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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 c...

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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 la conoce como bomba de calor híbrida [ 1 ], aunque este es un campo más amplio. Gracias a esta integración, el dispositivo puede obtener efectos de refrigeración y calefacción utilizando fuentes de energía tanto térmicas como eléctricas . [ 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 calefacción y refrigeración a partir de una cantidad determinada 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 diversas aplicaciones industriales. [ 5 ]

Historia

1748
El primer concepto de ciclo de bomba de calor de absorción-compresión fue patentado por Osenbrück. [ 5 ] Se realizaron pocas investigaciones al respecto en los años siguientes.
1950-1951
Altenkirch realizó un estudio teórico detallado que identificó que el ciclo tenía un potencial significativo de ahorro de energía . [ 6 ]
1970-2000
Con la crisis del petróleo de los años 70, el potencial de ahorro energético del ciclo despertó un gran interés y se produjo un rápido aumento de las actividades de investigación en este campo. [ 5 ] En este periodo se construyeron varias plantas experimentales y, en 1997, Groll resumió estas actividades en su revisión, donde identificó más de 40 estudios. [ 7 ] En aquel momento, aún quedaba mucho trabajo por hacer 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 ] Posteriormente, se instalaron varias unidades para uso comercial en diversas aplicaciones industriales de alta temperatura. [ 5 ]

Ventajas e inconvenientes

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

La principal ventaja de las bombas de calor de compresión-absorción radica en que permiten la transferencia de calor con una variación de temperatura. La bomba de calor de compresión utiliza un único fluido de trabajo puro , por lo que intercambia calor a temperatura constante. En cambio, la bomba de calor de absorción-compresión utiliza una mezcla binaria donde la condensación y la evaporación se producen con una variación de temperatura. Esta propiedad incrementa la eficiencia de la transferencia de calor cuando la fuente de calor también presenta una variación de temperatura significativa, condición típica en la recuperación de calor residual . [ 4 ]

Al ser una solución híbrida que puede aprovechar tanto fuentes de energía térmica como mecánica/eléctrica, el dispositivo se puede acoplar perfectamente con unidades de cogeneración para producir calefacción y refrigeración con muy alta eficiencia. [ 9 ] Además, hace que el sistema sea más flexible, permitiendo la optimización de la combinación de energía eléctrica y térmica. Su disponibilidad varía 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 lograr un buen rendimiento, generalmente requiere el uso de amoníaco, que es muy tóxico e inflamable. Este inconveniente provocó que estas aplicaciones se limitaran al sector industrial, donde resulta más práctico trabajar con fluidos peligrosos. [ 3 ]

Configuraciones

Esquema conceptual de una bomba de calor combinada de absorción y compresión de vapor con compresor en paralelo a la bomba del ciclo de absorción, también conocida como ciclo de Osenbrück.
Esquema conceptual de un sistema de refrigeración combinado de 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 reabsorción por compresión (CRHP), [ 10 ] donde el compresor está 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 para la bomba de calor de absorción por compresión se obtiene mediante la combinación de una bomba de calor de absorción accionada por gas (GAHP) con una bomba de calor de compresión de vapor. Esta configuración surge de la consideración de que ambos ciclos comparten un condensador , una válvula de laminación y un evaporador . La principal diferencia entre ambos radica en la fase de compresión: mientras que la bomba de calor de compresión utiliza un compresor eléctrico, la bomba de calor de absorción accionada por gas utiliza un compresor térmico. [ 12 ] La ACHP se obtiene combinando los componentes comunes y utilizando el compresor eléctrico y el térmico en paralelo o en serie. [ 3 ]

Selección de fluidos

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

Refrigerantes

Existe una amplia variedad 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 adecuados para bombas de calor combinadas de absorción y compresión. [ 14 ] [ 15 ]

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

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

Absorbentes

El absorbente y el refrigerante están estrechamente relacionados. Si se utiliza amoníaco como refrigerante, el absorbente más común es el agua. Si se utiliza agua como refrigerante, como ya se mencionó, el absorbente suele ser bromuro de litio (LiBr).

Los líquidos iónicos también se han propuesto como buenos absorbentes, especialmente para el agua como refrigerante. [ 3 ] Las principales ventajas de estas sales son que pueden utilizarse 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 principales en el COP y una comparación con el ciclo de compresión". International Journal of Refrigeration . 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 de refrigeración híbrido de absorción-compresión". International Journal of Refrigeration . 24 (3): 208– 219. doi : 10.1016/s0140-7007(00)00025-6 . ISSN 0140-7007 . 
  3. 1 2 3 4 5 WO2006124776A2 , Shiflett, Mark Brandon y Yokozeki, Akimichi, "Ciclo híbrido de compresión-absorción de vapor", publicado el 23 de noviembre de 2006 
  4. 1 2 3 B, Wersland M.; H, Kvalsvik K.; M, Bantle (2017). "Fuera de diseño de una bomba de calor de compresión-absorción de alta temperatura" . 7.ª Conferencia sobre Tecnología de Refrigeración con Amoníaco y CO2. Actas: Ohrid, Macedonia del Norte, 11-13 de mayo de 2017. doi : 10.18462 /iir.nh3-co2.2017.0040 .
  5. 1 2 3 4 Ahrens, Marcel Ulrich; Loth, Maximilian; Tolstorebrov, Ignat; Hafner, Armin; Kabelac, Stephan; Wang, Ruzhu; Eikevik, Trygve Magne (2021-05-19). "Identificación de los desafíos existentes y las tendencias futuras para la utilización de bombas de calor de absorción-compresión de amoníaco-agua en operación 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 la 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. 1 2 Russo, Andrea; Cannelli, Michele; Rosselli, Carlo; Sasso, Maurizio (2015). "Análisis termodinámico de un 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 refrigerante amoníaco-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. ↑ (:Desconocido) Desconocido (23-10-2013). Bombas de calor accionadas térmicamente para calefacción y refrigeración . pág. 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
  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 (2019-11-01). "Simulación de un sistema de absorción de vapor de bromuro de litio-agua (LiBr-H2O) alimentado por un colector solar de placa plana (SFPC)" . IOP Conference Series: Materials Science and Engineering . 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.
  • "Bomba de calor híbrida - Principio de funcionamiento" . IndustrialHeatPumps.nl . Consultado el 10 de julio de 2024 .
  • «Bomba de calor de compresión con ciclo de solución y mezcla refrigerante amoníaco-agua» . Instituto de Termodinámica - Universidad Leibniz de Hannover . Consultado el 10 de julio de 2024 .
  • "Osenbrück 4.0 - Ciclo de bomba de calor - Bomba de calor híbrida de absorción-compresión con mezcla de amoníaco y agua como fluido de trabajo natural" (PDF) . Sintef . Consultado el 11 de julio de 2024 .