vapor refrigerante, para lo cual usan un compresor con motor eléctrico. Esto limita el uso de esas refrigeradoras en regiones rurales sin red eléctrica, requiriendo una generación  de electricidad local, sea con un grupo electrógeno o sea con paneles fotovoltaicos, lo que es sumamente costoso.

En el sistema de refrigeración por adsorción se requiere una cantidad pequeña de trabajo (o electricidad) en relación al sistema de compresión de vapor, sin embargo se requiere un suministro de calor muchas veces mayor que el trabajo requerido por el ciclo de compresión de vapor. Es decir si el calor es suficientemente barato, el ciclo de refrigeración por absorción será atractivo económicamente.

FUNDAMENTO TEORICO

1.- Adsorción.- La adsorción es un fenómeno de adherencia superficial entre dos sustancias. Las moléculas de una y otra no llegan a interpenetrarse, tan solo quedan relacionadas al nivel de las capas exteriores. Se pueden distinguir la adsorción en la superficie de un líquido y en la superficie de un sólido (ya que solamente los líquidos y los sólidos presentan, en virtud de las características de sus estados, una superficie que delimita su volumen).

Adsorción en la superficie de un sólido.- Es importante la naturaleza del gas y del sólido en la adsorción del primero sobre el segundo. Así, el grafito presenta una superficie apolar, mientras que la sal común presenta superficies polares. Ello justifica el uso del carbón activo para la adsorción de gases no polares (ejemplo benzol) y el uso de cristales iónicos para la adsorción de gases polares (vapor de agua).  Uno de  esos minerales es la zeolita, apropiados como adsorbente de vapor de agua. Cabe señalar también que el proceso de adsorción es reversible.

Experimentalmente puede comprobarse que la masa  de gas (vapor) adsorbido depende de la presión del gas y de la temperatura. Los diagramas correspondientes se llaman isotermas de sorción (sea adsorción o desorción).  En el caso de un sistema de un sólido y vapor de agua en aire, se presenta usualmente las isotermas de sorción en función de la humedad relativa del aire hr = P / Po (que es proporcional a la presión del vapor de agua, P;  Po es la presión de saturación).

La adsorción de vapor de agua se hace necesaria en múltiples casos: para condicionar la humedad atmosférica, para prevenir efectos corrosivos, para evitar la formación de sedimentos, por ejemplo en tuberías para proteger superficies de materiales hidrosolubles, etc.

Para estos fines encuentra un amplio empleo el gel de sílice espeso acondicionado de indicadores que revelan, por la variación de color la cantidad de vapor de agua adsorbido y sugieren la oportunidad de sustituirlo o de regenerarlo.

Los carbones activos encuentran empleo en las caretas antigás, en la extracción de sustancias tóxicas en muchas instalaciones industriales (entre otras decoloración de líquidos, recuperación de disolventes, desbenzolado del gas coque), en medicina, etc. La adsorción juega un papel fundamental en el análisis cromatográfico.

2.- Zeolitas

Son un grupo de minerales de una clase de aluminosilicatos cristalinos basados en un esqueleto estructural aniónico rígido, con canales y cavidades bien definidas (Na+, K+, etc.) y pueden también retener moléculas huéspedes removibles y reemplazables (agua en las zeolitas naturales). Su nombre proviene de su capacidad para perder agua por calentamiento, de las palabras griegas zeo que significa hervir y lithos que significa piedra.

La fórmula general de la composición de las zeolita es Mx/n[AlO2)x(SiO2)y].mH2O), donde los cationes M de valencia n neutralizan las cargas negativas del esqueleto estructural del aluminosilicato. Existen muchas zeolitas naturales como también artificiales. Entre las aplicaciones que se le da a las zeolitas encontramos:

Como agentes deshidratantes, como intercambiadores de iones, como adsorbentes

La herramienta básica que nos sirve para el estudio de la adsorción de gases en sólidos es la isoterma de adsorción, la cuál mide la cantidad de sustancia adsorbida como una función de la presión relativa (P/Po)

3.- Conceptos básicos de termodinámica

Efecto de la temperatura sobre la presión de saturación

La presión de saturación de un vapor depen­de de la temperatura del vapor. Al aumentar la temperatura se eleva exponencialmente  el valor de la presión de saturación.

Vaporización

La vaporización de un líquido puede ocurrir de dos maneras diferentes: (1) por evaporación y (2) por hervor o ebullición. La vaporización de un liquido por el proceso de evaporación ocurre úni­camente en la superficie libre del líquido y ocurre a cualquier presión inferior a la presión de saturación. La evaporación ocurre sin ningún disturbio visible del liquido.

Sin embargo, la ebullición sólo ocurre si la presión de vapor es igual a  la presión de saturación. Si  la presión de vapor es igual a la presión ejercida sobre el liquido, este tipo de vapori­zación ocurre en todo el líquido por completo así como también en la superficie libre y es acompa­ñada por una agitación considerable del liquido y una formación muy rápida de burbujas que se ex­panden, subiendo y reventándose en la parte supe­rior del líquido.

Evaporación

La evaporación toma lugar en forma continua, de hecho el agua se evapora en los lagos, ríos, char­cas, ropa, etc. lo cual constituye una evidencia de que la evaporación puede ocurrir a temperaturas menores a la temperatura de saturación. Cual­quier líquido expuesto a la atmósfera, se evapora­rá en forma gradual y se difundirá en el aire, inde­pendientemente de su temperatura.

Calor

El calor se define como la forma de energía que se transmite a través del límite de un sistema, que está a una temperatura, a otro sistema (o medio exterior) a una temperatura más baja, por virtud a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas. Otro aspecto de la definición de calor es que se identifica solamente cuando cruza el límite. Por lo tanto es un fenómeno transitorio.

Calor sensible y calor latente

La energía térmica transferida a, o proveniente de una sustancia puede provocar un cambio en la fa­se de la sustancia así como también un cambio en su temperatura. Por conveniencia, la energía tér­mica se divide en dos tipos o categorías. A la energía térmica que cause o produz­ca un cambio en la temperatura de la sustancia se le llama calor sensible, mientras que a la energía térmica que cause o produzca un cambio en la fa­se de la sustancia se le llama calor latente.

Calor latente de vaporización

Cualquier cantidad de energía suministrada a un líquido después que el líquido llega a la tempe­ratura de saturación es utilizada para aumentar el grado de separación molecular (aumentándose la energía potencial interna) y el fluido pasará de la fase líquida a la de vapor. Debido que no hay un aumento en la energía cinética interna (veloci­dad molecular), la temperatura del fluido perma­nece constante durante el cambio de fase y, el va­por resultante está a la temperatura de vaporiza­ción (saturación).

La cantidad de energía necesaria para vapori­zar o condensar una masa dada de un fluido a la temperatura de saturación, puede calcularse a partir de la siguiente relación:

                                                               QL = m  hfg

       QL   : Cantidad de energía térmica

       m  : Masa

       hfg : Calor latente de vaporización

 

Contenido de humedad en un producto

El contenido de humedad, es decir la cantidad de agua evaporable existente en un producto, se expresa en relación a su masa total (“humedad en base húmeda”) o a su masa seca (esto es la masa que  se obtiene descontando la masa de agua evaporable que lo contiene): “humedad en base seca”.

X = (m – ms) / ms

donde:

m  = masa total del producto

ms = masa seca del producto

X  = contenido de humedad del producto (en base seca)

DESCRIPCION DEL SISTEMA DE REFRIGERACION

Refrigerador

El prototipo de refrigerador fue construido por EG-Solar de Altötting en Alemania y donado a la Universidad Nacional de Ingeniería. El refrigerador está compuesto de una caja térmica de poliuretano de una capacidad de 4 litros (usado por la OMS para mantener vacunas en frío) y en su tapa se encuentra integrado el evaporador, consistente de un recipiente de acero inoxidable con una capacidad de 1 l de agua.  El evaporador está conectado herméticamente por una manguera con un comportamiento que contiene a un recipiente con  la zeolita.

Medidas  externas de la caja térmica = 71 x 56 x 49 cm

Volumen interna de la cámara de frío = 44 l

Peso total = 18 kg

Contamos con dos recipientes de zeolita con un peso total (recipiente más zeolita) de 6,320 kg y 6,520 kg respectivamente. 

En el sistema se puede hacer vacío con una bomba manual. Esta bomba presentó dificultades. Gracias a una donación del Sr. Nicolaus Himmelstoss (de Altötting de Alemania) hemos podido contar con dos pequeñas bombas de vacío eléctricas, permitiendo llegar a una presión final menor de 2 mbar. Las características son las siguientes:

Marca: Zeo-Tech.

93 W, 12 VDC, 10,8 A, 3300 lts/min.

Presión de vacío: 1mbar

 

Operación y funcionamiento

Se coloca agua en el evaporador (max 1 l), luego se baja la presión a aproximadamente21 mbar (sacando así todo el aire). Esto hará que el agua se evapore rápidamente, absorbiendo calor latente de los alrededores. La Zeolita comienza a adsorber el vapor de agua lo que impide que la presión parcial del vapor de agua se increment;, este proceso continua ocasionando un descenso en la temperatura del evaporador hasta que la zeolita se sature y deje de adsorber el vapor de agua o hasta que ya no hay agua.

En pruebas experimentales la temperatura en el evaporar llega hasta los –7ºC, obteniéndose en el interior del refrigerador (caja térmica) una temperatura de –3ºC.

 



Proceso de enfriamiento


Proceso de regeneración

 

 

Eficiencia térmica = Qabsorbido / (Qútil para regeneración + Energía consumida por la bomba de vacio)

 

Esquema de instalación para pruebas

 

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Lugar de ensayo: Universidad Nacional de Ingeniería, ciudad de Lima

Condiciones ambientales:

Tamb = 22 ºC;

Patm = 1026 mbar

Masa de agua en el evaporador = 400 g

Peso de la zeolita seca + recipiente = 6,250 kg

Peso de la zeolita saturada + recipiente = 6,650 kg


PROCESO DE ENFRIAMIENTO

PROCESO DE REGENERACION CURVAS DE ADSORCION Y DESORCION


OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

1. Como se puede observar en el gráfico Nº1 anterior, la temperatura mínima obtenida en el evaporador es de –7,2 ºC, después de aproximadamente 2,5 horas de iniciarse el proceso extrayendo con la bomba de vacío el aire del sistema. A 0 ºC se llega en 30 minutos. Asimismo las pérdidas por conducción y convección a través de las paredes de la cámara de frío hacen de que en aproximadamente 2 días se eleve la temperatura en la cámara a 17,0 ºC, temperatura medida teniendo como temperatura ambiente 21 ºC

2. La presión de trabajo obtenida en las pruebas experimentales ha sido de 2 mbar. Esperamos mejorar la caída de presión y verificar pérdidas en el sistema, esto conllevará a una mejora en el proceso de enfriamiento.

3. Aún no calculamos valores de eficiencia térmica debido a que la regeneración de la zeolita para las pruebas experimentales la estamos realizando en un horno eléctrico, y el calor utilizado para el proceso de regeneración es lógicamente alto con relación al necesario, es decir estamos utilizando una energía elevada para esta regeneración lo que por supuesto altera el cálculo del rendimiento térmico. La regeneración se lleva a cabo durante 3 horas a una temperatura de 350ºC.

4. En el gráfico Nº2 (obtenido por el estudiante Saúl Torres) se observa que la regeneración de la zeolita debe realizarse a una temperatura de 350ºC obteniéndose un contenido de humedad de 0% en aproximadamente 150 min. Si la regeneración se realiza a una temperatura inferior a 350ºC no se obtiene zeolita completamente seca. Sin embargo, falta determinar la temperatura mínima necesaria para obtener zeolita suficientemente seca para el proceso. Una menor temperatura de regeneración simplificará este parte del proceso, permitiendo, eventualmente, el uso de cocinas solares para el secado de la zeolita.

5. La zeolita utilizando es artificial y de la firma Zeo – Tech (Alemania; donado por el Sr. Himmelstoss). Las curvas de equilibrio de adsorción y desorción de una muestra de zeolita, medidas a temperatura ambiente (25 °C) son presentadas en las fig. 3. (obtenidos en el laboratorio de física de la UNI por el estudiante Manuel Cunga). Esta zeolita permite una adsorción máxima de agua de X = 0,3, es decir la zeolita puede adsorber agua hasta el 30% de su peso seco.

6. Según información de EG-Solar de Alemania, el costo aproximado de este prototipo de refrigerador por adsorción es de US$ 3 000.00, incluyendo un concentrador parabólico solar (cocina solar SK14)

7. El SK14 está previsto para el proceso de regeneración de la zeolita. Sin embargo, experimentos preliminares con esta cocina solar no permitieron llegar a la temperatura necesaria para regenerar a la zeolita, por lo cuál, por el momento, se descarta el uso del concentrador parabólico solar. Queda pendiente el diseño de un sistema de regeneración, apto para el uso en regiones rurales.

8. La bomba de vacío usada es de 12 VDC y consume una potencia de 92 W, es decir la corriente es aproximadamente 7,6 A. El tiempo de uso de esta bomba, para obtener el vacío requerido en el sistema, y con los valores experimentales obtenidos a la fecha, no excede de los 15 minutos, es decir se requiere 1,9 Ah. Además podemos mencionar que la bomba, utilizando el refrigerador en forma continua, trabajaría solamente cada dos o tres días, es decir un sistema fotovoltaico de pequeña potencia (5Wp) sería suficiente para abastecer de energía eléctrica a la bomba de vacío.

BIBLIOGRAFIA
1. Notas del curso de Refrigeración Solar Isaac Pilatowsky Figueroa, Dr. Roberto Best Brown Universidad Nacional Autónoma de México, presentadas en el VII Simposio Peruano de Energía Solar, seminario de actualización y capacitación, del 30 de noviembre al 02 de diciembre del 1998, Piura.

2. Artícul: Performance of a new solid adsorption ice maker with solar energy regeneration, Antonio Pralon Ferreira Leite, Michel Daguen, Publicacdo en Energy Conversion & Management.- 2000.

3. Ingeniería del Ambito Térmico, James L. Threlkeld, editorial Prentice Hall internacional, 1973.

4. Principios de Refrigeración, Roy J. Dossat

5. Refrigeración y Acondicionamiento de Aire, W. F. Stoecker, McGraw-Hill, 1965.

6. Absorption Chillers and Heat Pumps, Keith E. Herold, Reinhard Radermacher, Sanford A. Klein, 1996 by CRC Press, Inc. Printed, USA.

7. Fundamentos de la Termodinámica, Gordon J. Van Wylen y Richard E. Sonntag, editorial Limusa 1980, novena reimpresión.