El aire acondicionado y
la refrigeración pueden operar haciendo uso de la energía
solar
José A. Manrique
La conservación y el uso de la energía ha dado origen a distintos
métodos alternos para lograr el aire acondicionado en edificios y la
refrigeración en algunos recintos o equipos.
Los sistemas de
refrigeración mediante la compresión de un vapor (R22, R134a, R717, etc.)
constituyen un método tradicional para lograr el enfriamiento de un edificio o
la refrigeración de un espacio dado. Sin embargo, al requerirse en su
operación cantidades relativamente grandes de energía eléctrica--que es una
forma valiosa de energía--estos sistemas pueden llegar a ser muy costosos en
su operación. Las cantidades requeridas de energía son grandes,
fundamentalmente porque el vapor refrigerante en el compresor experimenta
cambios muy significativos en su volumen específico, desde la presión del
evaporador hasta la del condensador. En comparación, el consumo de energía
eléctrica que se requiere para incrementar la presión en un líquido es
sustancialmente menor, dado que su volumen específico es muy pequeño con
respecto al de un vapor, y prácticamente no varía con la presión. Así, por
ejemplo, para comprimir 0.1 kg/s de amoníaco (R717) desde un estado de vapor
saturado seco a 0 °C (4.3 bar) hasta vapor sobrecalentado a 20 bar se requiere
un mínimo de aproximadamente 21.7 kW de potencia, mientras que para
incrementar la presión de 0.1 kg/s de solución amoníaco-agua con una fracción
másica de amoníaco igual a 0.4, entre los mismos límites de presión, se
requieren sólo 0.2 kW aproximadamente. Es decir, menos del 1 por ciento. Este
ejemplo sencillo demuestra la ventaja de incrementar la presión a un líquido
en lugar de a un vapor.
Cómo funciona
La figura 1 ilustra esquemáticamente los
principales componentes de un sistema de refrigeración mediante la compresión
de un vapor y los de uno por absorción. Como se apuntó más arriba, el
compresor en la figura 1(a) toma una cantidad sustancial de energía para
comprimir el refrigerante. Por otra parte, en la figura 1(b) se muestra un
sistema de refrigeración por absorción en donde se ha eliminado el compresor.
Este ha sido sustituido por una bomba para incrementar la presión de una
solución líquida y otros componentes de intercambio de calor. Como puede
observarse, el sistema de refrigeración por absorción requiere solamente una
fracción muy pequeña de energía eléctrica para su operación, pero requiere
adicionalmente una cantidad de calor muy superior al trabajo mecánico o
eléctrico que necesita el sistema de compresión de vapor. En consecuencia, si
el calor que requiere el sistema de refrigeración por absorción tiene un costo
bajo, el ciclo de absorción se hace muy atractivo.
Figura 1. Refrigeración mediante la compresión de un vapor y por
absorción
Generalmente, este calor proviene en unidades
comerciales de la combustión de gas natural u otro combustible, vapor de agua,
agua caliente, etcétera.
Los medios de trabajo más empleados en la
refrigeración por absorción son las soluciones bromuro de litio-agua y
amoníaco-agua. En el primero el agua es el refrigerante y el bromuro de litio
es el absorbente, mientras que en el segundo el amoníaco es el refrigerante y
el agua es el absorbente. Las unidades que emplean bromuro de litio-agua
requieren que el calor se les suministre a temperaturas relativamente bajas
(del orden de los 100 °C) mientras que las segundas requieren de mayores
temperaturas para su operación. Por otra parte, los sistemas con bromuro de
litio-agua requieren generalmente de una torre de enfriamiento para disipar
calor, mientras que los sistemas con amoníaco-agua no la requieren. Esta
característica puede ser muy importante en regiones donde la disponibilidad y
calidad del agua es limitada. Por otra parte, los sistemas con amoníaco-agua
pueden operar el evaporador a temperaturas muy por debajo de 0°C, mientras que
los sistemas con bromuro de litio-agua requieren que las temperaturas de
operación más bajas estén por encima de 0 °C. Esta característica limita los
sistemas con bromuro de litio-agua a ciertas aplicaciones (vgr., enfriamiento
de ambientes) mientras que los que emplean amoníaco-agua pueden adicionalmente
encontrar aplicaciones en refrigeración industrial y doméstica.
Diseño de un sistema de absorción en el Tecnológico de
Monterrey
A la luz de estas consideraciones se ha desarrollado en
el Centro de Energía Solar del Campus Monterrey del ITESM un sistema de
refrigeración amoníaco-agua que opera con energía solar o calor de desecho.
Aun cuando es menos difícil implementar la operación de un sistema de
absorción con bromuro de litio y agua operando con energía solar, dadas las
temperaturas requeridas, en el Centro de Energía Solar nos propusimos diseñar
un sistema de tres toneladas de refrigeración usando una solución
amoníaco-agua, dado que éste no requiere de una torre de enfriamiento para
disipar calor a la atmósfera y permite, además, refrigerar a temperaturas muy
por debajo de 0 °C. Esto es fundamental en aplicaciones que involucren la
conservación de alimentos o medicinas.
La sustitución del calor de la
combustión del gas natural por energía solar se observa simple a primera
vista, aunque muchas y muy diversas dificultades técnicas tuvieron que
resolverse. Entre estas dificultades a sortear destacan tres por su
importancia: i) la temperatura de operación del sistema amoníaco-agua debe ser
del orden de 150 °C o más; ii) el calor que requiere el sistema de absorción
debe suministrarse a través de una superficie relativamente pequeña para que
el equipo sea compacto; y iii) la naturaleza de la energía solar es difusa e
intermitente. Para captar y aprovechar la energía solar a estos niveles de
temperatura se hace uso en el Laboratorio de Energía Solar de un conjunto de
tubos de calor al vacío, los cuales fueron fabricados por la empresa británica
Thermomax, Ltd. para este proyecto. Cada uno de ellos consiste en un tubo
adherido a una placa de absorción con superficie selectiva. El ensamble tubo
de calor-placa de absorción se encuentra dentro de un tubo de vidrio al vacío.
Estos tubos de calor calientan agua a presión a una temperatura de trabajo de
aproximadamente 150 °C, y tienen una temperatura máxima de operación del orden
de 300°C operando con energía solar. Por otra parte, el proceso de
transferencia de calor del agua caliente a la solución amoníaco-agua tuvo que
optimizarse para lograr la operación adecuada del sistema de refrigeración
empleando un equipo de tamaño compacto. Finalmente, la intermitencia natural
de la energía solar fue resuelta a través del diseño y construcción de un
tanque de almacenamiento con agua helada.
La figura 2 muestra un
conjunto de datos experimentales tomados al sistema de aire acondicionado
solar. En la figura citada se observa la temperatura máxima de la solución en
el sistema de absorción, la temperatura del amoníaco a la salida del
condensador, y la temperatura del aire ambiente en el interior de la casa
experimental del Laboratorio de Energía Solar del Instituto.
De lo
anterior se desprende que sí es factible operar un sistema de aire
acondicionado y/o refrigeración mediante el empleo de la energía solar o calor
de desecho. Un factor importante a considerar es, evidentemente, el costo de
la inversión inicial del equipo, el cual depende fundamentalmente, en el caso
de la energía solar, de las condiciones climatológicas y del nivel de
asoleamiento del lugar. Algunos estudios preliminares indican que la
recuperación económica de la inversión es inferior a los cinco años en el caso
de la ciudad de Monterrey.
La Oficina de Patentes y Marcas de los
Estados Unidos otorgó al ITESM la Patente No. 5;666,818 el 16 de septiembre de
1997 para este sistema de absorción amoníaco-agua que opera con energía solar
o con calor de desecho.
Figura 2. Algunos resultados experimentales obtenidos durante la operación
del sistema de 3 toneladas de refrigeración
Investigación en curso
De los resultados presentados en este
trabajo se desprenden algunas áreas de oportunidad para mejorar el
funcionamiento y disminuir el costo del equipo:
i) implementar el uso
de desecantes para lograr la deshumidificación del aire ambiente y reducir la
carga latente de enfriamiento, e ii) incrementar la eficiencia de
captación de los tubos de calor al vacío.
José A.
Manrique obtuvo el Doctorado en Ingeniería Térmica de la Universidad de
Wisconsin-Madison, Estados Unidos, en 1969. Es director del Centro de Energía
Solar del Campus Monterrey.
Transferencia Posgrado, Investigación y
Extensión en el Campus Monterrey es
la publicación del Campus Monterrey del Tecnológico de Monterrey que divulga las
actividades de investigación, extensión y posgrado.
