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Bomba de calor de absorción-compresión

Una bomba de calor de absorción-compresión ( ACHP ) es un dispositivo que integra un compresor eléctrico en una bomba de calor de absorción . En algunos casos, esto se obtiene combinando una bomba de calor de compresión de vapor y una bomba de calor de absorción . También se conoce como bomba de calor híbrida [1], que sin embargo es un campo más amplio. Gracias a esta integración, el dispositivo puede obtener efectos de enfriamiento y calentamiento utilizando fuentes de energía térmica y eléctrica . [2] [3] Este tipo de sistemas se acopla bien con sistemas de cogeneración donde se produce tanto calor como electricidad. Dependiendo de la configuración, el sistema puede maximizar la producción de calor y enfriamiento a partir de una cantidad dada de combustible, o puede mejorar la temperatura (y por lo tanto la calidad) del calor residual de otros procesos. [4] Este segundo uso es el más estudiado y se ha aplicado a varias aplicaciones industriales. [5]

Historia

1748
El primer concepto de ciclo de bomba de calor de absorción-compresión fue patentado por Osenbrück. [5] En los años siguientes se realizaron pocas investigaciones al respecto.
1950-1951
Altenkirch realizó un estudio teórico detallado que identificó que el ciclo tiene un potencial significativo de ahorro de energía . [6]
1970-2000
Con la crisis del petróleo en los años 70, el potencial de ahorro energético del ciclo creció en interés y hubo un rápido aumento de las actividades de investigación en el campo. [5] En este período se construyeron varias plantas experimentales y en 1997, Groll resumió estas actividades en su revisión donde identificó más de 40 estudios. [7] En ese momento, todavía se necesitaba mucho trabajo antes de que el ACHP pudiera estar disponible comercialmente.
2011
Nordtvedt estudió el ciclo en su tesis doctoral y sus estudios culminaron en la construcción, en 2011, de la primera aplicación comercial en la industria alimentaria noruega. [8] Después de esto, se han instalado varias unidades para uso comercial en diversas aplicaciones industriales de alta temperatura. [5]

Ventajas y desventajas

Diagrama PT que muestra el deslizamiento de temperatura en una bomba de calor binaria. Este comportamiento aumenta la eficiencia de la bomba de calor ACHP
La toxicidad del amoniaco es el principal inconveniente del ACHP

La principal ventaja con respecto a la bomba de calor de compresión es que las bombas de calor de compresión-absorción permiten que el calor se transfiera con un deslizamiento de temperatura. La bomba de calor de compresión utiliza un solo fluido de trabajo puro , por lo tanto, intercambia calor a una temperatura constante. La bomba de calor de absorción-compresión utiliza en cambio una mezcla binaria donde la condensación y la evaporación se producen con un deslizamiento de temperatura. Esta propiedad aumenta la eficiencia de la transferencia de calor cuando la fuente de calor también tiene un deslizamiento de temperatura significativo, que es la condición típica que se encuentra cuando se trata de recuperación de calor residual . [4]

Al ser una solución híbrida que puede aprovechar tanto fuentes de energía térmica como mecánica/eléctrica, el dispositivo puede combinarse perfectamente con unidades de cogeneración para producir calefacción y refrigeración con eficiencias muy altas. [9] Además, hace que el sistema sea más flexible, permitiendo la optimización de la combinación de electricidad y energía térmica. Su disponibilidad varía de hecho a lo largo del día y del año. Por lo tanto, la flexibilidad permite reducir los costos operativos. [9]

El principal inconveniente de esta tecnología es que, para conseguir buenos resultados, suele ser necesario emplear amoniaco, que es muy tóxico e inflamable. Este inconveniente ha hecho que estas aplicaciones se limiten al sector industrial, donde resulta más práctico tratar con fluidos peligrosos. [3]

Configuraciones

Esquema conceptual de bomba de calor combinada de absorción y compresión de vapor con compresor en paralelo a la bomba del ciclo de absorción también conocido como ciclo de Osenbrück
Esquema conceptual de un sistema combinado de refrigeración por absorción y compresión de vapor donde los dos ciclos comparten el condensador, la válvula de laminación y la parte de evaporación del ciclo.

La configuración más estudiada es la denominada bomba de calor de compresión con ciclo de solución (CHPS) o bomba de calor de compresión y reabsorción (CRHP), [10] donde el compresor se encuentra en paralelo a la bomba eléctrica ubicada entre el absorbedor y el desorbedor. [4] Esta configuración se utiliza para aumentar la temperatura del calor residual ya que permite una alta temperatura de absorción a menor presión que las bombas de calor de compresión. [11]

Otra posible configuración de la bomba de calor de absorción por compresión se obtiene a partir de la combinación de una bomba de calor de absorción a gas (GAHP) con una bomba de calor de compresión de vapor. Esta configuración surge de la consideración de que ambos ciclos tienen en común un condensador , una válvula de laminación y un evaporador . La principal diferencia entre ambos está en la fase de compresión: donde la bomba de calor de compresión utiliza un compresor eléctrico, la bomba de calor de absorción a gas utiliza un compresor térmico. [12] La ACHP se obtiene combinando los componentes que son comunes y utilizando el compresor eléctrico y térmico en paralelo o en serie. [3]

Selección de fluidos

Las bombas de calor de compresión utilizan un único fluido, que es el refrigerante . En cambio, las bombas de calor de absorción requieren dos fluidos, un refrigerante y un absorbente capaz de absorberlo . Al combinar los dos dispositivos, se necesitan pares de refrigerante y absorbente adecuados que sean compatibles con ambos ciclos.

Refrigerantes

Existe una amplia gama de refrigerantes disponibles para bombas de calor de compresión. El ciclo de absorción es el que limita la elección del refrigerante. Los refrigerantes más comunes para sistemas de absorción son el amoníaco y el agua . [13] Ambos son buenos para bombas de calor combinadas de absorción y compresión. [14] [15]

El amoniaco tiene una solubilidad excepcionalmente buena en agua, lo que es un aspecto importante que aumenta el rendimiento y reduce el tamaño del dispositivo. Sin embargo, su alta toxicidad e inflamabilidad reducen su atractivo. [3]

El agua es un refrigerante muy atractivo porque es abundante, no tóxica, no inflamable y muy soluble en bromuro de litio (LiBr) . El principal problema con el agua es que, a las presiones típicas del evaporador de la bomba de calor , se congela a 0 °C. Esto hace que el agua no sea adecuada para las aplicaciones en las que el disipador de frío desciende por debajo de 0 °C, que es la condición de funcionamiento típica en invierno de una bomba de calor de fuente de aire . [16]

Absorbentes

El absorbente y el refrigerante están estrechamente relacionados entre sí. En el caso de que se utilice amoniaco como refrigerante, el absorbente más común es el agua. En el caso de que se utilice agua como refrigerante, como se mencionó anteriormente, el absorbente suele ser LiBr.

Los líquidos iónicos también se han propuesto como buenos absorbentes, especialmente para el agua como refrigerante. [3] Las principales ventajas de estas sales es que se pueden utilizar en condiciones en las que la solución de LiBr corre el riesgo de cristalizar y son menos corrosivas. [17]

Véase también

Referencias

  1. ^ Hultén, Magnus; Berntsson, Thore (1999). "El ciclo de compresión/absorción: influencia de algunos parámetros importantes en el COP y una comparación con el ciclo de compresión". Revista Internacional de Refrigeración . 22 (2): 91–106. doi :10.1016/s0140-7007(98)00047-4. ISSN  0140-7007.
  2. ^ Swinney, J; Jones, WE; Wilson, JA (2001). "Un nuevo ciclo híbrido de refrigeración por absorción-compresión". Revista Internacional de Refrigeración . 24 (3): 208–219. doi :10.1016/s0140-7007(00)00025-6. ISSN  0140-7007.
  3. ^ abcde WO2006124776A2, Shiflett, Mark Brandon y Yokozeki, Akimichi, "Ciclo híbrido de compresión-absorción de vapor", publicado el 23 de noviembre de 2006 
  4. ^ abc B, Wersland M.; H, Kvalsvik K.; M, Bantle (2017). "Diseño fuera de diseño de bomba de calor de compresión-absorción de alta temperatura". 7.ª Conferencia sobre tecnología de refrigeración con amoniaco y CO2. Actas: Ohrid, Macedonia del Norte, 11-13 de mayo de 2017. doi : 10.18462/iir.nh3-co2.2017.0040.
  5. ^ abcd Ahrens, Marcel Ulrich; Loth, Maximilian; Tolstorebrov, Ignat; Hafner, Armin; Kabelac, Stephan; Wang, Ruzhu; Eikevik, Trygve Magne (19 de mayo de 2021). "Identificación de los desafíos existentes y las tendencias futuras para la utilización de bombas de calor de absorción-compresión de amoníaco-agua en funcionamiento a alta temperatura". Applied Sciences . 11 (10): 4635. doi : 10.3390/app11104635 . hdl : 11250/2756158 . ISSN  2076-3417.
  6. ^ Mestra Rodríguez, Álvaro Miguel; Valles, Manel; Bourouis, Mahmoud; Coronas, Alberto (2003). "Bomba de calor de absorción/compresión con mezclas de fluidos orgánicos para recuperación de calor industrial. Rendimiento del ciclo y primeros resultados experimentales". Actas del Seminario Eurotherm 72 : 397–402. ISBN 978-84-931209-8-6.
  7. ^ "Estado actual del ciclo de absorción/compresión... | 1997". iifiir.org . Consultado el 11 de julio de 2024 .
  8. ^ Nordtvedt, Stein Runa; Horntvedt, Bjarne R.; Eikefjord, enero; Johansen, John (2013). "Bomba de calor híbrida para recuperación de calor residual en la industria alimentaria noruega". Bombas de calor de accionamiento térmico para calefacción y refrigeración . doi :10.14279/depositonce-4859.
  9. ^ ab Russo, Andrea; Cannelli, Michele; Rosselli, Carlo; Sasso, Maurizio (2015). "Análisis termodinámico del sistema de refrigeración por compresión/absorción". Conferencia ASME-ATI-UIT 2015 sobre sistemas de energía térmica: producción, almacenamiento, utilización y medio ambiente .
  10. ^ "Bomba de calor de compresión con ciclo de solución y mezcla de refrigerante amoniaco-agua – Instituto de Termodinámica – Universidad Leibniz de Hannover". Universidad Leibniz de Hannover . Consultado el 10 de julio de 2024 .
  11. ^ BV, Consultoría energética De Kleijn. "Bomba de calor híbrida". Industrialheatpumps.nl (en holandés) . Consultado el 10 de julio de 2024 .
  12. ^ Kühn, Annett (23 de octubre de 2013). Bombas de calor de accionamiento térmico para calefacción y refrigeración. Universitätsverlag der TU Berlín. pag. 21.ISBN​ 978-3-7983-2596-8.
  13. ^ (:Unkn) Desconocido (2013-10-23). ​​Bombas de calor accionadas térmicamente para calefacción y refrigeración. p. 19. doi :10.14279/depositonce-3726. ISBN 978-3-7983-2596-8.
  14. ^ AHLBY, L.; HODGETT, DL (1990), "Bombas de calor de compresión-absorción", Bombas de calor , Elsevier, págs. 21-34, doi :10.1016/b978-0-08-040193-5.50017-1, ISBN 978-0-08-040193-5, consultado el 9 de julio de 2024
  15. ^ Sol, Jian; Wang, Yinwu; Wu, Kexin; Ge, Zhihua; Yang, Yongping (2022). "Análisis de un nuevo ciclo de bomba de calor híbrida de absorción-compresión de temperatura súper alta". Energías . 15 (20): 7515. doi : 10.3390/en15207515 . ISSN  1996-1073.
  16. ^ Alabd Mohamed, Salem; Nawab Karimi, Munawar (1 de noviembre de 2019). "Simulación de un sistema de absorción de vapor de agua y bromuro de litio (LiBr-H2O) (VAS) alimentado por un colector solar de placa plana (SFPC)". Serie de conferencias IOP: Ciencia e ingeniería de materiales . 691 (1): 012031. Bibcode :2019MS&E..691a2031A. doi : 10.1088/1757-899X/691/1/012031 . ISSN  1757-8981.
  17. ^ Kühn, Annett (23 de octubre de 2013). Bombas de calor de accionamiento térmico para calefacción y refrigeración. Universitätsverlag der TU Berlín. pag. 215.ISBN​ 978-3-7983-2596-8.

Enlaces externos