MARCO TEORICO

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SEMINARIO METODOLÓGICO DE INVESTIGACIÓN
MAYRA HARUMI BELLO GUADARRAMA
MARCO TEÓRICO
Las primeras definiciones para un transformador térmico [1] se propusieron en 1911 y 22 años después se publicó una teoría sobre estos sistemas [2]. A partir de esas fechas y hasta ahora se han realizado diversos estudios con estos equipos al igual que distintas aplicaciones de ellos para procesos industriales.
En 1981 se reportaron los resultados obtenidos de la operación de diez transformadores térmicos en plantas industriales en Japón [3], operando con la mezcla bromuro de litio - agua, concluyéndose que se pueden obtener incrementos de temperatura hasta de 30ºC con coeficientes de operación con valores que van desde 0.45 hasta 0.49. En estos equipos se recuperó el capital en un lapso máximo de 2 años.
En el año siguiente se publicaron otros artículos sobre transformadores de calor de doble etapa y absorción [4,5] en los que se ha reportado el COP en función de la diferencia de temperaturas alcanzada. Es en este año (1988) que se publica un trabajo experimental de un transformador térmico operado con la mezcla bromuro de litio – agua [6] con datos de potencia en el absorbedor (2.8 kW), temperaturas de suministro de calor (75 ºC), temperaturas de condensación (entre 20 y 40 ºC) para obtener temperaturas en el absorbedor entre 105 y 120 º C con coeficientes de operación entre 0.42 a 0.48.
En 1992 Saito [7], recomienda a las bombas de calor por absorción para operar con temperaturas entre 60 y 80ºC como óptimas para utilizar fuentes de calor geotérmico o de desecho industrial, en donde las fuentes de calor usadas para estas bombas de calor son agua y aire.
En el mismo año Cane [8], reportó que en los edificios que requieren de calentamiento, enfriamiento y servicios para calentamiento de agua, como en Ontario, Canadá, donde se hicieron algunas evaluaciones, se ha estimado que se puede ahorrar en energía eléctrica 7600 MWh anualmente, por medio de recuperación de calor utilizando bombas de calor.
Panno [9] estudió bombas de calor por absorción que ofrecen la versatilidad de trabajar con energía geotérmica a temperaturas menores a los 100ºC, para producir calentamiento o efecto de enfriamiento con lo que demostró que si se utiliza este efecto en instalaciones cercanas a la fuente se pueden reducir aún más los costos por dicho acondicionamiento. 
En el año de 1993 ya existían varios ejemplos del uso industrial de bombas de calor, como en una industria acerera que utilizó un transformador térmico operando con la mezcla bromuro de litio - agua, para ahorrar 142 mil GJ por año en la producción de vapor y más de 4 millones de metros cúbicos de gas natural y dicha industria concluyó que los problemas de corrosión propios de la mezcla son controlables [10].
En México no se ha generalizado el uso de bombas de calor y solo se ha reportado una bomba de calor de tipo industrial en una planta de purificación de agua, utilizando una fuente de calor geotérmica. Aunque se pueden apreciar tres áreas potenciales inmediatas en México para el desarrollo de bombas de calor: calentamiento de agua, acondicionamiento de espacios y uso en sectores no electrificados, como lo manifiesta Stuij [11]. 
A nivel industrial las bombas de calor se pueden utilizar en prácticamente cualquier proceso que requiera de recuperación de calor.
También se ha utilizado, recientemente una bomba de calor por absorción en una planta incineradora de desechos sólidos, para recuperar la energía de los gases de combustión [12].
En 1998 Mostofizadeh y Kulick reportan el uso de un transformador térmico de doble absorción para producción de vapor, alimentado con vapor de baja temperatura (90°C) obteniendo calor útil a 145 °C. La recuperación económica para este transformador térmico con una potencia útil de 2.15 MW es de 2.36 años [13].
Scott y col. realizaron un estudio sobre los diferentes métodos de incorporación de un SSHT en un ingenio azucarero. El AHT es alimentado utilizando el calor residual de la unidad de cristalización de la planta, y se utiliza para proporcionar algo de calor a un efecto múltiple evaporador. La unidad fue diseñada para tener un generador multicompartimental, con el fin de aceptar un número de diferentes temperaturas de la fuente de calor y un absorbedor multicompartimental que es capaz de satisfacer las demandas de calefacción a varias temperaturas diferentes a lo largo del ciclo de evaporación de múltiples etapas. [14].
Me et al. [15] presentó los resultados de haber instalado un transformador de calor en una planta de caucho sintético. El transformador de calor se usa para calentar agua de 95 °C a 100 °C usando vapores a 98 °C como fuente de calor. Opera con un COP de 0.47 y un ECOP de 0.8, debido a esto se redujo de 2.53 toneladas de vapor por tonelada de caucho producido a 1.04 toneladas de vapor por tonelada de caucho producido, teniendo un ahorro bruto de 3,458 millones de yuanes por año logrado, dando un período de amortización de 2 años. 
En el año 2007, Costa et al. [16] se realizó un estudio sobre la implementación de varias configuraciones de bombas de calor en un proceso de fabricación de pulpa Kraft, teniendo como resultado que las bombas de calor por absorción son opciones muy atractivas para la reutilización de energía de deshecho en estos procesos. Se analizó la viabilidad económica de incorporar un transformador de calor por absorción de doble etapa (DAHT) en una fábrica de celulosa y papel. El DAHT se utiliza para producir grandes cantidades de vapor de baja presión a 144°C usando energía de condensación e a 96°C. Su sistema logró un GTL (gradiente de temperatura) de 48°C con un COP de 0.35 y, por lo tanto, demostró ser una opción muy factible con un período de recuperación de 1.6 años. Este artículo mostró la primera incorporación del transformador de calor a un sistema energético en su conjunto, ya que la energía que sale del condensador del DAHT era mantenido a 60°C y por lo tanto no se descarga a la atmósfera, pero se utiliza para precalentar el agua dulce que ingresa a la planta.
Cortés & Rivera [17] analizaron la viabilidad de incorporar un transformador de calor en una fábrica de pulpa y papel. Se realizó un estudio exegético y exergo económico de la planta, el análisis mostró que la inclusión de un transformador de calor para precalentar agua antes de entrar a la caldera podría reducir potencialmente el consumo de vapor de la planta hasta en un 25%.
Zhang et al. [18] examinó la inclusión de un transformador de calor de una etapa (SSHT) con mezcla LiBr–H2O y un evaporador flash en un proceso de captura de CO2 que captura 3000 toneladas de CO2 por día de una planta de carbón de 660 MW El sistema reduce los requisitos de calor para la captura de CO2 de 3.873GJ / t CO2 a 3.772 GJ / t CO2, reduciéndolo en un 2.62%. Este ahorro energético corresponde a un ahorro de 2.94 millones de yuanes RMB por año y un período de recuperación de 2.4 años
Si bien se sabe, los transformadores de calor por absorción tienen muy poca inclusión en la industria, pero son considerados como una tecnología futura por la Agencia Internacional de Energía (IEA) [19].
En el año 2017, Zhenyuan XU, menciona que las bombas de calor por absorción atraen cada vez más debido a sus ventajas térmicas, ya que se pueden aplicar para la reutilización de calor ahorrando en el consumo de energía y así reduciendo la contaminación ambiental [20].
En la actualidad se tienen claramente algunas de las ventajas principales que genera el uso de transformadores térmicos aplicados en la industria [21], por ejemplo:
1. El consumo de electricidad casi insignificante en comparación con los sistemas convencionales de compresión de vapor impulsados ​​por electricidad y sin consumo directo de combustibles fósiles da como resultado emisiones de CO2 equivalentes más bajas durante la vida útil operativa del sistema; 
1. Menor costo operativo que las alternativas convencionales;
1. El uso de refrigerantes naturales como fluidos de trabajo circulantes reduce aún más el impactoambiental del sistema sin emisiones directas de CO2 equivalente en comparación con el vapor de sistemas de compresión que no utilizan refrigerantes naturales;
1. Tener bombas como los únicos componentes del sistema con partes móviles resulta en un menor costo de mantenimiento que los sistemas de compresión de vapor con partes de movimiento rápido, como el compresor. La interrupción de la operación menos frecuente también resulta en una vida más larga del sistema;
1. Una mayor capacidad de salida con una temperatura del disipador de calor más baja y sin una caída sustancial del rendimiento en la operación de carga parcial representan ventajas estratégicas en comparación con la operación de sistemas de compresión de vapor equivalentes;
1. Mejoras de temperatura hasta temperaturas más altas que el estado actual de la técnica de compresión de vapor (hasta 165 °C sin cuidados especiales de mantenimiento para prevenir la corrosión).
REFERENCIAS
[1] Alternkich (1913), Reversible Absorpionsmachinen, Zeitschrift fur die gesamte alte-Industrie, 20 (1), pp. 1-9.
[2] K. Nesselmann (1933), Kälteindustne, Wiss Veroffen-Siemens Konzern, Vol. 12, 89.
[3] 3. Mashimo Katsuyuki (1987) Overview of heat transformers in Japan Edited by Kay H. Zimmerman Cap. 19 pp 271-285. 
[4] P. Ciambelli y V. Tufano (1988) On the performance of advanced absorption heat transformers - I. The two stage configuration. Heat Recovery Systems & CHP No. 5 pp.445-450.
[5] P. Ciambelli y V. Tufano (1988) On the performance of advanced absorption {heat transformers - II. The double absorption configuration. Heat Recovery Systems & C H P No 5 pp.451-457.
[6] P. Riesch, J. Schartfe, F. Ziegler, J. Völhl and G. Alefeld (1988) Part-load behavior of an absorption heat transformer, proceedings of the Third Intern. Symposium on the Large Scale Application of Heat Pumps, Oxford, March 1987, 1-13.
[7] P. Riesch, J. Schartfe, F. Ziegler, J. Völhl and G. Alefeld (1988) Part-load behavior of an absorption heat transformer, proceedings of the Third Intern. Symposium on the Large Scale Application of Heat Pumps, Oxford, March 1987, pp. 1-13.
[8] 28. R.L.D. Cane, Electricity savings through H.P. heat recovery in buildings, Newsletter of the IEA Heat Pump Centre, Vol. 10, No 2, June 1992, pp 4-6.
[9] G.Panno, Absorption technology for exploiting low/medium enthalpy geothermal resources, Newsletter of the IEA Heat Pump Centre, Vol. 10, No 3, September 1992, pp 10-13.
[10] Ronald Krom, Heat transformer find success in the steel industry, Newsletter of the IEA Heat Pump Centre, Vol. 11, No 1,, March 1993, pp 17-19.}
[11] Bert Stuij, International H.P. status and policy review, Newsletter of the IEA Heat Pump Centre, Vol. 13, No 1, March 1995, pp 35-40
[12] R. M. Lazarrin, Heat pumps in industry II: application, Heat Recovery Systems & CHP, Vol 15, No 3, April 1995, pp 305-317.
[13] Ch Mostofizadeh, C. Kulick,. (1998). Use of a new type of heat transformer in process industry, Applied Thermal Engineering. Energy, 18, 857-874.
[14] Scott, M., Jernqvist, Å., & Aly, G. (1999). Experimental and theoretical study of an open multi-compartment absorption heat transformer for different steam temperatures. Part III: application to process industry. Applied Thermal Engineering, 19(4), 431–448.
[15] X., Chen, J., Li, S., Sha, Q., Liang, A., Li, W., Feng, Z. (2003). Application of absorption heat transformer to recover waste heat from a synthetic rubber plant. Applied Thermal Engineering, 23(7), 797–806.
[16] Andrea Costa, Bahador Bakhtiari, Sebastian Shuster, Jean Paris. (2007). Integration of absorption heat pumps in a Kraft pulp process for enhanced energy efficincy. Energy, 34, 254.
[17] Cortés, E., & Rivera, W. (2010). Exergetic and exergoeconomic optimization of a cogeneration pulp and paper mill plant including the use of a heat transformer. Energy, 35(3), 1289–1299.]
[18] Zhang, K., Liu, Z., Li, Y., Li, Q., Zhang, J., & Liu, H. (2014). The improved CO2 capture system with heat recovery based on absorption heat transformer and flash evaporator. Applied Thermal Engineering, 62(2), 500–506.
[19] Donnellan, P., Cronin, K., & Byrne, E. (2015). Recycling waste heat energy using vapour absorption heat transformers: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 42, 1290–1304.
[20] Xu, Z., Wang, R. Absorption heat pump for waste heat reuse: current states and future development. Front. Energy 11, 414–436 (2017).
[21] Cudok, F., Giannetti, N., Ciganda, J. L. C., Aoyama, J., Babu, P., Coronas, A., Fujii, T., Inoue, N., Saito, K., Yamaguchi, S., & Ziegler, F. (2021). Absorption heat transformer - state-of-the-art of industrial applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 141, 110757.