28.10.13

REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN (II)

CRITERIOS ACTUALES DE DISEÑO
Cuando las primeras plantas de absorción aparecieron en el mercado la tecnología electrónica estaba en sus albores, para su control y regulación se utilizaron dispositivos neumáticos de forma generalizada.
Con estos controles, aún ejerciendo correctamente su función, la hermeticidad de la máquina se hacía mayor, si cabe, para los operadores, y era laboriosa y complicada la interpretación del comportamiento de una máquina en unas condiciones de estado determinadas.
Hoy en día estas dificultades de acceso e interpretación se han eliminado prácticamente, y es mucho más sencillo e inmediato analizar el comportamiento de un equipo en unas condiciones dadas. Este gran avance se debe, fundamentalmente al desarrollo y perfeccionamiento de las aplicaciones de la microelectrónica al control y gestión de la maquinaria en general, que también se ha hecho patente en las máquinas frigoríficas en los últimos años.
La aplicación de dispositivos de control basados en microprocesadores, permite la utilización de todo tipo de sensores de temperatura, presión y concentración, y la utilización de lógicas de control que: por una parte ponen al alcance de los operadores, de manera inmediata, una información importantísima e imprescindible para el manejo de la máquina, cuya obtención era como mínimo, muy laboriosa con los controles utilizados anteriormente; y por otra facilitan un funcionamiento más estable y seguro de las máquinas.
En materia de seguridad y estabilidad de funcionamiento, los nuevos criterios que se aplican al diseño y la disponibilidad de tecnologías más potentes, han aportado grandes mejoras. Así por ejemplo, se ha conseguido que los procesos de entrada en carga, puesta en régimen y parada de las máquinas, se desarrollen de manera equilibrada y sin riesgo de que se produzcan fenómenos perturbadores. La “temible” cristalización, causa de la mayoría de las incidencias y paradas de equipos de absorción con ciclos Bromuro de Litio/Agua en el pasado, es hoy en día, un fenómeno perfectamente controlable, y puede prevenirse sin demasiada dificultad mediante controladores de nivel y de concentración y válvulas automáticas.
La presencia de incondensables en el interior de la máquina, indeseable por el efecto negativo que ejerce sobre la producción frigorífica, es hoy fácilmente combatible mediante el empleo de sistemas automáticos de purga de elevadísima eficiencia.
Finalmente, la adaptación de la producción a la demanda energética en cada aplicación se efectúa en las máquinas de última generación con gran efectividad, mediante procesadores de acción P.I.D. Y convertidores de frecuencia para el accionamiento de los motores de las bombas, con los que se consiguen mejoras sustanciales de la eficiencia de los ciclos y de los coeficientes de operación (C.O.P.) de los equipos.
Desde el punto de vista de resistencia mecánica también se han conseguido mejoras importantes.
La utilización de aceros aleados de alta resistencia en la fabricación de las envolventes permite una construcción más ligera, y el empleo de tubos de materiales inoxidables o de alta resistencia a la corrosión, como el cuproniquel, en la fabricación de los haces tubulares de los intercambiadores de calor, facilita mejores rendimientos en la transmisión de calor al tiempo que alarga la vida útil de las máquinas.
El conjunto de mejoras accesibles, gracias a la utilización de nuevas tecnologías, junto con las ventajas que los ciclos de absorción ofrecen en lo relativo al aprovechamiento de energías residuales y su baja influencia en el deterioro del Medio Ambiente, en comparación con otros sistemas de refrigeración como más adelante comentaremos, hacen que la Refrigeración por Absorción sea hoy considerada como opción interesante para la solución de problemas de refrigeración en procesos industriales y de climatización, para los que solo unos años atrás era descartada.
INTERES ENERGETICO
En todo proceso de definición de las posibles soluciones a un determinado problema de aprovechamiento energético, los considerandos que más fuertemente influyen en la decisión de los proyectistas y de las propiedades son de índole económica, fundamentalmente, aunque hoy en día las consideraciones de impacto ambiental tienen también una importancia prioritaria.
Las relaciones entre el coste de la inversión inicial requerida y el beneficio esperado y entre los costes y resultados de explotación previstos, en resumidas cuentas el “cash flow” del proyecto, son determinantes en la elección de la solución idónea.
A partir de estas premisas, es preciso analizar en detalle todas las posibles soluciones teniendo en consideración no solo el coste de los equipos a instalar, sino también el coste de las energías a consumir, con una proyección de futuro sobre la evolución que, previsiblemente, puedan experimentar estos últimos durante el periodo que se establezca como plazo de amortización de la instalación a realizar. Este criterio, normalmente, reduce de forma drástica el abanico de posibles opciones.
El coste inicial de una planta frigorífica de absorción resulta, en la mayoría de los casos, superior al de un equipo de compresión mecánica de la misma capacidad. La razón para esta diferencia está en la muy superior cantidad de materiales metálicos que son necesarios para la fabricación de los intercambiadores de calor, en equipos que se basan en procesos termodinámicos sin prácticamente aportación del equivalente térmico del trabajo mecánico.
Sin embargo, cuando se analizan los costes de explotación a partir del valor de las energías consumibles, la balanza puede desplazarse a favor de los equipos de absorción, si se dan las condiciones de partida necesarias.
C.O.P.
El concepto de C.O.P. (Coefficient of Performance) en refrigeración, es sinónimo de Eficiencia Energética en el evaporador. C.O.P. se define “oficialmente” como: “La cantidad de refrigeración obtenida de una máquina dividida entre la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración (ASHRAE 1993)”. En este cómputo no se incluyen los consumos auxiliares de energía eléctrica necesarios para el funcionamiento de bombas y ventiladores.
Los C.O.P.s esperables de los ciclos de absorción son también muy bajos comparados con los de los ciclos de compresión mecánica. En máquinas de absorción de una etapa, con Bromuro de Litio, no se superan C.O.P.s de 0,7, en máquinas de doble etapa se alcanzan valores que pueden ser hasta 1,5 veces a los esperables en una etapa, es decir de hasta 1,2, esto significa que las máquinas de doble etapa aprovechan mejor la energía que las de etapa simple. En ciclos de baja temperatura Amoniaco/Agua se consiguen valores de C.O.P. de 0,5 y pueden alcanzarse máximos de 0,8.
Por el contrario en equipos de compresión mecánica de gran cantidad, con compresores centrífugos y de tornillo, se consiguen en la actualidad rendimientos frigoríficos entre 4,5 y 5,5 kW/kW (C.O.P.s en el evaporador de 4,5 a 5,5). A igualdad de costes de las energías consumibles, estas diferencias tan espectaculares habrían convertido a las máquinas de absorción, hace mucho tiempo, en piezas de museo o “curiosidades tecnológicas”.
¿Cuál puede ser, entonces, la razón para que los ciclos de absorción sigan teniendo actualmente una aplicación práctica?. La respuesta es bastante sencilla: El coste de producir el trabajo mecánico necesario para obtener un kW de refrigeración por ciclo de compresión mecánica de vapor es, normalmente, superior al coste necesario para recuperar la cantidad de calor a aplicar para obtener el mismo kW en un ciclo de absorción. El coste de la energía básica es el único factor que determina la posible competitividad de los
sistemas de absorción frente a los de compresión mecánica.
Por ejemplo: Si comparamos un sistema de refrigeración por compresión con un C.O.P. esperable de 5,5, y un sistema de absorción de doble etapa con un C.O.P. de 1, en una aplicación en la que se dispone de una fuente de calor recuperable cuyo coste por kW recuperado es de 1 unidad mientras que el coste de la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar las máquinas de compresión es de 6 unidades, será evidente el interés de utilizar el sistema de absorción, simplemente a partir de los costes de las energías, sin tener en consideración otras posibles ventajas. Este es un análisis demasiado simplificado, ya que no se han tenido en consideración los costes energéticos que implica el funcionamiento de las torres de recuperación, las bombas de agua de torre, ni las bombas de agua fría. Un estudio más completo nos llevaría a la conclusión de que, teniendo en cuenta todos los consumos de todo tipo de energías en una aplicación dada, el coste de la energía eléctrica debería ser de 8 a 9 veces superior al de la energía térmica recuperada por hacer que la opción por absorción fuera competitividad con la de compresión mecánica.
Lo que es evidente es que siempre que exista la posibilidad de utilizar energías térmicas desechables, gratuitas, o de muy bajo coste, procedentes de energías renovables, o efluentes de procesos industriales o de sistemas de cogeneración, la aplicación de sistemas de absorción para la producción frigorífica será competitiva e interesante (Application Guide for absorption cooling/refrigeration using recovered heat ASHRAE, 1995).
También es preciso citar que aún existen lugares en los que la disponibilidad de energía eléctrica para grandes potencias no está garantizada, o bien implica un coste muy elevado, y sin embargo existen combustibles fósiles accesibles, gas natural por ejemplo, a un precio aceptable. Esta es otra posibilidad de aplicación de los sistemas de absorción, utilizando en estos casos máquinas con combustión directa que consumen un combustible liquido o gaseoso directamente para la producción de calor y frío de forma simultánea o alternativa, con C.O.P.s que pueden alcanzar valores de 1,5.
Así mismo puede resultar interesante la aplicación de sistemas «híbridos», que se basan en la instalación de máquinas de absorción en serie, o en paralelo, con máquinas de compresión mecánica sobre el mismo circuito de agua enfriada. En estos sistemas, las máquinas de compresión se utilizan para hacer frente a las cargas térmicas básicas, o en horas valle, mientras que las máquinas de absorción se utilizan exclusivamente en horas punta o para combatir las demandas punta. Esto permite dimensionar las máquinas que consumen energía mas cara para condiciones de menor carga, lo que repercute favorablemente en los costes de explotación de la instalación.
REDUCCIÓN DE CONSUMOS PRIMARIOS
De todo lo comentado hasta ahora puede extraerse otra conclusión importante; Teniendo en cuenta que los sistemas de absorción son tanto más interesantes, económicamente hablando, cuanto más barata es la energía térmica disponible para el accionamiento de las máquinas, está claro que este tipo de equipos son especialmente útiles para recuperar calor de deshecho, y esta particularidad permite enfocar el problema de aprovechamiento energético desde otro punto de vista.
Los sistemas de absorción no solo hacen posible la utilización de energías térmicas que serian evacuadas a la atmósfera de no utilizarse estos sistemas para su recuperación y aprovechamiento, sino que además, al mismo tiempo, evitan el consumo de energías más caras, fósiles o eléctricas, para su utilización en la producción frigorífica. Es decir, de alguna manera, dan lugar a un doble ahorro de energía; uno por la recuperación de energías desechables y otro por la reducción de consumos primarios en la producción de energía eléctrica.
EXPERIENCIAS EN EL DISEÑO DE INSTALACIONES
El cálculo de cualquier instalación de plantas frigoríficas de absorción debe efectuarse, como en cualquier otro tipo de instalación, con el rigor necesario para que se consigan las prestaciones esperadas una vez la instalación se encuentre en servicio. El elevado coste inicial de los equipos condiciona muchas veces a los proyectistas en el sentido de intentar ajustar por defecto la capacidad útil de las plantas de absorción, para así reducir su tamaño y su coste. La determinación de la potencia a instalar en absorción debe realizarse siempre a partir de los valores de demanda máxima a los que los equipos se van a ver sometidos en las condiciones de diseño.
No hay que olvidar que el rendimiento de la máquina de absorción va a efectuarse directamente por la calidad y la cantidad de energía aportada a su concentrado, así como por la variación de los niveles energéticos de los fluidos circulantes por su evaporador y absorbedor-condensador, como ya hemos comentado.
Esto quiere decir que el proyectista debe poner un especial cuidado en verificar que se cumple la ecuación de equilibrio del sistema en cualquier condición, pero sobre todo en la de carga máxima.
En toda máquina de absorción se debe cumplir la siguiente ecuación de equilibrio térmico:
Hg+He=Ha+Hc
En la que:
Hg: Calor aportado al concentrador.
He: Calor aportado al evaporador.
Ha: Calor cedido en el absorbedor
Hc: Calor cedido en el condensador.
Si los caudales de agua, o vapor, en circulación por los distintos intercambiadores, difieren de los de proyectos en las condiciones reales de una instalación dada, o bien las temperaturas de los fluidos son distintas de las definidas, el ciclo frigorífico de la máquina se autoequilibrará, en la medida de sus posibilidades, modificando los saltos térmicos y las condiciones de trabajo del equipo, para tratar de conseguir que se igualen los términos de la ecuación anterior.
Esto, lógicamente llevará a la máquina a funcionar en unas condiciones que se parecerán poco a aquellas para las que fue proyectada. Y que será muy difícil corregir, por no decir imposible, una vez la instalación en servicio.
Por ello permítasenos insistir en la importancia que tiene que el diseñador de la instalación se asegure muy bien “a priori” de que las condiciones de cálculo van a ser realmente alcanzables, cuando la instalación se ejecute. Deberá verificar principalmente los siguientes factores para las condiciones de diseño a plena carga:
– Caudal real de energía disponible a aportar al concentrador; gasto de vapor a la presión de diseño, o caudal de agua caliente a la temperatura máxima alcanzable para el dimensionamiento de la planta enfriadora.
– Caudal de agua nominal en el evaporador y temperaturas de entrada y salida de agua.
– Caudal de agua nominal a través del absorbedor y condensador y temperaturas máxima y mínima alcanzables en la torre de recuperación.
– Capacidad real de disipación de calor en la torre de recuperación, en las condiciones nominales de diseño, para los caudales y temperaturas anteriores.
A partir de estos parámetros verificará que la ecuación de equilibrio se cumple.
Para enfatizar la importancia de estas comprobaciones, comentaré un error de cálculo que ha dejado de ser anecdótico para hacerse típico, dada la frecuencia con que se produce: En el diseño de sistemas de cogeneración se da la tendencia de tratar de escatimar en el diseño de la planta o plantas de absorción que van a encargarse de aprovechar el calor de refrigeración de los grupos. Es evidente que, cuanto mayor sea el nivel térmico de la energía aportada al concentrador de la máquina, mayor es el rendimiento de esta para una capacidad de producción frigorífica de diseño determinada y, consecuentemente, son menores su tamaño y su coste.
Por su parte, los grupos electrógenos, sobre todo si son accionados por motores de ciclo Otto o Diesel, tienen mejores rendimientos cuando sus temperaturas de trabajo se mantienen en valores inferiores a los máximos admisibles a régimen. La tendencia es a dimensionar las plantas de absorción para valores de entrada de agua caliente al concentrador coincidentes con las temperaturas límite de trabajo de los motores. En el funcionamiento real de la instalación, estos valores límite no pueden mantenerse durante periodos de tiempo prolongados, ya que repercuten negativamente en el rendimiento de los motores e incluso originan paradas de estos por seguridad de alta temperatura.
El resultado es que el agua caliente llega al concentrador, en condiciones estables de plena carga, a temperaturas que son inferiores hasta en 100C al valor de diseño para el que la planta fue calculada. Y en estas condiciones el rendimiento de una planta de absorción definida cae de forma exponencial.
Por ejemplo; una enfriadora de simple efecto para una capacidad nominal de 2000 kW trabajando con agua en el concentrador a 130°C (condición nominal de diseño de la máquina), dará una producción de aproximadamente 1.200 kW con agua a 115°C, y no llegará a producir 800 kW con agua entrando al concentrador a 95°C. Consecuentemente se afectarán las condiciones de trabajo del evaporador, absorbedor y condensador, las temperaturas de agua en la torre disminuirán y la torre quedará sobredimensionada, y en el evaporador no será posible alcanzar las temperaturas de agua fría de diseño. La máquina trabajara con niveles de concentración muy bajos, y sin embargo estará sometida a riesgo de cristalización como consecuencia de trabajar con bajas temperaturas del agua de torre a la entrada del absorbedor.
Cuando exista la duda razonable de que en una instalación puedan darse situaciones como la comentada, es preferible dividir la potencia requerida entre dos e instalar dos plantas de absorción para el 50% de la demanda, cada una, aunque esto evidentemente, supone una inversión inicial mayor.
IMPACTO AMBIENTAL
Por ultimo, pero no por menos importante, vamos a comentar las peculiaridades de los equipos de refrigeración por absorción en lo relativo a la incidencia de su utilización sobre el medio ambiente.
Me centraré en el comentario de los ciclos Agua-Bromuro de Litio, cuya influencia medioambiental considero menos conocida, ya que los ciclos Amoniaco-Agua están mas condicionados en su efecto medioambiental por la presencia del Amoniaco como refrigerante, y su divulgación ha sido más amplia por esta razón, al ser este agente frigorífico plenamente ecológico, sobre todo en lo relativo a su ODP (Potencial de Destrucción de Ozono) y GWP (Efecto Invernadero). Los aspectos de impacto indirecto, en función de la contaminación originada en la producción de energía eléctrica, y de TEl (Impacto Ambiental Global), son prácticamente comunes a ambos tipos de ciclos y están en relación directa con los COPs de cada máquina, para cada aplicación concreta, por lo que serán válidas para el ciclo Amoniaco-Agua las consideraciones que se harán sobre los ciclos Agua-Bromuro de Litio.

José María CANO MARCOS