Una bomba de calor de absorción ( AHP ) es una bomba de calor impulsada por energía térmica como la combustión de gas natural, vapor, agua calentada por energía solar, aire o agua calentada por energía geotérmica [1] [2] a diferencia de las bombas de calor de compresión que son impulsadas por energía mecánica. [ cita requerida ] Las AHP son más complejas y requieren unidades más grandes en comparación con las bombas de calor de compresión. [3] En particular, la menor demanda de electricidad de tales bombas de calor está relacionada solo con el bombeo de líquido. [3] Sus aplicaciones están restringidas a aquellos casos en los que la electricidad es extremadamente cara o hay una gran cantidad de calor no utilizado a temperaturas adecuadas y cuando la salida de enfriamiento o calefacción tiene un valor mayor que la entrada de calor consumida. [3] Los refrigeradores de absorción también funcionan con el mismo principio, pero no son reversibles y no pueden servir como fuente de calor. [ cita requerida ]
El sistema de bomba de calor se compone de algunas unidades principales como el generador, el condensador, el evaporador, el absorbedor y el intercambiador de calor, así como el dispositivo de succión, la bomba de protección (bomba de solución y bomba de refrigerante). [4] En el caso más simple, también se requieren cinco intercambiadores de calor (en cada componente y un intercambiador de calor interno). [3] [4] Otros componentes incluyen intercambiadores de calor de solución, válvulas , así como el dispositivo de succión, la bomba de protección (bomba de solución y bomba de refrigerante) y otras partes auxiliares. [4]
Para la circulación de la bomba de calor de absorción, el absorbedor , el generador y la bomba pueden considerarse como un "compresor térmico". El absorbedor es equivalente al lado de entrada del compresor, y el generador es equivalente al lado de salida del compresor. El absorbente puede considerarse como un líquido portador que transporta el gas refrigerante generado desde el lado de baja presión del ciclo al lado de alta presión. [5]
Dado que los componentes principales de los dispositivos que logran tres propósitos son los mismos, existe una bomba de calor que le permite realizar todos los modos de trabajo: modo bomba de calor, modo enfriador y modo transformador de calor. [6] La bomba de calor de absorción se puede utilizar como enfriador durante el verano mientras que, durante el invierno, se puede utilizar en modo bomba de calor o transformador de calor según la fuente de calor disponible. [6]
El rendimiento de la bomba de calor de absorción se indica mediante el coeficiente de rendimiento (COP). El COP es la relación entre el calor extraído (para refrigeración) o proporcionado (para calefacción) y la entrada de energía. En la actualidad, la temperatura máxima de su salida no supera los 150 °C. El aumento de temperatura ΔT es generalmente de 30 a 50 °C. El coeficiente de rendimiento de refrigeración es de 0,8 a 1,6, el coeficiente de rendimiento de calefacción es de 1,2 a 2,5 y el coeficiente de rendimiento de transferencia de calor es de 0,4 a 0,5. [4]
Cuando se aplican en la industria, las bombas de calor de absorción deben estar adecuadamente posicionadas en términos energéticos y deben satisfacer las limitaciones de las características especiales del entorno. [3]
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Según la temperatura, las bombas de calor de absorción se pueden dividir en dos categorías. En la bomba de calor de absorción de tipo 1, la temperatura del condensador es más alta que la temperatura del evaporador [7] (también conocida como amplificador de calor [8] y refrigeración [3] ). Impulsada por una fuente de calor de alta temperatura, la bomba de calor de absorción de primer tipo extrae el calor del calor residual y genera un medio de calor de temperatura media que es de 30 a 60 grados Celsius más alta que el calor residual. [9] Este tipo es más común y podría ser una alternativa a las máquinas de compresión tradicionales. El coeficiente de rendimiento de la bomba de calor de absorción de primer tipo es mayor que 1, generalmente de 1,5 a 2,5. [4]
La bomba de calor se compone de los componentes principales, como generadores, condensador, evaporador, absorbedor e intercambiador de calor, así como del dispositivo de succión, bomba de protección (bomba de solución y bomba de refrigerante) y otras piezas auxiliares. El dispositivo de extracción de aire elimina el gas no condensable en la bomba de calor y mantiene la bomba de calor siempre en un estado de alto vacío. [4]
En la bomba de calor de absorción de tipo 2, la temperatura del condensador es inferior a la temperatura del evaporador [7] (también denominada transformador de calor [10] ). La bomba de calor de absorción de tipo 2 utiliza el calor del calor residual de temperatura media de forma inteligente, generando un medio de calor de alta temperatura (vapor de agua caliente) de 25 a 50 grados Celsius más alto que el calor residual de temperatura media. [9] La bomba de calor de absorción de tipo 2 podría funcionar con calor residual de baja calidad en el proceso de producción o en la naturaleza, lo que puede lograr ahorro de energía y reducción de emisiones y reducir los costos de producción, y tiene una aplicación práctica en las industrias petroquímica y química del carbón. [9] El coeficiente de rendimiento de la bomba de calor de absorción de segundo tipo es siempre inferior a 1, generalmente de 0,4 a 0,5. [4]
Se utiliza una mezcla de fluidos como fluido de trabajo, las diferentes concentraciones del fluido de trabajo corresponden a diferentes temperaturas, la temperatura y la concentración del fluido de trabajo experimentan un cambio cíclico. Cuando se suministra calor al generador, la temperatura de la mezcla aumenta, lo que aumenta la concentración de componentes de alto punto de ebullición (absorbente) y libera el refrigerante. [3] Cuando el refrigerante se mezcla con el refrigerante que se encuentra en el absorbedor, se libera calor. [5] Se pueden utilizar varios tipos de mezcla en la unidad de absorción, pero las opciones más comunes son agua/bromuro de litio y amoníaco/agua. [3]
El agua es el refrigerante y el LiBr el medio de absorción. [1] Los sistemas de agua y LiBr tienen mayores capacidades y se aplican en una amplia gama en la industria, los tamaños varían desde decenas de kW hasta varios MW. [3] El primer tipo de unidad de bomba de calor de absorción de bromuro de litio es una fuente de calor de alta temperatura (vapor, agua caliente a alta temperatura, fueloil, gas) como fuente de calor impulsora, solución de bromuro de litio como absorbente y agua como refrigerante, y la fuente de calor de baja temperatura (como agua caliente residual) se recicla y se utiliza. [ cita requerida ]
El amoniaco es el refrigerante y el agua el medio de absorción. [1] En el absorbedor y el generador, la absorción o el efecto de la solución acuosa de amoniaco se utiliza para irradiar calor o absorber calor. En el evaporador y el condensador, el cambio de fase del amoniaco puro se utiliza para completar la absorción externa o la liberación de calor. [4] Al igual que una bomba de calor tradicional, el refrigerante (amoniaco) se condensa en el condensador y luego se libera calor; la presión se reduce después de la unidad de expansión y el refrigerante se evapora para absorber calor. [ cita requerida ]
Las bombas de calor de amoniaco/agua se limitan esencialmente a aplicaciones residenciales porque comercialmente solo se limitan a tamaños pequeños (unos pocos KW). [3] [11] Si el sistema absorbe calor del edificio residencial, funciona como una máquina de refrigeración; si libera calor al interior de un edificio residencial, calienta la casa. [12]
El componente clave de las bombas de calor que utilizan amoniaco y agua en el mercado hoy en día es el intercambiador de calor generador-absorbedor (GAX), que mejora la eficiencia térmica del equipo al recuperar el calor liberado cuando el amoniaco es absorbido por el agua. [11] Otras innovaciones aplicadas a este tipo de bombas de calor incluyen la separación eficiente del vapor, el flujo de amoniaco variable y la combustión de gas de capacidad variable y capacidad de bajas emisiones. [11]
En los distintos diseños de sistemas de refrigeración solar térmica se utilizan ciclos iterativos de refrigeración por absorción simples, dobles o triples. Cuantos más ciclos, más eficientes son. [ cita requerida ]
A finales del siglo XIX, el material refrigerante de cambio de fase más común para la refrigeración por absorción era una solución de amoníaco y agua. Hoy en día, también se utiliza habitualmente la combinación de bromuro de litio y agua. Un extremo del sistema de tuberías de expansión/condensación se calienta y el otro extremo se enfría lo suficiente como para fabricar hielo. Originalmente, a finales del siglo XIX se utilizaba gas natural como fuente de calor. Hoy en día, el propano se utiliza en los frigoríficos de absorción de los vehículos recreativos. Los innovadores colectores de energía solar térmica de agua caliente también se pueden utilizar como la moderna fuente de calor de "energía libre".
Los refrigeradores de absorción eficientes requieren agua a una temperatura de al menos 88 °C (190 °F). Los colectores solares térmicos de placa plana, comunes y económicos , solo producen agua a unos 70 °C (160 °F), pero varios proyectos comerciales exitosos en los EE. UU., Asia y Europa han demostrado que los colectores solares de placa plana desarrollados especialmente para temperaturas superiores a 93 °C (200 °F) (con doble acristalamiento, mayor aislamiento posterior, etc.) pueden ser efectivos y rentables. [13] También se pueden utilizar paneles solares de tubos de vacío. Los colectores solares de concentración necesarios para los refrigeradores de absorción son menos efectivos en entornos cálidos, húmedos y nublados, especialmente donde la temperatura baja durante la noche y la humedad relativa son incómodamente altas. Cuando el agua se puede calentar muy por encima de los 88 °C (190 °F), se puede almacenar y utilizar cuando no brilla el sol. [ cita requerida ]
Durante más de 150 años, se han utilizado refrigeradores de absorción para fabricar hielo. [14] Este hielo se puede almacenar y utilizar como una "batería de hielo" para enfriar cuando no brilla el sol, como sucedió en el Hotel New Otani de Tokio en Japón en 1995. [15] Hay modelos matemáticos disponibles en el dominio público para los cálculos del rendimiento del almacenamiento de energía térmica basados en hielo. [12]
La tierra como un recurso de almacenamiento térmico enorme y estable, su temperatura superficial del suelo y el agua subterránea también tienen amplias perspectivas de aplicación en el uso de energía, especialmente para el ahorro de energía en la construcción, que es de gran importancia. Usando la tecnología de bomba de calor de absorción (refrigeración), el agua geotérmica de 65-90 °C se puede utilizar para producir agua refrigerante de 7-9 °C para el aire acondicionado de verano. El uso razonable de la tecnología de bomba de calor correspondiente puede lograr la utilización eficiente e integral de los recursos geotérmicos a diferentes niveles de temperatura, reduciendo en gran medida el consumo de energía para calefacción y refrigeración de edificios residenciales y comerciales. [4] El uso de agua geotérmica de 65 °C y más (o calor residual/residual) para impulsar la bomba de calor de absorción para refrigeración, y el tipo de bomba de calor correspondiente (calefacción/calefacción) para calefacción, puede lograr buenos beneficios económicos y de ahorro de energía. [4] Para fuentes de calor de baja temperatura de 15 a 25 °C, impulsadas por una pequeña cantidad de fuentes de calor de alta temperatura (como vapor de alta temperatura o combustión directa), se puede preparar agua fría a una temperatura de 7 a 15 °C y agua caliente a una temperatura superior a 47 °C. 1.2, >1.5 al calentar. [4]
El gas natural es una fuente de calor de uso común, por lo tanto, las bombas de calor de absorción a veces se denominan bombas de calor a gas. [11] Además, cuando las bombas de calor de otras fuentes de calor (calor residual, por ejemplo) funcionan en el modo de calefacción, pueden satisfacer los requisitos de calefacción por sobrecarga de períodos muy fríos de manera eficiente a través de calderas de gas adicionales. [6]
A modo de ejemplo, el sistema de propulsión por calor residual puede cubrir las cargas de refrigeración y calefacción al funcionar en modo de refrigeración y conversión de calor. Es posible que un solo dispositivo pueda proporcionar recursos al área urbana de manera eficiente durante la mayor parte del año impulsado por el calor residual. [6]
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