Bomba de calor por absorción

Clasificadas por temperatura, las bombas de calor de absorción (AHP) se pueden dividir en dos categorías. En la AHP de tipo 1, la temperatura del condensador es superior a la 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 residual y genera un calor de temperatura media entre 30 y 60 grados Celsius superior al 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 superior a 1, generalmente entre 1,5 y 2,5. ^{[ 4 ]}

La bomba de calor se compone de los componentes principales, como generadores, condensador, evaporador, absorbedor e intercambiador de calor, así como el dispositivo de succión, la 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 de la bomba de calor y la mantiene siempre en un estado de alto vacío. ^{[ 4 ]}

En la bomba de calor de absorción tipo 2, la temperatura del condensador es menor que la del evaporador ^{[ 7 ]} (también conocida como transformador de calor ^{[ 10 ]} ). La bomba de calor de absorción tipo 2 utiliza de forma inteligente el calor residual de temperatura media, generando un medio de calor de alta temperatura (vapor de agua caliente) entre 25 y 50 grados Celsius superior al calor residual de temperatura media. ^{[ 9 ]} La bomba de calor de absorción tipo 2 puede funcionar con calor residual de baja calidad en el proceso de producción o en la naturaleza, lo que permite ahorrar energía, reducir las emisiones y disminuir los costos de producción. Tiene aplicaciones prácticas en las industrias petroquímica y química del carbón. ^{[ 9 ]} El coeficiente de rendimiento de la bomba de calor de absorción tipo 2 siempre es inferior a 1, generalmente entre 0,4 y 0,5. ^{[ 4 ]}

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 utiliza.

El amoníaco es el refrigerante y el agua el medio de absorción. ^{[ 1 ]} En el absorbedor y el generador, la absorción o efecto de la solución acuosa de amoníaco se utiliza para irradiar o absorber calor. En el evaporador y el condensador, el cambio de fase del amoníaco puro se utiliza para completar la absorción externa o la liberación de calor. ^{[ 4 ]} Al igual que una bomba de calor tradicional, el refrigerante (amoníaco) se condensa en el condensador y luego se libera calor; la presión disminuye después de la unidad de expansión y el refrigerante se evapora para absorber calor.

Las bombas de calor de amoníaco/agua se limitan esencialmente a aplicaciones residenciales porque su comercialización está restringida 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 amoníaco y agua disponibles actualmente en el mercado es el intercambiador de calor generador-absorbedor (GAX), que mejora la eficiencia térmica del equipo al recuperar el calor liberado cuando el amoníaco se absorbe en el agua. ^{[ 11 ]} Otras innovaciones aplicadas a este tipo de bomba de calor incluyen la separación eficiente del vapor, el flujo variable de amoníaco y la combustión de gas de capacidad variable y baja emisión. ^{[ 11 ]}

En los distintos diseños de sistemas de refrigeración solar térmica se utilizan ciclos de refrigeración por absorción iterativos simples, dobles o triples. Cuantos más ciclos, mayor es su eficiencia.

A finales del siglo XIX, el refrigerante de cambio de fase más común para la refrigeración por absorción era una solución de amoníaco y agua. Hoy en día, la combinación de bromuro de litio y agua también se usa comúnmente. Un extremo del sistema de tuberías de expansión/condensación se calienta, mientras que el otro se enfría lo suficiente como para producir hielo. Originalmente, a finales del siglo XIX, se utilizaba gas natural como fuente de calor. Actualmente, se utiliza propano en los refrigeradores de absorción de vehículos recreativos . Los innovadores colectores solares térmicos de agua caliente también pueden utilizarse como fuente de calor moderna de "energía gratuita".

Los refrigeradores de absorción eficientes requieren agua a al menos 88  °C (190 °F). Los colectores solares térmicos  planos comunes y económicos solo producen agua a unos 70 °C (160 °F), pero varios proyectos comerciales exitosos en EE. UU., Asia y Europa han demostrado que los colectores solares planos desarrollados especialmente para temperaturas superiores a 93 °C (200 °F) (con doble acristalamiento, mayor aislamiento en la parte posterior, etc.) pueden ser eficaces 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 eficaces en ambientes cálidos, húmedos y nublados, especialmente donde la temperatura mínima nocturna y la humedad relativa son incómodamente altas. Cuando el agua se puede calentar muy por encima de 88 °C (190 °F), se puede almacenar y utilizar cuando no brilla el sol.     

Durante más de 150 años, se han utilizado refrigeradores de absorción para producir hielo. ^{[ 14 ]} Este hielo puede almacenarse y utilizarse como una «batería de hielo» para la refrigeración cuando no hay sol, como ocurrió en el Hotel New Otani Tokyo de Japón en 1995. ^{[ 15 ]} Existen modelos matemáticos de dominio público para el cálculo del rendimiento del almacenamiento de energía térmica basado en hielo . ^{[ 12 ]}

El agua subterránea superficial tiene importantes aplicaciones para el uso de energía. Con la tecnología de refrigeración , el agua geotérmica sobrecalentada puede utilizarse para producir agua refrigerante para el aire acondicionado. La tecnología de bomba de calor correspondiente puede utilizar recursos geotérmicos a diversas temperaturas, reduciendo considerablemente el consumo de energía de edificios residenciales y comerciales. ^{[ 4 ]} El uso de agua geotérmica sobrecalentada para impulsar puede lograr ahorros de energía y beneficios económicos tanto para la calefacción como para la refrigeración. ^{[ 4 ]} Para fuentes de calor de baja temperatura impulsadas por una pequeña cantidad de fuentes de calor de alta temperatura, se puede preparar tanto agua fría como agua caliente. ^{[ 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 alimentadas con gas. ^{[ 11 ]} Además, cuando otras fuentes de calor (por ejemplo, el calor residual) funcionan en modo calefacción, pueden satisfacer las necesidades de calefacción adicionales de los períodos muy fríos de manera eficiente mediante calderas de gas adicionales. ^{[ 6 ]}

A modo de ejemplo, el sistema de aprovechamiento del calor residual puede cubrir las necesidades de refrigeración y calefacción operando en modo de refrigeración y conversión de calor. Es posible que un solo dispositivo pueda proporcionar recursos a la zona urbana de forma eficiente durante la mayor parte del año, impulsado por el calor residual. ^{[ 6 ]}