ES2356542A1 - Enfriadora de agua por absorción tipo aire-agua o agua-agua de amoníaco y nitrato de litio. - Google Patents
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Abstract
Enfriadora de agua de absorción que usa como par refrigerante-absorbente la mezcla amoniaco-nitrato de litio, en la que todos los intercambiadores del equipo son intercambiadores de placas termosoldadas, conformando un ciclo de simple efecto diseñada para incorporar energía solar en aplicaciones de aíre acondicionado permitiendo, así mismo, abordar las exigencias de refrigeración de edificios para potencias máximas de 15 kW. La enfriadora de agua puede operar en modo agua-agua o bien en modo aire-agua en función de las necesidades de la instalación.
Description
Enfriadora de agua por absorción tipo
aire-agua o agua-agua de amoniaco y
nitrato de litio.
La presente invención se refiere a una
enfriadora de agua por absorción, que usa como par
refrigerante-absorbente la mezcla
amoniaco-nitrato de litio y en la que todos los
intercambiadores del equipo son intercambiadores de placas
termosoldadas.
Se trata de una enfriadora de agua de absorción
que funciona según un ciclo de simple efecto diseñada para
incorporar energía solar en aplicaciones de aire acondicionado
cumpliendo con las exigencias de refrigeración de edificios para
potencias máximas de 15 kW. La enfriadora de agua puede operar en
modo agua-agua o bien en modo
aire-agua según las necesidades de la
instalación.
La tecnología actual de los equipos de absorción
se basa en la utilización de las dos mezclas convencionales de los
ciclos de absorción: H2O-LiBr y
NH3-H2O.
La mezcla H2O-LiBr tiene la
ventaja de ofrecer un coeficiente de funcionamiento (COP) más
elevado a temperaturas de generación más bajas
75-90ºC. Sin embargo, presenta el inconveniente de
que requiere una torre de refrigeración ya que a temperaturas altas
del absorbedor presenta problemas de cristalización. Así, la
necesidad de torre de refrigeración encarece los equipos, introduce
un consumo de agua de 4 a 6 kg/h por Kw. de frío y aumenta los
gastos de mantenimiento asociados al cumplimiento de la normativa
sobre la prevención de la legionela.
La mezcla NH3-H2O no presenta
problemas de cristalización por ser la mezcla soluble en todo el
intervalo de concentraciones. Ello posibilita una disipación seca
aunque a costa de temperaturas de activación más elevadas que los
equipos de H2O-LiBr. Por ello los equipos de
absorción de NH3-H2O requieren captadores solares de
mayor temperatura que encarecen la instalación. Otro inconveniente
de los equipos de absorción de NH3-H2O es la
relativa volatilidad del agua (absorbente) que obliga a rectificar
los vapores a la salida del generador para que llegue amoniaco puro
al evaporador. Esta rectificación, que es indispensable ya que la
presencia del agua en el evaporador reduce su capacidad frigorífica,
penaliza el COP del ciclo que resulta ser inferior al de los ciclos
de H2O-LiBr.
En este contexto, las limitaciones que presentan
las dos mezclas tradicionales de los ciclos de absorción han
motivado la propuesta e investigación de nuevas mezclas. Entre éstas
destacan las mezclas que manteniendo el amoniaco como refrigerante
proponen la sustitución del agua como absorbente por una sal para
eliminar la necesidad de rectificar los vapores a la salida del
generador. La presente invención propone la utilización del nitrato
de litio como absorbente del amoniaco. Así, las ventajas de la
mezcla NH3-LiNO3 respecto a las mezclas
convencionales son:
- a)
- En comparación con la mezcla H2O-LiBr no tiene problemas de cristalización con una refrigeración con aire y el ciclo opera a presiones superiores a la atmosférica.
- b)
- En comparación con la mezcla NH3-H2O no requiere rectificación y las temperaturas de activación del ciclo son más bajas.
Ya en el año 1931 la patente GB358844 propuso la
mezcla amoniaco-nitrato de litio como par de
trabajo para enfriadoras de absorción. Recientemente, la patente
japonesa 2002310527, muestra una enfriadora de agua por absorción de
amoniaco-nitrato de litio, que comprende un
evaporador, un absorbedor, un generador, un condensador y un
depósito que almacena amoniaco líquido para alimentar el
evaporador.
A modo de conclusión, la presente invención hace
posible la activación del ciclo de absorción con agua caliente
producida en captadores solares con temperaturas comprendidas entre
los 80 y 110ºC e incorpora, así mismo, notables perfeccionamientos
que permiten una reducción de los inconvenientes que presenta el
estado de la técnica en la materia:
- a)
- La posibilidad de cristalización del fluido de trabajo.
- b)
- La operación en condiciones de vacío de la mezcla agua-bromuro de litio.
- c)
- Una separación difícil refrigerante-solución en la mezcla amoniaco-agua.
- d)
- Por último, también está destinada a solucionar parte de los inconvenientes asociados a la utilización de una enfriadora agua-agua, como son la utilización de una torre de refrigeración, un aero-refrigerante o cualquier otro disipador de calor que suponga en la instalación grandes necesidades de espacio o problemas higiénico-sanitarios.
A modo de explicación de la "Enfriadora de
agua por absorción tipo aire-agua o
agua-agua de Amoniaco y Nitrato de Litio"
consiste en una instalación enfriadora de agua de absorción que usa
como par refrigerante-absorbente la mezcla
amoniaco-nitrato de litio, en la que todos los
intercambiadores del equipo son intercambiadores de placas
termosoldadas mejorando los procesos de transferencia de calor y
materia y que conforma un ciclo de simple efecto diseñada para
incorporar energía solar en aplicaciones de aire acondicionado
permitiendo, así mismo, abordar las exigencias de refrigeración de
edificios para potencias máximas de 15 kW.
Sus componentes principales son: absorbedor de
burbuja de placas, generador de ebullición en flujo de placas,
condensador y evaporador de placas, intercambiador recuperador y
líquido-vapor de placas, depósito separador del
vapor de amoniaco y válvula autoreguladora del caudal de
solución.
Es importante indicar que el amoniaco será el
refrigerante mientras que como absorbente actuará el nitrato de
litio al tratarse, esta último de una sal con una alta afinidad por
el vapor de amoniaco.
Así, la enfriadora de agua puede operar en modo
agua-agua o bien en modo aire-agua
en función de las necesidades de la instalación. Esto se consigue
disponiendo de dos modelos de enfriadora de absorción,
aire-agua y agua-agua, capaz de
adaptase a las necesidades de cualquier instalación. En el modelo
agua-agua todos los intercambiadores de calor son
intercambiadores de placas corrugadas. En el modelo
aire-agua se distinguen dos alternativas, la primera
consiste en utilizar una batería imbricada, de forma que parte de la
misma se utiliza para condensar amoniaco refrigerante y el resto
para enfriar el agua de refrigeración del absorbedor de la
enfriadora. La segunda alternativa consiste en disponer de una
batería destinada a enfriar el agua de refrigeración procedente
tanto del condensador como del absorbedor.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con los ejemplos preferentes
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, las figuras que se relacionan a
continuación;
La figura 1.- Diagrama del proceso de
refrigeración por absorción tipo agua-agua.
La figura 2a.- Esquema del sistema de
distribución de refrigerante y solución situado en la entrada del
absorbedor-Planta.
La figura 2b.- Esquema del sistema de
distribución de refrigerante y solución situado en la entrada del
absorbedor-Alzado.
La figura 2c.- Esquema del sistema de
distribución de refrigerante y solución situado en la entrada del
absorbedor-Planta inferior.
La figura 2d.- Esquema del sistema de
distribución de refrigerante y solución situado en la entrada del
absorbedor-Perfil visto desde la izquierda.
La figura 2e.- Esquema del sistema de
distribución de refrigerante y solución situado en la entrada del
absorbedor-Perfil Detalle A.
La figura 2f.- Esquema del sistema de
distribución de refrigerante y solución situado en la entrada del
absorbedor-Perfil Detalle B.
La figura 3.- Diagrama del proceso de
refrigeración por absorción tipo aire-agua.
La figura 4.- Diagrama del proceso de
refrigeración por absorción tipo aire-agua con
batería imbricada.
La figura 5a.- Configuración del condensador
según batería imbricada de acero-Planta.
La figura 5b.- Configuración del condensador
según batería imbricada de acero-Perfil.
La figura 5c.- Configuración del condensador
según batería imbricada de acero-Alzado delantero en
el que se aprecia el circuito de agua.
En las mismas es importante destacar los
siguientes elementos o partes constituyentes:
- 1.
- Condensador.
- 2.
- Depósito condensado.
- 3.
- Subenfriador para el refrigerante líquido.
- 4.
- Válvula de expansión del refrigerante líquido.
- 5.
- Evaporador.
- 6.
- Distribuidor.
- 7.
- Absorbedor.
- 8.
- Depósito de solución rica.
- 9.
- Bomba de circulación.
- 10.
- Intercambiador de calor.
- 11.
- Generador.
- 12.
- Depósito de generador.
- 13.
- Válvula de expansión.
- 14.
- Baterías de agua.
A modo de ejemplo de realización
preferente de la "Enfriadora de agua por absorción tipo
agua-agua de Amoniaco y Nitrato de Litio"
aplicable, en la figura 1 se aprecia como la misma se compone de los
siguientes componentes: un generador (11) donde, gracias al calor
suministrado por unos captadores solares, se produce la obtención de
vapor refrigerante que será separado de la solución formada por
refrigerante-nitrato de litio, gracias a un
depósito situado tras el generador (12), un condensador (1) para el
vapor procedente del depósito anterior, un depósito de
almacenamiento (2) del refrigerante condensado procedente del
condensador, un subenfriador (3) para el refrigerante líquido a la
salida del depósito, una válvula (4) para disminuir la presión del
refrigerante, un evaporador (5) que volverá a gasificar el
refrigerante líquido que pasará, después de circular por el
intercambiador (3), a un absorbedor (7) en el que se absorbe
amoniaco puro en una solución poco concentrada (Línea 8), de manera
que se obtiene una solución rica (Línea 1) que pasará a un depósito
de almacenamiento (8) para luego ser impulsada gracias a una bomba
(9) que aumenta su presión y la hace circular hacia el generador
tras pasar por un intercambiador de calor (10). Del depósito (12)
contiguo al generador obtendremos dos corrientes, una la corriente
de amoniaco vapor (Línea 9) y otra una solución de baja
concentración en amoniaco (solución pobre, Línea 6) que llegará al
absorbedor tras haber pasado por el intercambiador (10) y
suministrar calor a la solución rica procedente de la bomba de
circulación. Esta solución pobre enfriada en el intercambiador
sufrirá una disminución de presión tras pasar por una válvula (13)
colocada justo antes de la entrada al absorbedor. La válvula de
expansión (13), mediante un sistema de diafragma, muelles y
orificios, autorregula automáticamente su apertura sin ningún tipo
de energía externa. La válvula permite mantener el caudal de
solución pobre fijado independientemente de la presión existente en
el generador y en el absorbedor.
La fase vapor de refrigerante se produce a
partir de la solución de refrigerante-nitrato de
litio mediante un dispositivo de generación compuesto por un
intercambiador de placas corrugadas seguido de un depósito donde se
produce la separación de las dos fases, vapor de refrigerante y
solución pobre de refrigerante-nitrato de litio,
obtenidas en el intercambiador de calor gracias al aporte de calor
de una corriente de agua caliente procedente de los captadores
solares y circulando en contracorriente con la solución. La solución
circula en sentido ascendente en el intercambiador de placas. La
temperatura de entrada del agua caliente comprenderá valores entre
80 y 110ºC.
La conexión entre el depósito separador (12) y
el condensador (1), se produce de forma que la salida de vapor quede
situada en la parte superior del depósito para evitar circulación de
líquido en la línea (9), mientras que la salida de líquido se
encuentra en la parte inferior del depósito. Este vapor se condensa
en un cambiador de placas obteniendo amoniaco líquido saturado que
es almacenado en el depósito (2). Opcionalmente, el vapor también
puede ser condensado en un intercambiador de calor de tipo batería
de tubos de acero aleteados.
El refrigerante como líquido saturado circulará
por el intercambiador de placas (2) para conseguir condiciones de
subenfriamiento y alimentará la válvula de expansión electrónica
(4), situada a la entrada del evaporador (5), para reducir su
presión como puede apreciarse en la Fig. 1.
En el evaporador consistente en un
intercambiador de placas, se gasificará el líquido subenfriado
procedente de la válvula (4) gracias al calor suministrado por una
corriente de agua fría procedente del edificio a refrigerar. La
temperatura de impulsión del agua fría puede tomar valores
comprendidos entre 8 y 15ºC, dependiendo del sistema de
climatización del edificio.
En el proceso de absorción se utiliza un
dispositivo consistente en un intercambiador de placas corrugadas,
en el que el refrigerante vapor y la solución pobre entran por una
de las conexiones inferiores del intercambiador, saliendo la
solución rica por la conexión superior. El calor generado en el
proceso de absorción es disipado por el agua de refrigeración que
circula en contracorriente. Debido a las bajas velocidades
existentes en el puerto de entrada del absorbedor, existe el riesgo
de que la solución pobre y el vapor que entran al absorbedor, se
separen y entren por diferentes canales. Para evitar este problema
el vapor se inyecta en el puerto de entrada mediante un sistema de
distribución. En las figuras 2a, 2b, 2c, 2d y 2f se muestra un
esquema del sistema de distribución de refrigerante y solución
situado en la entrada del absorbedor. El sistema de distribución se
inicia con una T que conecta la línea de vapor de refrigerante y la
línea de solución pobre. La línea de vapor, de menor diámetro que el
puerto del intercambiador, se prolonga hasta el final del puerto de
entrada del intercambiador. El extremo final del tubo está taponado
y en la parte inferior del tubo se ha realizado una apertura de
forma trapezoidal con una menor apertura al principio del puerto de
distribución para irse ensanchando hacia el final del puerto. El
área de salida del vapor a través de la apertura realizada en la
parte inferior del tubo, es ligeramente superior al área de paso del
tubo. El tubo referido a modo de ejemplo se podría llevar a cabo
según un diámetro exterior de 19,05 mm y un diámetro interior de
16,57 mm, con una apertura trapezoidal al principio del puerto de
0.2 cm y de 0.3cm al final del puerto. La solución circula por la
zona anular que queda entre el tubo de vapor y el puerto
distribución del intercambiador. El flujo bifásico que se genera
circula a continuación en los canales del intercambiador de placas
donde se desarrolla el proceso de absorción. El calor generado en el
proceso de absorción es disipado mediante una corriente de agua de
refrigeración que circula en contracorriente con la solución. La
temperatura de entrada del agua de refrigeración al condensador y
absorbedor comprenderá valores entre 35 y 45ºC.
El resultado de la absorción es una solución
refrigerante-sal con alta concentración de amoniaco
y se almacenará en un depósito (8) situado a la salida del
absorbedor (7). Esta solución circulará a través de la línea (2)
para dirigirse a la bomba de circulación (9) que aumentará su
presión hasta la presión alta del ciclo de absorción.
La solución rica en amoniaco y procedente de la
bomba de circulación (9) aumentará su temperatura en el
intercambiador (10) gracias a la circulación en contracorriente con
la solución pobre en amoniaco procedente del depósito (12).
Finalmente la solución rica en amoniaco pasará al generador y la
solución pobre, tras pasar por la válvula de expansión (13),
alimentará junto con el vapor de la línea (14) al absorbedor gracias
al distribuidor especial situado en su entrada.
A modo de ejemplo de realización
preferente de la "Enfriadora de agua por absorción tipo
aire-agua de Amoniaco y Nitrato de Litio" se
muestra en la figura 3. En la misma, se puede apreciar como se dan
los mismos procesos de intercambio de calor y materia que para la
absorción tipo agua-agua ya descrita y según figura
1. Así, la única diferencia entre un modelo y otro radica en la
inclusión de una batería aire-agua con tubos de
cobre y aletas de aluminio, capaz de disipar el calor del agua de
refrigeración procedente tanto del absorbedor como del
condensador.
Por último, a modo de ejemplo de realización
alternativo de la "Enfriadora de agua por absorción tipo
aire-agua de Amoniaco y Nitrato de Litio"
se muestra en la figura 4 el correspondiente diagrama de proceso
con batería imbricada.
Así, este esquema de proceso de refrigeración
sólo difiere respecto a los descritos en la figura 1 y figura 3 en
la configuración de su condensador. En este caso el condensador es
una batería imbricada de acero tal y como se muestra en las figuras
5a, 5b y 5c, en la que parte de la misma está destinada a condensar
el refrigerante y el resto a disipar el calor del agua de
refrigeración. Así, la batería consta de dos filas de tubos de acero
con aletas de aluminio. Una de las filas estará dedicada a condensar
amoniaco y la otra a enfriar agua de refrigeración. Cada fluido que
circula por la batería (amoniaco y agua) recorrerá un circuito
diferente de acuerdo a las necesidades del proceso. La batería será
curvada de acuerdo a las necesidades espaciales de la estructura de
la enfriadora de agua.
No se considera necesario hacer más extensa esta
descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el
alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.
La tecnología que lo implemente, las dimensiones de los elementos
descritos y sus aplicaciones serán susceptibles de variación siempre
y cuando ello no suponga una alteración en la esencialidad del
invento.
Claims (5)
1. Enfriadora de agua por absorción tipo
aire-agua o agua-agua de Amoniaco y
Nitrato de Litio caracterizado por utilizar como par
refrigerante-absorbente la mezcla
amoniaco-nitrato de litio, con un intercambiador de
calor de placas empleado como evaporador, con un intercambiador de
calor de placas empleado como absorbedor, con un intercambiador de
calor de placas empleado como intercambiador de calor de solución,
con un intercambiador de calor de placas empleado como generador,
con un intercambiador de calor de placas empleado como subenfriador
de refrigerante y con un intercambiador de calor de placas empleado
como condensador para el modelo de enfriadora
agua-agua u opcionalmente con una batería de tubos
aleteados de acero empleada como condensador para el modelo
aire-agua, caracterizada por su accionamiento con
agua caliente procedente de captadores solares y su posible
operación con sistemas de disipación seca.
2. Enfriadora de agua por absorción tipo
aire-agua o agua-agua de Amoniaco y
Nitrato de Litio con todos los intercambiadores de calor de placas o
alternativamente con batería de tubos aleteados de acero empleada
como condensador, según reivindicación 1, caracterizada por
la generación de la fase vapor de refrigerante a partir de la
solución de refrigerante-sal mediante un dispositivo
de generación compuesto por un intercambiador de placas corrugadas
seguido de un depósito donde se produce la separación de las dos
fases, vapor de refrigerante y solución pobre de refrigerante,
obtenidas en el intercambiador de calor gracias al aporte de calor
de una corriente de agua caliente procedente de los captadores
solares y circulando en contracorriente con la solución.
3. Enfriadora de agua por absorción tipo
aire-agua o agua-agua de Amoniaco y
Nitrato de Litio según reivindicación 1 y 2, caracterizado
por usar un absorbedor de burbujas de placas corrugadas, en el que
el amoniaco vapor se inyecta en el seno del puerto de distribución
de entrada y se reparte uniformemente en el intercambiador de placas
mediante un distribuidor que hace de mezclador de gas y líquido. El
distribuidor se ubica en la entrada del absorbedor y se inicia con
una T que conecta la línea de vapor de amoniaco y la línea de
solución pobre. La línea de vapor, de menor diámetro que el puerto
del intercambiador, se prolonga hasta el final del puerto de entrada
del intercambiador. El extremo final del tubo está taponado y en la
parte inferior del tubo se ha realizado una apertura de forma
trapezoidal con una menor apertura al principio del puerto de
distribución para irse ensanchando hacia el final del puerto. El
área de salida del vapor a través de la apertura realizada en la
parte inferior del tubo, es ligeramente superior al área de paso del
tubo. La solución circula por la zona anular que queda entre el tubo
de vapor y el puerto distribución del intercambiador. El flujo
bifásico que se genera circula a continuación en los canales del
intercambiador de placas donde se desarrolla el proceso de
absorción. Por último, el calor generado en el proceso de absorción
es disipado mediante una corriente de agua de refrigeración que
circula en contracorriente con la solución.
4. Enfriadora de agua por absorción tipo
aire-agua o agua-agua de Amoniaco y
Nitrato de Litio según reivindicación 1, 2 y 3, caracterizada
por utilizar una válvula de expansión de solución que mediante un
sistema de diafragma, muelles y orificios, autorregula
automáticamente y sin aporte de energía externa adicional, en los
rangos de temperaturas de funcionamiento adecuados, su apertura,
manteniendo el caudal de solución pobre fijado, independientemente
de la presión existente en el generador y en el absorbedor.
5. Enfriadora de agua por absorción tipo
aire-agua o agua-agua de Amoniaco y
Nitrato de Litio según reivindicación 1, 2, 3 y 4,
caracterizada por la utilización de una batería de tubos de
acero y aletas de aluminio imbricada en la que parte de la misma
está destinada a condensar el refrigerante y el resto a disipar el
calor del agua de refrigeración. La batería consta de dos filas de
tubos de acero con aletas de aluminio. Una de las filas estará
dedicada a condensar amoniaco y la otra a enfriar agua de
refrigeración. Cada fluido que circula por la batería (amoniaco y
agua) recorrerá un circuito diferente de acuerdo a las necesidades
del proceso. La batería será curvada de acuerdo a las necesidades
espaciales de la estructura de la enfriadora de agua.
Priority Applications (5)
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|---|---|---|---|
| ES200930758A ES2356542B1 (es) | 2009-09-29 | 2009-09-29 | Enfriadora de agua por absorción tipo aire-agua o agua-agua de amoníaco y nitrato de litio. |
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| ES10819944T ES2782356T3 (es) | 2009-09-29 | 2010-09-21 | Enfriadora de agua por absorción tipo aire/agua o agua/agua que utiliza amoniaco y nitrato de litio |
| IN2686DEN2012 IN2012DN02686A (es) | 2009-09-29 | 2010-09-21 | |
| PCT/ES2010/070608 WO2011039397A1 (es) | 2009-09-29 | 2010-09-21 | Enfriadora de agua por absorción tipo aire-agua o agua-agua de amoniaco y nitrato de litio |
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