Estudio comparativo sobre características de pares refrigerantes-absorbentes y su evaluación para aplicaciones de refrigeración y acondicionamiento de aire con fuente de energía solar - Ortega Silva, Joaquín Fernando (Universidad Autónoma Metropolitana, 2023)
El objetivo principal de este trabajo es estudiar la viabilidad de cinco de los múltiples pares refrigerante-absorbente propuestos en la literatura para sistemas de refrigeración por absorción e identificar el espectro de uso de cada uno de ellos y su eficiencia energética, con el fin de abordar la problemática de la creciente demanda energética, el agotamiento de la capa de ozono y el calentamiento global derivado de estos fenómenos. Actualmente los sistemas de refrigeración más empleados hacen uso de energía eléctrica proveniente de la quema de combustibles fósiles e implica además el uso de gases refrigerantes nocivos para la atmósfera terrestre. Por esta razón, alineado con las políticas nacionales de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, se busca promover alternativas sobre el desarrollo de tecnologías limpias que aprovechen las fuentes de energía renovables. La refrigeración por absorción es un proceso que a diferencia de la refrigeración convencional no requiere de un compresor. Sino que requiere de una etapa de separación de la sustancia más volátil de una mezcla usando energía térmica y otra etapa donde se recombinan. Es posible usar energía térmica proveniente de un captador solar, de una fuente geotérmica o bien de calor residual industrial y, de entre los componentes más estudiados para estos sistemas, suelen tener un potencial de calentamiento global (GWP) muy bajo o nulo. Sin embargo, el desarrollo tecnológico y su evolución ha sido lento (Herold et al., 2016) pues se tiene tan solo a nivel comercial sistemas que usan Amoniaco – Agua o Agua - Bromuro de Litio, que han sido los más estudiados y demostrado un coeficiente de desempeño (COP) aceptable. Uno de los retos en este campo es proponer mejoras en el diseño para mejorar su COP y el empleo de energías limpias. En este proyecto se indaga sobre distintas mezclas de refrigeranteabsorbente estudiadas en la actualidad y se determina su eficacia energética para ser impulsadas con energía de baja temperatura-en este caso la solar. Se plantearon distintos escenarios con para 5 pares distintos de refrigerante-absorbente, para dar una respuesta aproximada acerca de su intervalo de aplicaciones y las condiciones energéticas que requeriría el sistema en cuestión. Estas aplicaciones se pueden clasificar en tres categorías: acondicionamiento, refrigeración y congelamiento. Se espera que este trabajo ayude a discernir cuales son las sustancias con mayor potencial para el desarrollo de esta tecnología. Por medio de modelos matemáticos de interactividad de mezclas, del análisis del ciclo termodinámico del SRA, tablas de estados termodinámicos y por medio de REFPROP (Lemmon, E.W., Bell, I.H., Huber, M.L., McLinden, 2018)1 y Microsoft Excel se realizaron una seria de simulaciones para estimar la cantidad de energía que requieren teóricamente estos sistemas bajo ciertas condiciones del generador, condensador y evaporador. Los intervalos de temperatura estudiados fueron: 25°C a 100°C para el generador, 20°C, 30°C y 40°C para el condensador y de 0°C a 10°C en el evaporador. Se realizaron un total de 165 simulaciones. De esta manera se obtuvo la relación del Coeficiente de Desempeño (COP) para cinco pares refrigerante – absorbente en función de las temperaturas del generador, condensador y evaporador. Además, paras mezclas líquido – gaseosas se modeló el equilibrio líquido-vapor en función de la fracción molar para obtener la temperatura de equilibrio a baja y alta presión2 Se simuló el calor útil que podría generar un colector solar de placa plana, para el día más caluroso registrado en el estado de Aguascalientes el año 2019 a partir de la base de datos del NREL (Laboratorio Nacional de Energía Renovable de Estados Unidos, por sus siglas en inglés). En conclusión, los resultados de las simulaciones dan a entender que los pares LiBr- H2O, NH3 – H2O y R22 – DMF, podrían funcionar con energía de manera intermitente con energía solar. Pero donde debería enfocarse futuras investigaciones es en caracterizar las propiedades físicas y químicas de estos pares para mejorar el proceso de diseño de los sistemas de refrigeración por absorción y por ende ayudar a que esta tecnología mejore y reduzca sus costos. 1 software para obtener las propiedades termodinámicas de diversos compuestos refrigerantes 2 Las zonas de baja y alta presión en este trabajo hacen referencia a las zonas de presión del evaporador y generador, respectivamente.; The main objective of this work is to study the viability of the refrigerantabsorbent of five out of the multiple pairs proposed in the literature for absorption refrigeration systems and to identify the spectrum of use of each of them and their energy efficiency to address the problem of the growing energy demand, the depletion of the ozone layer and global warming. Currently, the most widely used refrigeration systems use electrical energy from burning fossil fuels this technology implies using refrigerant gases that are harmful to the earth's atmosphere. For this reason, in line with our national policies to reduce greenhouse gas emissions, the current work seeks to promote alternatives for developing clean technologies that take advantage of renewable energy sources. Unlike conventional refrigeration systems, absorption refrigeration systems (ARS) do not require a mechanical compressor; instead, it harnesses a dynamic interaction between two stages of the thermodynamic cycle, the generation and absorption stages. At the generation stage of the process, the system is delivering the most volatile component to the condenser by boiling a certain refrigerantabsorbent mixture (typically using thermal energy) at the same time the generator outputs the leftover mixture (weak solution) composed of the absorbent component. Meanwhile at another stage of the cycle, the weak solution is recombining with the refrigerant after it left the evaporator, to once again make a strong solution and enter the separation process of the cycle and in the process an exothermic reaction occurs, this energy can be reintroduced to the system by the means of a heat exchanger. Due to this system’s capability to use thermal energy it is possible to harness lowgrade sources, such as geothermal, recuperated waste heat from an industrial process, or solar energy -which we will be the focus on in this project. Another positive remark is that many working pairs have null or very low global warming potential (GWP). However, only a few commercial systems use either Ammonia-Water or WaterLithium Bromide working pairs due to their well-known properties, stability, and acceptable performance. There is still a lot of research in this field to be done; there have been several proposals to enhance the refrigeration cycle, such as novel working pairs or having more stages of purification, or even making a hybrid ARS with a compressor, all to increase the system's COP- one of the main challenges this technology faces. Therefore, this study aims to review and analyze several working pairs and evaluate each pair’s potential to be driven by renewable energy sources, specifically by solar thermal energy. Different cases for five different working pairs were studied to try to answer and approximate each pair's ranges of application and the necessary energy for this operation conditions. This work classifies the applications into air conditioning, refrigerating, and freezing. It is expected that this project would help to discern which working pairs have a strong potential to make further research and hopefully help in the future design stages of other projects to determine which pair has a better potential for a unique application and therefore contributing to this technology's development. Via several mathematical models, the analysis of ARS thermodynamic cycle, REFPROP and Microsoft Excel a series of simulations were implemented to approximate the energy required to operate the ARS under several temperature conditions for the generator, condenser, and evaporator. These intervals range from 25°C for the generator; 20°C, 30°C, and 40°C for the condenser; and from 0°C to 10°C for the evaporator. Resulting in 165 simulations In this manner, the relationship between each working pair and it’s COP was obtained. In the process we also modeled the vapor -liquid equilibrium for the lowand high-pressure section of the system to get an idea of how much thermal energy we would require to distillate the refrigerant in the generator. To get an idea if the heat provided by a series of flat plate solar collectors could provide the energy necessary for the system it was necessary to settle time and place conditions, in this case the analysis was made for the city of Aguascalientes with data from National Renewable Energy Laboratory from 2019. In conclusion, the results of the simulation confirmed the feasibility of the LiBrH2O and NH3 – H2O and gave us insight into the possibility of R22 – DMF. Additionally, these results, predict that it might be possible to use solar energy, although it might take time for this technology to mature into a more economical alternative. Future research should focus in characterize the chemical and thermodynamic properties of these working pairs in order to improve the design process of absorption refrigeration systems and therefore improve this technology and eventually reduce its cost,