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La refrigeración en ciclo de ADsorción

Publicado en Eficiencia energética

El término adsorción se deriva de un proceso general denominado 'sorción', que describe la transferencia periódica de energía en dos subprocesos, en los cuales un medio sólido adsorbente bajo transferencia de energía ‘adsorbe’ una materia en estado gaseoso. El efecto contrario, o sea, la separación de la materia gaseosa del cuerpo sólido mediante entrega de calor a dicho cuerpo, se denomina ‘desorción’.

Desde hace mucho tiempo el principio de la adsorción ha sido empleado en diferentes campos de la técnica de procesos, pero apenas en técnicas de refrigeración o climatización. Es entre los años veinte y treinta del siglo XX cuando se desarrolló la máquina de refrigeración por adsorción, desplazada enseguida por la aplicación de los compuestos CFC, descubiertos en aquella época, en los sistemas de refrigeración por compresión.En 1927, la firma Copeland y la corporación americana Silica-Gel Corp. presentaron una máquina de refrigeración por adsorción con silicagel.

Esta tecnología fue luego introducida por la firmas Safety Car Heating y Lighting Co. en el enfriamiento de vagones ferroviarios. Después de numerosas pruebas bajo las distintas condiciones, el sistema desarrollado convenció tanto que se comenzó a realizar su producción en serie y se construyeron 50 vagones ferroviarios con dicha tecnología de enfriamiento para el transporte de pescado. En este sistema fue utilizado SO2 (dióxido de azufre) como refrigerante. Este tipo de equipo no pudo mantenerse por mucho tiempo en operación porque el elemento adsorbente disminuía la capacidad con el tiempo, repercutiendo negativamente en el rendimiento.

En aquel entonces el agua fue utilizada en muy pocas ocasiones como medio refrigerante. Tal fue el caso de la firma Carrier Co., que construyó sistemas de aire acondicionado en los cuales se utilizó la combinación silicagel-agua. Tchernev introdujo el par de trabajo zeolita-agua en sistemas cerrados de refrigeración por adsorción. Este sistema tenía la peculiaridad de ser funcionalmente discontinuo, porque de día se utilizaban las radiaciones solares para el secado o regeneración de la zeolita y por la noche se producía el deseado efecto frigorífico, condicionado por la adsorción de los vapores de agua por la zeolita.

Un aspecto fundamental en el uso de este tipo de refrigeración alternativa ha sido su bajo impacto medio ambiental, al no contar los mismos con los CFC como medios refrigerantes para su funcionamiento. A finales de los años setenta, debido a la crisis energética mundial y los problemas causados por el uso de los compuestos CFC, se suscita un interés especial en la investigación y aplicación de los sistemas de refrigeración por adsorción y en las tecnologías alternativas de refrigeración.  En 1980, Jaques Chiral demaquina adsorcionsarrolló un sistema experimental donde obtuvo alentadores resultados con sistemas de adsorción y paneles de calentamiento solar. Fue, por fin, en el año 1986 cuando se desarrolló y produjo el refrigerador por adsorción, de la firma japonesa NISHIYODO Kuchou Manufacturing Company. Desde entonces se ha utilizado y evaluado en un amplio abanico de usos en diversas áreas de Japón, Europa y América, donde existen más de un centenar de referencias. La foto muestra la versión actualizada de la máquina de refrigeración en ciclo de adsorción.
Describimos, a continuación, el ciclo discontinuo operativo de la máquina de adsorción, que dispone del evaporador en la parte inferior, el condensador en la superior y dos cámaras separadas donde sucesivamente tiene lugar la adsorción y desorción del vapor de agua, como fluido refrigerante, sobre una materia sólida denominada silicagel, que cuenta cada una con un intercambiador de calor. Todo el conjunto es hermético y a presión bastante inferior a la atmosférica, por lo cual el agua es capaz de hervir a temperaturas del orden de los 3 ºC. El proceso, como indicamos, es discontinuo y se divide en 6 periodos, con una duración total de 420 seg (7 min). Véase esquema explicativo:  Esquema ciclo de adsorción
 
  • Ciclo A: Duración 370 segundos (6,17 min), durante los cuales una de las cámaras se halla en proceso de adsorción del vapor de agua proveniente del evaporador, para lo cual se necesita que el agua de refrigeración procedente de la torre circule por el intercambiador correspondiente. En la otra cámara el silicagel debe ser regenerado, por lo que es calentado a través de su intercambiador con agua a 90ºC, con lo cual se libera el vapor de agua en proceso de desorción, que pasa al condensador, donde el vapor de agua cambia a fase líquida, regresando por gravedad al evaporador.
  • Ciclo B: Duración 30 seg (0,50 min) Se abre la válvula de by-pass, se igualan las presiones y temperaturas de ambas cámaras, calentándose una con el calor de la otra. Mientras tanto el agua caliente no actúa y el condensador continúa refrigerándose.
  • Ciclo C: Duración 20 seg (0,33 min) El agua de refrigeración procedente de la torre, empieza a circular por las dos cámaras en serie, primero enfriando la cámara que ya terminó el proceso de desorción y continuando hacia la que terminó el proceso de adsorción.
  • Ciclo D: Duración 370 segundos (6,17 min), inverso del ciclo A.
  • Ciclo E: Duración 30 seg (0,50 min), inverso del ciclo B
  • Ciclo F: Duración 20 seg (0,33 min), inverso del ciclo C.

La particularidad fundamental de esta máquina es su adaptabilidad a las variaciones, tanto de caudal como de temperatura de la fuente de calor, normalmente procedente de procesos residuales o bien de cogeneración, como se desprende del gráfico adjunto donde se observa que la capacidad de la máquina cuando varía el caudal de agua caliente un 50% sólo queda afectada en el 5%, y que la variación de la temperatura del agua enfriada, con variaciones de caudal del 20%, sólo quedan afectadas en 1ºC, aproximadamente.

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Es importante analizar el gráfico inferior, donde se representa en abscisas la temperatura del agua caliente, que en condiciones nominales es de 90ºC, y en ordenadas la variación de la capacidad de refrigeración. La curva superior se refiere a la máquina de adsorción, mientras que la inferior es la correspondiente a una máquina de absorción. La reducción de la capacidad, en la máquina de absorción al reducir la temperatura del agua caliente de aportación  a 80ºC, casi  la deja fuera de servicio ya que la temperatura mínima de operación en ese tipo de máquinas es del orden de 75ºC.

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Por tanto la máquina de refrigeración en ciclo de  adsorción es recomendable en procesos con variaciones de caudal y de temperatura en la fuente de calor. Además logra funcionar a temperaturas del agua caliente de sólo  32ºC, imposible en máquinas de absorción. Esta característica hace que sea insustituible en aplicaciones cuya fuente térmica tenga temperaturas máximas de 75ºC. Un ejemplo típico son las plantas de refrigeración solar con captadores de baja temperatura, sean planos o con tubos de vacío.