Montaje-puesta-en-operacion-y-evaluacion-preliminar-de-un-sistema-de-aire-acondicionado-solar-operando-con-la-mezcla-nitrato-de-litio-amoniaco

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN INGENIERÍA
ENERGÍA-SOLAR FOTOTÉRMICA
MONTAJE, PUESTA EN OPERACIÓN Y EVALUACIÓN
PRELIMINAR DE UN SISTEMA DE AIRE
ACONDICIONADO SOLAR OPERANDO CON LA
MEZCLA NITRATO DE LITIO-AMONIACO
T E S I S
QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA
P R E S E N T A
JAVIER ALEJANDRO HERNÁNDEZ MAGALLANES
TUTOR PRINCIPAL:
DR. WILFRIDO RIVERA GÓMEZ FRANCO, INSTITUTO DE
ENERGÍAS RENOVABLES
TEMIXCO, MORELOS. AGOSTO 2013
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
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respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
JURADO ASIGNADO
Presidente Dr. Roberto Best y Brown
Secretario Dr. Wilfrido Rivera Gómez Franco
Vocal Dr. Octavio Garćıa Valladares
1er suplente Dr. Vı́ctor Hugo Gómez Espinoza
2do suplente Dr. Carlos Octavio Rivera Blanco
LUGAR DONDE SE REALIZÓ LA TESIS
Instituto de Enerǵıas Renovables (IER), UNAM
Temixco, Morelos
TUTOR DE TESIS:
Dr. Wilfrido Rivera Gómez Franco
FIRMA
Dedicado a
mi familia
I
II
Agradecimientos
Al Dr. Wilfrido Rivera Gómez Franco por el valioso apoyo, esfuerzo, y
dedicación en la realizacion de este proyecto. Por su amistad, por confiar en
mı́ y permitirme formar parte de su exitoso grupo de trabajo.
Al comité tutoral: Dr. Wilfrido Rivera Gómez Franco, Dr. Roberto Best
y Brown, Dr. Vı́ctor Hugo Gómez Espinoza, Dr. Octavio Garćıa Valladares y
Dr. Carlos Octavio Rivera Blanco, por sus valiosas aportaciones en el trabajo
escrito.
Un agradecimiento especial al Dr. Vı́ctor Hugo Gómez Espinosa y al Dr.
Jorge Hernández Gutiérrez por sus valiosas contribuciones y apoyo a lo largo
de todo el trabajo experimental.
A todos y cada uno de mis compañeros que han dado valiosas aporta-
ciones al proyecto, Iris con el apoyo a la parte del sistema de adquisicion
de datos, Paco con el sistema de calentamiento, Milton con el diseño de las
conexiones y estructuras para el montaje del equipo, y Luis (Wicho), sin tu
excelnete ayuda esto no hubiera sido posible.
A mis amigos del Laboratorio: Chan, Onésimo, Iris, Emanuel, Roy
Al Instituto de Enerǵıas Renovables de la UNAM, en especial al Labora-
torio de Refrigeración y Bombas de Calor por todas las facilidades y el apoyo
otorgado para la realización de este trabajo.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACyT) por la beca
otorgada para la realización de mis estudios de maestŕıa.
III
AGRADECIMIENTOS
IV
Resumen
En el presente trabajo se realizó el montaje, puesta en operación y eva-
luación preliminar de un sistema de enfriamiento solar tipo vertical, el cual
operó con la solución de trabajo amoniaco-nitrato de litio (NH3-LiNO3).
La solución de trabajo que se eligió presenta un enorme potencial para
los sistemas de enfriamiento solar. Dicha solución se propuso debido a los
pocos trabajos, tanto teóricos como experimentales, que han estudiado esta
mezcla. Para el sistema de refrigeración se preparó la solución de trabajo
NH3-LiNO3 con una concentración del 50 %, para ello, se requirieron 6 kg
de NH3 y 6 kg de LiNO3.
El sistema de enfriamiento se montó en el Laboratorio de Refrigeración
y Bombas de Calor del Instituto de Enerǵıas Renovables de la UNAM el
cual consta básicamente de un absorbedor y generador tipo vertical con ser-
pent́ın helicoidal, un condensador, evaporador y economizador con tecnoloǵıa
de placas, una bomba de solución y dos válvulas de expansión. El sistema
operó de manera continua ya que se llevan a cabo los procesos de absorción
y generación al mismo tiempo.
El sistema de refrigeración se instrumentó para poder evaluar su com-
portamiento, se utilizaron sensores de temperatura, presión y flujo másico,
y se colocaron a la entrada y salida de cada componente. Las pruebas ex-
perimentales se llevaron a cabo variando la temperatura de generación (TG)
en el rango de 85 a 100 ◦C y variando la temperatura de condensación (TC)
en el rango de 12 a 24 ◦C. Estas temperaturas fueron controladas mediante
sistemas auxiliares.
En el sistema de refrigeración, el refrigerante (NH3) alcanzó temperatu-
ras de -5 ◦C y logró disminuir la temperatura del agua hasta 10 ◦C. Con
las mediciones que se realizaron se obtuvieron los coeficientes de operación
internos (COPI) y externos (COPE). El sistema de refrigeración obtuvo un
V
RESUMEN
COPE máximo de 0.441 para una TC = 12
◦C y una TG = 100
◦C, mientras
que el COPE mı́nimo fue de 0.225 para una TC = 24
◦C y una TG = 85
◦C.
Por su parte, el COPI máximo que se obtuvo fue de 0.556 para una TC = 12
◦C y una TG = 100
◦C, mientras que el COPI mı́nimo fue de 0.423 para una
TC = 24
◦C y una TG = 95
◦C.
VI
Abstract
In this paper was assembled, operationalization and preliminary evalua-
tion of a solar cooling system vertical type, which operated with the working
solution lithium nitrate-ammonia (NH3-LiNO3).
The working solution was chosen presents an enormous potential for solar
cooling systems. This solution was proposed because of the few studies, both
theoretical and experimental, that have studied this mixture. For the cooling
solution was prepared NH3-LiNO3 work with a concentration of 50 %, for
this, required 6 kg NH3 and 6 kg of LiNO3.
The cooling system was mounted in the Laboratory of Refrigeration and
Heat Pump Renewable Energy Institute of the UNAM and basically consisted
of a vertical type absorber and generator with helical serpentine, condenser,
evaporator and economizer plate technology, one solution pump and two ex-
pansion valves. The system continuously operated since it is carried out by
absorption and generation processes simultaneously.
The cooling system was instrumented to evaluate their behavior, tem-
perature sensors were used, pressure and mass flow, and were put at the
entrance and exit of each component. Experimental tests were conducted
varying the temperature of generation (TG) in the range of 85 to 100
◦C and
varying the temperature of condensation (TC) in the range 12 to 24
◦C. These
temperatures were monitored by auxiliary systems.
In the refrigeration system, the refrigerant (NH3) reached temperatures
of -5 ◦C and was able to reduce the water temperature to 10 ◦C. The measu-
rements that were made were obtained the coefficient of performance internal
(COPI) and external (COPE). The cooling system obtained a COPE maxi-
mum of 0.441 for TC = 12
◦C and a TG = 100
◦C, while the COPE minimum
was 0.225 for TC = 24
◦C and a TG = 85
◦C. For its part, the COPI maxi-
mum obtained was 0.556 for a TC = 12
◦C and TG = 100
◦C, while the COPI
VII
ABSTRACT
minimum was 0.423 for TC = 24
◦C and a TG = 95
◦C .
VIII
Índice general
Agradecimientos III
Resumen V
Abstract VII
Lista de figuras XIII
Lista de tablas XVII
1. Introducción 1
1.1. Situación energética de México . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Enerǵıas renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1. Enerǵıa solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Enfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4. Enfriamiento solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1. Enfriamiento solar por compresión eléctrica . . . . . . 8
1.4.2. Enfriamiento solar por compresión termo-mecánica . . 9
1.4.3. Enfriamiento solar por sorción . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.3.1. Absorción . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 11
1.4.3.2. Adsorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.3.3. Desecante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5. Estado del arte de sistemas de refrigeración por sorción . . . . 13
1.5.1. Sistemas comerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.2. Sistemas de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.2.1. Trabajos experimentales . . . . . . . . . . . . 16
1.5.2.2. Trabajos teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2.3. Estudio de componentes . . . . . . . . . . . . 21
1.5.2.4. Mezclas alternativas . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
IX
ÍNDICE GENERAL
1.7.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.7.2. Objetivos Espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.8. Estructura de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2. Fundamentos termodinámicos de la refrigeración 29
2.1. Principios de la refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2. Sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor . . 31
2.2.1. Ciclo inverso de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2. Ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica
de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3. Sistema de refrigeración por absorción . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1. Fundamentos termodinámicos del ciclo de
absorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2. Principio de operación de un sistema de
absorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.3. Clasificación de los sistemas de absorción . . . . . . . . 38
2.3.4. Mezclas de trabajo refrigerante-absorbente . . . . . . . 40
2.3.5. Amoniaco-Nitrato de litio (NH3-LiNO3) . . . . . . . . 43
3. Descripción del sistema de refrigeración por absorción 45
3.1. Descripción general del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1. Componentes del sistema de refrigeración . . . . . . . . 46
3.1.1.1. Absorbedor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.1.2. Generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.1.3. Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1.4. Evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1.5. Economizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.1.6. Bomba de solución . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.1.7. Válvulas de expansión . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.2. Estructura del sistema de refrigeración . . . . . . . . . 53
3.1.3. Montaje y conexión de los equipos del sistema de re-
frigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.4. Conexiones y accesorios . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.5. Sistemas auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.5.1. Sistema de calentamiento . . . . . . . . . . . 57
3.1.5.2. Sistema de enfriamiento . . . . . . . . . . . . 57
3.2. Instrumentación, calibración y
adquisición de datos del sistema de
refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1. Instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.2. Calibración de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
X
ÍNDICE GENERAL
3.2.2.1. Sensores de temperatura . . . . . . . . . . . . 62
3.2.2.2. Sensores de presión . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.2.3. Sensores de flujo másico . . . . . . . . . . . . 67
3.2.3. Adquisición de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.3.1. Programa de adquisición de datos . . . . . . . 73
3.2.3.2. Equipos de adquisición de datos . . . . . . . . 74
3.3. Preparación y carga de la solución de trabajo NH3-LiNO3 . . 75
3.3.1. Cálculo del volumen de solución necesario para el sistema 75
3.3.2. Cálculo de las masas de NH3 y LiNO3 que se necesitan
para preparar la solución . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.3. Deshidratación del LiNO3 . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.4. Preparación de la solución . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.5. Carga de solución al sistema . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4. Protocolo de operación del sistema de refrigeración . . . . . . 85
3.4.1. Procedimiento de arranque . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.2. Procedimiento de paro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.3. Paro de emergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.3.1. Sobrepresiones . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.3.2. Fugas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4. Evaluación experimental del sistema de refrigeración 91
4.1. Procedimiento de experimentación . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2. Resultados experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.1. Análisis de resultados experimentales de los componen-
tes individuales del sistema de refrigeración . . . . . . 93
4.2.1.1. Generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.1.2. Absorbedor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.1.3. Economizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.1.4. Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.1.5. Evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.1.6. Presiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.2. Coeficiente de operación del sistema de refrigeración . . 101
4.2.2.1. Análisis de resultados mediante la obtención
del Coeficiente de Operación Externo (COPE) 101
4.2.2.2. Análisis de resultados mediante la obtención
del Coeficiente de Operación Interno (COPI) 109
4.3. Cálculo de la propagación de errores . . . . . . . . . . . . . . 119
5. Conclusiones y Recomendaciones 123
5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
XI
ÍNDICE GENERAL
Bibliograf́ıa 127
XII
Índice de figuras
1.1. Estructura de la producción de enerǵıa primaria 2010 (9, 250.7
PJ) [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Mapa de radiación solar mundial. [8] . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. Mapa de radiación solar por d́ıa en el territorio nacional (kWh/m2dia).
[9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4. Diagrama esquemático de un sistema de enfriamiento solar por
compresión eléctrica. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5. Diagrama esquemático de un sistema de enfriamiento solar
termo-mecánico. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6. Diagrama esquemático de un sistema de enfriamiento solar por
sorción. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1. Diagrama del principio básico de refrigeración. . . . . . . . . . 30
2.2. Esquema y diagrama T-s del ciclo inverso de Carnot [66]. . . . 32
2.3. Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración
por compresión de vapor [66]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4. Esquema termodinámico básico de producción de fŕıo [69]. . . 35
2.5. (a) Ciclo básico de compresión mecánica y (b) Ciclo básico de
absorción [69]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1. Diagrama esquemático del sistema de refrigeración por absor-
ción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2. (a) Diagrama esquemático del absorbedor. (b) Absorbedor ti-
po vertical con serpent́ın helicoidal. . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3. (a) Diagrama esquemático del generador. (b) Generador tipo
vertical con serpent́ın helicoidal. . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4. Condensador con tecnoloǵıa de placas. . . . . . . . . . . . . . 49
3.5. Evaporador con tecnoloǵıa de placas. . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6. Economizador con tecnoloǵıa de placas. . . . . . . . . . . . . . 51
3.7. Bomba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.8. Válvula de expansión Swagelok. . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
XIII
ÍNDICE DE FIGURAS
3.9. Estructura del sistema derefrigeración. . . . . . . . . . . . . . 53
3.10. Fotograf́ıas del sistema de refrigeración ensamblado en su to-
talidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.11. Accesorios instalados en la tubeŕıa y equipos del sistema de
refrigeración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.12. Válvula de alivio marca Vayremex modelo 632. . . . . . . . . . 57
3.13. Sistema de calentamiento Chromalox. . . . . . . . . . . . . . . 58
3.14. Sistema de enfriamiento Transfer Marker. . . . . . . . . . . . 58
3.15. Diagrama esquemático de la ubicación de los sensores. . . . . . 61
3.16. Sensor de temperatura RTD PT1000. . . . . . . . . . . . . . . 62
3.17. Baño térmico y controlador electrónico que se utilizó para la
calibración de los sensores de temperatura. . . . . . . . . . . . 63
3.18. Gráfica de calibración del sensor 1 de temperatura. . . . . . . 64
3.19. Transductor de presión tipo pizoeléctrico. . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.20. Banco de pruebas para la calibración de los sensores de presión. 65
3.21. Conexión eléctrica del transductor de presión. . . . . . . . . . 66
3.22. Gráfica de calibración del transductor 1. . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.23. Sensor de flujo másico Micro Motion ELITE tipo Coriolis. . . 68
3.24. Conexión eléctrica del sensor de flujo másico tipo elite coriolis. 68
3.25. Sensor de flujo másico tipo propela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.26. Sistema de calibración para sensores de flujo másico tipo propela. 69
3.27. Conexión eléctrica de un sensor de flujo másico tipo propela. . 70
3.28. Gráfica de calibración del sensor 1 de flujo másico tipo propela. 71
3.29. Programa de adquisición de datos que se desarrolló con el soft-
ware Agilent VEE Pro 9.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.30. Equipos para la adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . . 74
3.31. Precalentamiento de horno de secado y preparación de charolas. 78
3.32. Pesado e introducción del LiNO3 al horno de secado. . . . . . 78
3.33. Pesado y preparación del tanque de solución para introducir
el LiNO3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.34. Introducción del LiNO3 al tanque de solución. . . . . . . . . . 80
3.35. Pesado y conexión del tanque de solución. . . . . . . . . . . . 82
3.36. Conexión del tanque de solución con el sistema de refrigeración. 84
3.37. Diagrama esquemático de la ubicación de las válvulas y manóme-
tros en el sistema de refrigeración. . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1. Gráfica de las temperaturas de las corrientes internas y exter-
nas que circulan por el generador (4-Mayo-2013). . . . . . . . 94
4.2. Gráfica de las temperaturas de las corrientes internas y exter-
nas que circulan por el absorbedor (4-Mayo-2013). . . . . . . . 95
XIV
ÍNDICE DE FIGURAS
4.3. Gráfica de las temperaturas de las corrientes de solución dilui-
da y concentrada que circulan por el economizador (4-Mayo-
2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4. Gráfica de las temperaturas de las corrientes internas y exter-
nas que circulan por el condensador (4-Mayo-2013). . . . . . . 98
4.5. Gráfica de las temperaturas de las corrientes internas y exter-
nas que circulan por el evaporador (4-Mayo-2013). . . . . . . . 99
4.6. Gráfica de las presiones de los equipos principales del sistema
de refrigeración (4-Mayo-2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.7. Diagrama esquemático del sistema de refrigeración por absor-
ción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.8. COPE en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 85 ◦C. . . . 104
4.9. COPE en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 90 ◦C. . . . 104
4.10. COPE en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 95 ◦C. . . . 105
4.11. COPE en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 100 ◦C. . . . 106
4.12. COPE en función de TC ∼= TA para todas las TG. . . . . . . . . 107
4.13. COPE en función de TG para todas las TC . . . . . . . . . . . . 108
4.14. COPI en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 85 ◦C. . . . . 111
4.15. COPI en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 90 ◦C. . . . . 112
4.16. COPI en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 95 ◦C. . . . . 112
4.17. COPI en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 100 ◦C. . . . 113
4.18. Comparación de los coeficientes de operación COPI y COPE
en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 100 ◦C. . . . . . . . 114
4.19. Diagrama esquemático de las corrientes internas y externas del
evaporador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.20. Comparación de los coeficientes de operación COPI y COPE
en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 95 ◦C. . . . . . . . 116
4.21. Comparación de los coeficientes de operación COPI y COPE
en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 90 ◦C. . . . . . . . 117
4.22. Comparación de los coeficientes de operación COPI y COPE
en función de TC ∼= TA manteniendo TG = 85 ◦C. . . . . . . . 118
XV
ÍNDICE DE FIGURAS
XVI
Índice de cuadros
1.1. Producción de enerǵıa primaria (PJ) [1] . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Clasificación de las enerǵıa renovables [4] . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Sistemas de absorción de baja capacidad disponibles en el mer-
cado [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1. Propiedades de los fluidos de trabajo NH3-H2O y H2O-LiBr
[65]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1. Ecuaciones de calibración de los instrumentos de medición. . . . . 72
3.2. Resultados obtenidos por la deshidratación del LiNO3. . . . . . . 81
4.1. Cálculo del error asociado al COPE. . . . . . . . . . . . . . . 122
XVII
ÍNDICE DE CUADROS
XVIII
Caṕıtulo 1
Introducción
En este caṕıtulo se habla acerca de la situación energética del páıs, las
enerǵıas renovables, aśı como el potencial que tiene la enerǵıa solar en el
territorio mexicano. Posteriormente se da una breve descripción de las tec-
noloǵıas de refrigeración solar y también se muestra la revisión bibliográfica
de trabajos afines al proyecto a efectuar. Por último, se muestran los ob-
jetivos principales de esta investigación, la justificación y la estructura del
trabajo.
1.1. Situación energética de México
Hoy en d́ıa, con el incremento en los costos de producción de enerǵıa en
los últimos años, se ha reactivado el interés por desarrollar y utilizar sistemas
avanzados de enerǵıa para reducir costos y tener menor impacto en el medio
ambiente.
En 2010 la producción nacional de enerǵıa primaria finalizó en 9, 250.7 PJ 1,
1.8 % menor que la registrada en 2009. La producción de crudo presentó una
disminución de 0.8 % respecto de 2009, pero aun aśı, representó el 90.24 %
del total de la producción de enerǵıa primaria, mientras que el carbón con
2. 19 %, la nucleoenerǵıa con 0.69 % y las enerǵıas renovables con 6.88 % [1].
La distribución de la producción de enerǵıa primaria se muestra en el tabla
1.1 y de manera gráfica en la figura 1.1.
1Un Petajoule (1 PJ = 1x1015 J) es una unidad que se utiliza para cuantificar grandes cantidades
de enerǵıa. Por lo tanto, considerando la producción nacional de enerǵıa, 9, 250.7 PJ equivale aproxima-
damente a 2.56x1012 kilowatts hora (KWh), que a su vez, equivalen aproximadamente al consumo de
1, 068, 000, 000 de focos de 100 W encendidos durante 24 horas.
1
1.1. Situación energética de México
Cuadro 1.1: Producción de enerǵıa primaria (PJ) [1]
Variación Estructura porcentual
2009 2010 porcentual ( %) 2009 2010
2010-2009 ( %) ( %)
TOTAL 9419.23 9250.67 -1.79 100.00 100.00
Carbón 207.75 202.59 -2.49 2.21 2.19
Hidrocarburos 8496.48 8348.16 -1.75 90.20 90.24
Petróleo crudo 6058.73 6008.64 -0.83 64.32 64.95
Condensados 86.08 92.51 7.48 0.91 1.00
Gas natural 2351.67 2247.01 -4.45 24.97 24.29
Nucleoenerǵıa 112.75 63.94 -43.29 1.20 0.69
Renovables 602.25 635.98 5.60 6.39 6.88
Hidroenerǵıa 95.20 132.2638.93 1.01 1.43
Geoenerǵıa 152.69 149.94 -1.81 1.62 1.62
Enerǵıa solar 4.06 4.91 21.05 0.04 0.05
Enerǵıa eólica 0.90 0.60 -33.40 0.01 0.01
Biomasa 349.40 348.28 -0.32 3.71 3.76
Bagazo de caña 88.73 88.97 0.27 0.94 0.96
Leña 260.68 259.31 -0.52 2.77 2.80
Figura 1.1: Estructura de la producción de enerǵıa primaria 2010 (9, 250.7
PJ) [1]
2
Caṕıtulo 1. Introducción
Como se puede apreciar en la figura 1.1 la situación energética del páıs
está basada fuertemente en el consumo de hidrocarburos. La explotación de
dichos recursos ha ocasionado una serie de problemas que inquietan grave-
mente a la sociedad. Además, la enerǵıa obtenida a partir de la quema de
fuentes fósiles no es limpia, ya que genera residuos que contaminan al medio
ambiente y contribuyen al calentamiento global del planeta.
De acuerdo con información de la Agencia Internacional de Enerǵıa (AIE),
la quema de hidrocarburos contribuye con aproximadamente 80 % de las emi-
siones de gases efecto invernadero (GEI) en el mundo [2]. Los GEI están
dando lugar a un cambio climático mundial, que a su vez, generará una serie
de problemas que tendrán impactos económicos de gran magnitud.
Finalmente, las fuentes fósiles de enerǵıa no son renovables, es decir, no
pueden ser producidas ni renovadas, su consumo es más rápido de lo que
la naturaleza puede generarlas. Algunas soluciones a la fuerte dependencia
energética de los hidrocarburos es mediante el ahorro energético, optimiza-
ción de equipos y la adición de enerǵıas renovables.
Por lo antes mencionado, no solo en México sino que en todo el mundo
existe la enorme necesidad de iniciar la transición de un sistema energético
basado en el petróleo a esquemas de producción y consumo de energéticos
más limpios y perdurables.
1.2. Enerǵıas renovables
Las enerǵıas renovables son aquellas cuya fuente reside en fenómenos na-
turales y que son susceptibles a ser transformadas en enerǵıa aprovechable
por la humanidad. Tienen la caracteŕıstica de renovarse de manera natural
por lo que se encuentran disponibles de forma continua, son tan abundantes
que perdurarán por cientos o miles de años, por lo tanto, se consideran inago-
tables, de libre disposición y se distribuyen en amplias zonas. Estas fuentes
seŕıan una alternativa a las otras llamadas convencionales (no renovables) y
produciŕıan un impacto ambiental mı́nimo [3].
3
1.2. Enerǵıas renovables
En la tabla 1.2 se muestra la clasificación de las enerǵıas renovables según
el origen primario de las enerǵıas, el nivel de desarrollo de las tecnoloǵıas y
las aplicaciones.
Cuadro 1.2: Clasificación de las enerǵıa renovables [4]
Las enerǵıas renovables pueden contribuir significativamente al desarro-
llo sustentable (un desarrollo económico y social que incluya la protección
ambiental y el respeto a los recursos naturales, que sea equitativo y asegure
las generaciones venideras el acceso a los recursos y a tecnoloǵıas no con-
taminantes para mejorar la calidad de vida a escala mundial)[5], a proveer
acceso a la enerǵıa incluyendo zonas rurales donde no llega la red eléctrica,
a mitigar las emisiones de gases que provocan el efecto invernadero y reducir
la contaminación del aire, creando aśı nuevas oportunidades económicas y
aumentando la seguridad energética [6].
1.2.1. Enerǵıa solar
A nivel mundial, México es uno de los páıses que tienen mayor promedio
de radiación solar anual, esto se debe principalmente a su privilegiada ubi-
cación geográfica, tal como se puede apreciar en la figura 1.2.
Los ı́ndices de radiación solar que inciden en México van de los 4.4
kWh/m2d́ıa en la zona centro, a los 6.3 kWh/m2d́ıa en el norte del páıs
[7], dichos valores se puede apreciar en la figura 1.3. Es por ello que es fun-
damental establecer poĺıticas que fomenten el aprovechamiento sustentable
de la enerǵıa solar en nuestro páıs.
4
Caṕıtulo 1. Introducción
Figura 1.2: Mapa de radiación solar mundial. [8]
Figura 1.3: Mapa de radiación solar por d́ıa en el territorio nacional
(kWh/m2dia). [9]
5
1.3. Enerǵıas renovables
La idea de usar directamente la radiación solar, ha motivado a desarrollar
tecnoloǵıas capaces para satisfacer las necesidades del hombre. Básicamente
la radiación solar se puede aprovechar mediante dos tecnoloǵıas diferentes
[10]:
Fotovoltaica
La tecnoloǵıa fotovoltaica consiste en la transformación directa de la
enerǵıa solar en enerǵıa eléctrica; para lograr tal transformación, se
hace uso de paneles o módulos fotovoltaicos hechos principalmente de
silicio. La enerǵıa eléctrica producida puede ser incorporada a la red
mediante un sistema de conversión o puede ser almacenada en un sis-
tema de bateŕıas.
Fototérmica
La tecnoloǵıa fototérmica consiste en la transformación de la enerǵıa
solar en enerǵıa térmica; la radiación solar se aprovecha mediante la
captación y almacenamiento de calor. La tecnoloǵıa fototérmica se usa
en una gran variedad de aplicaciones, tales como: calefacción o refri-
geración pasiva de edificios, producción de sal, secado y generación de
electricidad.
En 2010 el consumo de enerǵıa en el sector residencial totalizó en 763.1
PJ [1], tal cifra representa el 16.6 % del consumo final de enerǵıa en México.
De ese 16.6 % de enerǵıa consumida, el 67 % está destinado para el consumo
de equipos como: estufas/calentadores de agua (9 %), refrigeradores (14 %) y
sistemas de calefacción/aire acondicionado (44 %) [11].
Es por ello que es de gran importancia introducir equipos o sistemas
que aprovechen el recurso solar, ya sean equipos totalmente solares o siste-
mas h́ıbridos, para satisfacer las necesidades del hogar y reducir el consumo
energético. Una de las alternativas que pueden ayudar a mitigar dicho consu-
mo energético es mediante la utilización de sistemas solares de refrigeración
y aire acondicionado.
6
Caṕıtulo 1. Introducción
1.3. Enfriamiento
Hoy en d́ıa los sistemas de enfriamiento (refrigeración y aire acondiciona-
do) juegan un papel importante en la vida cotidiana de las personas. Esto se
debe a la gran diversidad de aplicaciones en donde se emplean dichos siste-
mas, entre ellas: la conservación de alimentos, medicamentos u otros objetos
que se degradan por el calor, en la climatización de edificaciones, en los pro-
cesos industriales, en motores y máquinas, entre otras.
El enfriamiento consiste en la remoción de calor no deseado de un espa-
cio o un objeto espećıfico [12]. Los cuerpos pueden enfriarse a temperatura
ambiente de forma natural, sin embargo, se requieren técnicas especiales pa-
ra lograr que un cuerpo mantenga una temperatura inferior a la del ambiente.
Los procesos de enfriamiento natural consisten en la pérdida de calor de
manera espontánea, tal y como ocurre en los procesos de enfriamiento debido
a la pérdida de calor por radiación (enfriamiento radiativo) o por convección
(enfriamiento evaporativo) [13]. Por otro lado los procesos de enfriamiento
artificial se basan en utilizar fluidos que tienen la capacidad de absorber
calor, dichos fluidos se denominan refrigerantes.
1.4. Enfriamiento solar
En los últimos 30 años, y en particular en la última década, se ha incre-
mentado el interés por desarrollar sistemas de refrigeración y aire acondicio-
nado basados en tecnoloǵıas solares [14]. Actualmente existen varios sistemas
de enfriamiento solar [15]:
1. Enfriamiento solar por compresión eléctrica.
2. Enfriamiento solar por compresión termo-mecánica.
3. Enfriamiento solar por sorción.
a) Absorción
b) Adsorción
c) Desecante
7
1.4. Enfriamiento solar
1.4.1. Enfriamiento solar por compresión eléctrica
Un sistema de enfriamiento solar por compresión eléctrica consiste princi-
palmente de paneles fotovoltaicos y un dispositivo eléctrico de enfriamiento,
tal como se muestra en la figura 1.4.
Figura 1.4: Diagrama esquemático de un sistema de enfriamiento solar por
compresión eléctrica. [15]
Donde Qs esel flujo de calor por la radiación solar (kW), Ip es la radia-
ción solar perpendicular a la superficie del colector (kW/m2), As es el área
de captación del panel fotovoltaico (m2), W es la potencia eléctrica generada
por el panel solar (kW), Qc es el calor que desecha el condensador (kW) y
Qe es el calor absorbido por el evaporador (kW).
El funcionamiento del sistema es sencillo, la radiación solar es transfor-
mada en enerǵıa eléctrica haciendo uso de los paneles fotovoltaicos, poste-
riormente, la enerǵıa eléctrica alimenta un motor de corriente continua que
mueve el compresor del dispositivo de enfriamiento.
Este tipo de instalaciones está diseñado para trabajar de forma autónoma,
es decir, sin necesidad usar otro tipo de fuente de enerǵıa. El COP de estos
sistemas vaŕıa en el rango de entre 1.1 y 3.3 para temperaturas de evaporación
comprendidas de -5 a 15◦C y temperaturas de condensación de 45 a 61◦C [15].
8
Caṕıtulo 1. Introducción
1.4.2. Enfriamiento solar por compresión termo-mecánica
En un sistema de enfriamiento solar termo-mecánico, la enerǵıa solar
térmica (captada por colectores solares) se convierte en trabajo mecánico
haciendo uso de una máquina térmica. El trabajo mecánico obtenido acciona
un compresor mecánico de una máquina de enfriamiento por compresión de
vapor, tal como se muestra en el esquema de la figura 1.5.
Figura 1.5: Diagrama esquemático de un sistema de enfriamiento solar termo-
mecánico. [15]
Donde Qs es el flujo de calor por la radiación solar (kW), Ip es la ra-
diación solar perpendicular a la superficie del colector (kW/m2), As es el
área de captación del colector solar (m2), W es el trabajo mecánico obtenido
por la máquina térmica (kW), Qg es el calor útil obtenido para producir el
trabajo mecánico (kW), Qe es el calor absorbido por el evaporador (kW), Qc
es el calor que desecha el condensador (kW) y Qa es el calor que desecha la
máquina térmica (kW).
9
1.4. Enfriamiento solar
Las máquinas térmicas empleadas para este tipo de sistemas de refrigera-
ción son las que utilizan ciclo Rankine o Stirling. En cuanto a los colectores
solares los más usados son los de tubos evacuados [15].
1.4.3. Enfriamiento solar por sorción
El enfriamiento solar por sorción utiliza la atracción f́ısica o qúımica en-
tre un par de sustancias para producir el efecto de enfriamiento. Entre el
par de sustancias, la sustancia con menor temperatura de ebullición se llama
sorbato y el otro se llama sorbente. El sorbato es el que desempeña el papel
de refrigerante [15]. En la figura 1.6 se muestra un diagrama esquemático de
un sistema cerrado por sorción.
Figura 1.6: Diagrama esquemático de un sistema de enfriamiento solar por
sorción. [15]
El componente en donde se lleva a cabo la sorción se denomina absorbe-
10
Caṕıtulo 1. Introducción
dor y en donde se lleva a cabo la desorción se llama generador. El generador
recibe un calor Qg que proviene del colector solar, dicho calor se utiliza pa-
ra evaporar una parte de refrigerante del sorbente. El vapor de refrigerante
generado pasa al condensador donde rechaza el calor Qc a temperatura am-
biente y cambia su fase a estado ĺıquido. Posteriormente el refrigerante pasa
al evaporador donde nuevamente el fluido se evapora absorbiendo calor Qe
del espacio u objeto a enfriar. Después el refrigerante evaporado vuelve a
ser absorbido por el sorbente que viene del generador, y aśı de esta forma,
reiniciar con el ciclo. Dentro de los procesos por sorción se encuentran la
absorción, la adsorción y los desecantes.
1.4.3.1. Absorción
La absorción se refiere a un proceso de sorción donde un sorbente ĺıqui-
do/sólido absorbe moléculas de refrigerante en su interior y, en el proceso,
el sorbente cambia f́ısica y/o qúımicamente. La refrigeración por absorción
ha sido la tecnoloǵıa más frecuentemente usada para la refrigeración solar.
Además, los sistemas de refrigeración por absorción requieren de una entrada
eléctrica muy baja, y comparando con sistemas de refrigeración por adsorción
de la misma capacidad, son sistemas más pequeños, esto debido al alto coefi-
ciente de transferencia de calor del absorbente. Las máquinas por absorción
pueden obtener COP en un rango de entre 0.3 y 1.2 [15].
1.4.3.2. Adsorción
La adsorción implica un sorbente sólido que atrae las moléculas de un
refrigerante en su superficie por fuerzas f́ısicas o qúımicas y, a diferencia del
proceso de absorción, el sorbente no cambia su forma en el proceso.
Adsorción f́ısica
Dentro de los adsorbentes f́ısicos más empleados se encuentran las zeo-
litas, śılica gel, carbón activado y alúmina, los cuales tienen estructuras
altamente porosas y que selectivamente puede atrapar y contener re-
frigerantes. Cuando los adsorbentes se saturan, pueden ser regenerados
simplemente mediante calentamiento. En cuanto a los pares de trabajo
empleados se encuentran el carbón activado - metanol o amoniaco [16]
y śılica gel - agua [17]. Actualmente la tecnoloǵıa solar por adsorción
puede proveer una producción diaria de hielo de 4 a 7 kg por metro
cuadrado de colector solar con un COP entre 0.1 y 0.15, y para sistemas
de aire acondicionado las capacidades oscilan entre 3.2 y 3.6 kW con
11
1.4. Enfriamiento solar
COPs que vaŕıan entre 0.2 y 0.6 a temperaturas de generación desde
55 a 95◦C [15].
Adsorción qúımica
La adsorción qúımica se caracteriza por que la unión qúımica entre
el adsorbato y el adsorbente es fuerte, por lo tanto es más dif́ıcil de
revertir y se requiere más enerǵıa para eliminar las moléculas adsorbi-
das que en la adsorción f́ısica. Los pares de trabajo más usados son el
cloruro de calcio - amoniaco y cloruro de calcio - agua [18]. Tokarev
et al. desarrollaron un material compuesto mediante la impregnación
de cloruro de calcio en la matriz MCM-41 (un silicato), obtuvieron un
COP de 0.7 con temperaturas de condensación y generación de 40 y
110◦C, respectivamente [19].
1.4.3.3. Desecante
El enfriamiento por sorción abierto es comúnmente llamado enfriamiento
desecante, esto se debe a que el sorbente es usado para deshumidificar el
aire. Varios desecantes están disponibles en fases ĺıquidas o sólidas. Básica-
mente todos los sorbentes que absorben agua pueden ser utilizados como un
desecante, por ejemplo, śılica gel, alúmina activada, zeolita, cloruro de litio
y bromuro de litio [15]. Desde un punto de vista termodinámico, el proceso
de deshumidificación no es muy diferente de un proceso de sorción cerrado.
Por lo tanto, en principio, el COP de un sistema desecante abierto es similar
a su homólogo cerrado. Por lo que se dice alcanzable un COP de 0.7 con un
sistema enfriamiento desecante sólido bajo condiciones normales de funcio-
namiento [20].
Aunque cada tecnoloǵıa de enfriamiento solar tiene sus propias ventajas,
la principal desventaja que tienen es su elevado costo inicial.
12
Caṕıtulo 1. Introducción
1.5. Estado del arte de sistemas de refrigera-
ción por sorción
Los sistemas de enfriamiento por sorción han sido utilizados comercial-
mente desde hace algunas décadas para diversas aplicaciones, incluyendo los
sistemas de aire acondicionado y refrigeración, utilizando diversos tipos de
ciclos termodinámicos para una variedad de tamaños y capacidades [21]. Sin
embargo, el uso de dicha tecnoloǵıa ha sido limitada principalmente por su
baja eficiencia y por su elevado costo inicial comparado con los sistemas por
compresión de vapor.
Es por ello que los sistemas de enfriamiento por sorción se usan general-
mente cuando existen grandes cantidades de enerǵıa térmica de desecho que
puede ser utilizada para alimentar al sistema, o mediante la utilización de la
enerǵıa solar.
Por otra parte, se encontró que de los sistemas comerciales de enfria-
miento solar disponibles en el mercado, aproximadamente el 70 % de éstos
son sistemas de absorción, el 13 % de adsorción y el 17 % son sistemas con
desecantessólidos y ĺıquidos [22]. Es evidente que la tecnoloǵıa de enfria-
miento por absorción es la más predominante.
Debido a que los sistemas de enfriamiento solar tienen un inminente auge
en el mercado, se presenta una revisión bibliográfica basada especialmente en
los sistemas de enfriamiento por absorción de baja capacidad. Esto se debe,
principalmente, a que el proyecto que se desarrollará a lo largo de esta tesis
consistirá en la construcción y evaluación de un sistema de absorción de baja
capacidad con la finalidad de comercializar el prototipo en un fututo no muy
lejano.
La revisión bibliográfica se clasifica en sistemas comerciales y sistemas
en investigación. Los sistemas en investigación, a su vez, se clasifican en tra-
bajos experimentales, trabajos teóricos, estudios en componentes y mezclas
alternativas.
1.5.1. Sistemas comerciales
Desde hace aproximadamente 50 años, algunas empresas han desarrolla-
do y comercializado sistemas de enfriamiento por sorción en un amplio rango
de capacidades. Los sistemas de capacidades altas (que van desde los 200
13
1.5. Estado del arte de sistemas de refrigeración por sorción
kW hasta algunos MW) en su mayoŕıa utilizan fuego directo, y en algunos
casos son impulsados por vapor. Además, la mayoŕıa de las empresas han
desarrollado unidades de absorción de simple y doble efecto que operan con
las mezclas Bromuro de Litio - Agua (LiBr-H2O) y Amoniaco - Agua (NH3-
H2O). Dentro de las empresas que desarrollan sistemas de alta capacidad
se encuentran: Carrier, York, Trane, Robur, Broad, Mycom, LG, Mitsubishi,
Sanyo, Mc Quay, Entropie, Century y Colibŕı. Debido a la elevada capacidad
de estos sistemas de enfriamiento, la mayoŕıa de ellos han sido utilizados en
grandes edificios y en procesos industriales [21].
Por otro lado, los sistemas de capacidades bajas (menores a 100 kW)
se han desarrollado principalmente por los aumentos de la demanda de ai-
re acondicionado en el sector residencial, y utilizan diversas tecnoloǵıas y
mezclas de trabajo. Dentro de las empresas que desarrollan sistemas de ba-
ja capacidad se encuentran: Nishyodo, Maekawa, Maycom, Yazaki, Robur,
Broad, Rotartica, Climatewell, Sor Tech, Invesnsor, Thermax, Solar Next,
Aosol, Pink, Sonnenklima and EAW, entre otras [21].
A continuación, en la tabla 1.3, se hace una comparación de algunos sis-
temas comerciales de enfriamiento por absorción de baja capacidad que se
encuentran disponibles en el mercado.
Un estudio desarrollado por la Agencia Internacional de Enerǵıa (AIE)
obtuvo que de 280 máquinas de enfriamiento instaladas, el 43 % de ellas fue
desarrollada por la empresa Rotartica, 35 % por Climatwell, 7 % por EAW,
5 % por Yasaky, y el resto por diversas compañ́ıas [23].
14
Caṕıtulo 1. Introducción
Cuadro 1.3: Sistemas de absorción de baja capacidad disponibles en el mer-
cado [21]
.
Compania
Nombre del
producto
Mezcla de
trabajo
Capacidad
nominal de
enfriamiento (kW)
COP
Imagen del
producto
Yazaki
WFC SC5,
SC10,
SC20, SC30
LiBr-H2O 17.5, 35, 70, 105 0.72
Sonnenklima
Suninverse
10
LiBr-H2O 10 0.78
EAW
Wegracal
SE15, SE30,
SE50
LiBr-H2O 15, 30, 54 0.75
Rotartica
Solar 045v,
045
LiBr-H2O 4.5 0.7
Climatewell
Climatewell
10
LiCl-H2O 10 0.68
SolarNext
Chillii
PSC12
NH3-H2O 12 0.62
15
1.5. Estado del arte de sistemas de refrigeración por sorción
1.5.2. Sistemas de investigación
Algunos de los estudios más importantes en el desarrollo de los sistemas
de absorción se muestran a continuación, dichos estudios se clasifican en
trabajos experimentales, trabajos teóricos, estudio de componentes y mezclas
alternativas.
1.5.2.1. Trabajos experimentales
C. O. Rivera en 2006 diseñó, construyó y evaluó un sistema de refrigera-
ción intermitente usando un CPC truncado con una relación de concentración
de 3.3 para producir 8 kg de hielo por d́ıa. El sistema de refrigeración opera
con la solución Amoniaco - Nitrato de Litio (NH3-LiNO3) y es intermitente
porque consta de 2 etapas: en la primera se llevan a cabo los procesos de ge-
neración y condensación y en la segunda los de evaporación y absorción. Se
obtuvo que el proceso de generación se lleva a cabo en un rango de tempera-
turas que vaŕıa entre 75◦C y 110◦C mientras que en el proceso de evaporación
el refrigerante alcanzó la temperatura de -20◦C y el agua refrigerada de -1◦C
[24].
G. Moreno-Quintanar et al. en 2012 desarrollaron y evaluaron un sistema
de refrigeración solar por absorción intermitente. El sistema opera con las
mezclas Amoniaco - Nitrato de Litio (NH3-LiNO3) y Amoniaco - Nitrato de
Litio - Agua (NH3-LiNO3-H2O). El sistema fue diseñado para producir has-
ta 8 kg/d́ıa de hielo y se compone de un concentrador parabólico compuesto
(CPC) con un receptor ciĺındrico que actúa como generador/absorbedor, un
condensador, un evaporador y un dispositivo de expansión. Se obtuvieron
temperaturas en el evaporador de -8◦C para un periodo de 8 h. En cuanto a
la comparación de rendimientos, se obtuvo que la mezcla ternaria puede ser
hasta 24 % mayor que los obtenidos por la mezcla binaria, que vaŕıan desde
0.066 hasta 0.093 [25].
Marcos del Cano en 2008 presentó un sistema de absorción de Bromuro de
Litio - Agua (LiBr-H2O) de doble efecto condensado por aire. El sistema se
caracterizó para tres d́ıas representativos de la temporada de climatización:
templado, caluroso y muy caluroso, como resultados obtuvo que el prototipo
produce agua fŕıa a 13.5◦C para una temperatura exterior de 40◦C y tiene
un COP de 0.7 [26].
16
Caṕıtulo 1. Introducción
Lizarte desarrolló una máquina de absorción de simple efecto que opera
con enerǵıa solar y con la mezcla Bromuro de Litio-Agua (LiBr-H2O), tiene
la peculiaridad de que el absorbedor y condensador son enfriados por aire,
dicho prototipo se hizo con la finalidad de comercializarse para uso residen-
cial [27].
Llamas et al. en 2007 desarrollaron en el Centro de Investigación en
Enerǵıa de la UNAM un sistema de refrigeración por absorción de capacidad
baja, entre 5 y 10 kW. El sistema se caracterizó por operar con la mezcla
Nitrato de Litio - Amoniaco (LiNO3-NH3), además de que el condensador y
absorbedor eran enfriados por aire, además, el calor era suministrado por un
colector de tubos evacuados. Como el amoniaco es el refrigerante, el proto-
tipo puede operar como un sistema de refrigeración o de aire acondicionado.
Se obtuvo como resultados un COP de 0.53 para un calor suministrado a
120◦C, un calor rechazado a 40◦C y se produjo agua refrigerada a 0◦C [28].
Gómez et. al en 2007 reportaron una evaluación teórica y experimental
de un sistema de enfriamiento GAX de encendido indirecto usando la mezcla
de trabajo Amoniaco - Agua (NH3-H2O) con una capacidad de enfriamiento
de 10.6 kW. El sistema opera en el rango de temperaturas de 180◦C y 195◦C
y es enfriado por aire. Los autores concluyen que el sistema tiene potencial
para competir en el mercado mexicano de aire acondicionado [29].
En Alemania, Ajib y Gunther en 2007 evaluaron una máquina de absor-
ción que serv́ıa para refrigeración y aire acondicionado, teńıa una capacidad
de enfriamiento de 10 kW. La máquina fue probada con la mezcla Bromuro
de Zinc - Acetona. Los resultados mostraron que la máquina pudo operar
con una fuente térmica de 55◦C, pero con bajos coeficientes de rendimiento
[30].
Syeda et al. en 2005 estudiaron un sistema de refrigeración solar para
usarlo en casas t́ıpicas españolas en Madrid. El sistema consist́ıa en un cam-
po de colectores de placa plana con un área de superficie de 49.9 m2 y un
sistema de refrigeración por absorción de simple efecto operando con la mez-
cla Bromuro de Litio - Agua (LiBr-H2O) con una capacidad de 35 kW. La
máquina puede operar de 57 a 67◦C en la generación y de 32 a 36◦C en la
absorción. El máximo COP medido fue de 0.6, el COP promedio fue de 0.42
y el COP promedio de un periodo fue de 0.34 [31].
Sumathy et al. en 2002 desarrollaron una máquina de absorción dedoble
etapa que opera con la mezcla Bromuro de Litio - Agua (LiBr-H2O). Los
17
1.5. Estado del arte de sistemas de refrigeración por sorción
resultados de las pruebas demostraron que el sistema de doble etapa podŕıa
ser impulsado por agua caliente a baja temperatura, 60 a 75◦C, que puede
ser fácilmente proporcionada por los sistemas convencionales de agua caliente
solar. En comparación con el refrigerador de una sola etapa, el enfriador de
dos etapas podŕıa alcanzar aproximadamente el mismo COP de un sistema
convencional con una reducción de costos de aproximadamente 50 % [32].
Hammad and Habali en 2000 diseñaron un ciclo de refrigeración solar
por absorción que opera con la solución Amoniaco - Agua (NH3-H2O) para
enfriar un gabinete de vacunas en el medio oriente. Una simulación de todo
un año indicó que el COP osciló entre 0.5 y 0.65 con temperaturas de gene-
ración de 100 a 120◦C y una temperatura interior del gabinete de 0 a 8◦C [33].
Bansal et al. en 1997 reportaron una unidad de enfriamiento de 1.5
kWh/d́ıa usando Amoniaco (NH3) como refrigerante y material IMPEX
(80 % SrCl2 y 20 % grafito) como absorbente. El máximo COP teórico obte-
nido fue de 0.143, que a su vez depende de las condiciones climáticas [34].
Yeung et al. en 1992 diseñaron y construyeron un sistema de aire acondi-
cionado solar, con la finalidad de estudiar la viabilidad del recurso solar para
aplicaciones de confort en Hong Kong. El sistema consist́ıa en un campo de
colectores de placa plana con un área de superficie de 38.2 m2, una máquina
de absorción operando con la mezcla Bromuro de Litio - Agua (LiBr-H2O)
con una capacidad de enfriamiento nominal de 4. 7 kW, un tanque de al-
macenamiento de 2.75 m3 de agua caliente, una torre de refrigeración y un
calentador auxiliar eléctrico. Se obtuvo una eficiencia del sistema anual de
7.8 % con una fracción solar promedio de 55 % [35].
G. Beltrán construyó un sistema de absorción intermitente solar operando
con la mezcla Amoniaco-Agua (NH3-H2O), el sistema tuvo como finalidad
conservar pescado en la costa Paćıfico de Colombia y logró operar a tempe-
raturas de -5◦C [36].
Uppal et al. construyeron en 1986 un refrigerador solar por absorción de
baja capacidad y que operaba con la solución Amoniaco - Agua (NH3-H2O),
dicho equipo serv́ıa para almacenar vacunas en lugares remotos [37].
Staicovici en 1986 desarrolló un sistema solar de absorción intermitente
para la conservación de pescado. El COP que obtuvo varió entre 0.25 y 0.30 y
pod́ıa lograrse a temperaturas de generación y condensación de 80 y 24.3◦C,
respectivamente [38].
18
Caṕıtulo 1. Introducción
En Dinamarca, Worsφe-Schmidt en 1979 desarrolló un sistema de refrige-
ración por absorción que opera con enerǵıa solar y con las mezclas Amoniaco
- Cloruro de Calcio (NH3-CaCl2) y Amoniaco - Cloruro de Estroncio (NH3-
SrCl2). La investigación experimental logró obtener un COP de 0.10, que
corresponde a una producción de hielo de 6 kg/m2 de superficie de captación
[39].
Un trabajo similar fue desarrollado por Erhard y Hahne en 1994. Desa-
rrollaron una máquina de refrigeración solar para propósitos de demostración
que operaba con la mezcla Amoniaco - Cloruro de Estroncio (NH3-SrCl2) y
obtuvieron un COP de 0.049. Posteriormente en 1995, obtuvieron un mejor
COP que varió de 0.045 a 0.082 [40].
1.5.2.2. Trabajos teóricos
C.O. Rivera y W. Rivera en 2003 propusieron un sistema de refrigera-
ción por absorción intermitente que opera con enerǵıa solar y la solución
Amoniaco - Nitrato de Litio (NH3-LiNO3), además desarrollaron un mode-
lo matemático para obtener su rendimiento. Los resultados mostraron que
con el sistema propuesto era posible producir 11.8 kg de hielo con tempera-
turas de generación de 120◦C y temperaturas de condensación de entre 40
y 44◦C. La eficiencia del sistema varió entre 0.15 y 0.4 dependiendo de las
temperaturas de operación [41].
Salguero Fernández en 2011 desarrolló un modelo matemático sobre el
comportamiento de una máquina de absorción insertada en una planta de
refrigeración solar y comparó los resultados con datos experimentales de una
planta real, obtuvo como resultados que las máquinas de absorción más em-
pleadas son las de simple efecto debido a que su rango de temperaturas de
trabajo permiten el uso de colectores solares planos más baratos que los em-
pleados para las máquinas de doble efecto. La desventaja de las máquinas de
simple efecto es que poseen un COP por debajo de la unidad a diferencia de
las de doble efecto que la superan [42].
Wan et al. en 2006 propusieron un nuevo ciclo de refrigeración solar de
dos etapas, en donde se mezcló la solución de bromuro de litio, a partir de un
generador de presión alta, con la solución de un absorbedor a presión baja.
Todo esto con el fin de aumentar más la concentración del bromuro de litio
en el generador de presión alta que en los ciclos de refrigeración tradicionales
de dos etapas. El análisis teórico muestra que con el ciclo propuesto el COP
19
1.5. Estado del arte de sistemas de refrigeración por sorción
más elevado fue de 0.605 con una fuente de calor que se encuentra en el rango
de temperaturas de entre 75◦C y 85◦C [43].
Liu y Wang en 2004 estudiaron un nuevo tipo de sistema de absorción
solar de doble efecto que operaba con Bromuro de Litio - Agua (LiBr-H2O)
junto con gas natural, serv́ıa para aire acondicionado, calefacción y agua ca-
liente sanitaria. Los resultados que obtuvieron demostraron que el sistema
era factible y económico [44].
Pilatowsky et al. en 2004 presentaron la simulación termodinámica de
un sistema de refrigeración por absorción de simple efecto operando con la
mezcla agua/monometilamina (H2O - CH3-NH2) para la refrigeración de
leche. El sistema era alimentado con enerǵıa solar haciendo uso de colectores
de tubo evacuado junto con un sistema de calentamiento auxiliar conven-
cional. Obtuvieron como resultados que el par agua/monometilamina es un
buena mezcla para los sistemas solares de refrigeración por absorción, ya que
se obtuvieron moderadas temperaturas de evaporación, de -5 a 10◦C, tempe-
raturas de generación de entre 60 y 80◦C y los COP variaron de 0.15 a 0.7 [45].
Venegas et al. en 2002 analizaron un sistema de absorción de doble y
triple efecto operando con Nitrato de Litio - Amoniaco (LiNO3-NH3) y Tio-
cianato de Sodio - Amoniaco (NaSCN-NH3). Los resultados mostraron que
para el sistema de doble efecto y con la mezcla nitrato de litio - amoniaco
se obtuvo un COP de 0.29 con una temperatura de evaporación de 15◦C y
una temperatura de generación de 90◦C, mientras que el COP de la mezcla
tiocianato de sodio - amoniaco fue un poco menor [46].
Medrano et al. en 2001 discutieron la posibilidad de utilizar mezclas de
fluidos orgánicos, como trifluoroetanol - tetraetilenglicol dimetil éter (TFE-
TEGDME) y metanol - tetraetilenglicol dimetil éter (CH3OH-TEGDME)
como pares de fluidos de trabajo en serie y en ciclos de absorción de doble
intercambio de vapor. Los resultados mostraron que el COP del ciclo que
operaba con TFE-TEGDME es 15 % mayor a los sistemas que operan con
Amoniaco - Agua (NH3-H2O) [47].
Romero et al. en el 2000 hicieron una modelación en la que compararon el
rendimiento teórico de un sistema de aire acondicionado solar por absorción
operando con la mezcla Bromuro de Litio - Agua (LiBr-H2O) y una mezcla
acuosa ternaria compuesta por Hidróxido de Sodio, Hidróxido de Potasio e
Hidróxido de Cesio [NaOH:KOH:CsOH] con las proporciones 40:36:24. Los
resultados demostraron que ambas mezclas obtienen semejantes coeficientes
20
Caṕıtulo 1. Introducción
de rendimiento, sin embargo, encontraron que el sistema que opera con los
hidróxidos puede operar con un rango de temperaturas más alto en el con-
densador y absorbedor y que el calor emitido por estos componentes puede
ser eliminada por aire. Los COP en función de la temperatura de generación,
con una temperaturade evaporación de 5◦C y una temperatura de conden-
sación igual a la de absorción de 50◦C, son de 0.24 a 0.40 para Bromuro de
Litio- Agua y de 0.50 a 0.52 para la mezcla ternaria de hidróxidos [48].
1.5.2.3. Estudio de componentes
Con el fin de desarrollar sistemas de enfriamiento por absorción eficientes,
es de gran importancia el estudio de los procesos de transferencia de calor y
masa de las mezclas convencionales y alternativas que se utilizan en los com-
ponentes. Algunos de los estudios experimentales y teóricos más relevantes
realizados en los componentes son los siguientes.
Yoon et al. en 2008 reportaron los resultados experimentales de la trans-
ferencia de calor y masa de la mezcla Bromuro de Litio - Agua (LiBr-H2O)
en un absorbedor horizontal con tubos de diámetro pequeño. Los resultados
mostraron que el rendimiento de la transferencia de calor y masa del absor-
bedor aumenta a medida que disminuye el diámetro de los tubos [49].
Cerezo et al. en 2008 publicaron el estudio experimental de un absorbedor
de burbujas de Amoniaco - Agua (NH3-H2O) mediante un intercambiador
de calor de placas para máquinas de refrigeración por absorción. Los autores
informan que el incremento de la presión, solución y flujo de enfriamien-
to afectan positivamente el rendimiento del absorbedor, mientras tanto un
aumento en la concentración, enfriamiento, y la temperatura de la solución
afecta negativamente al rendimiento del absorbedor [50].
Fernández-Seara et al. en 2007 desarrollaron un modelo matemático ba-
sado en balances de masa y enerǵıa de un absorbedor tubular vertical que
opera con la mezcla Amoniaco - Agua (NH3-H2O) enfriado por aire. Los
autores realizaron un estudio paramétrico para investigar la influencia de los
parámetros de diseño y condiciones de operación en el rendimiento del ab-
sorbedor [51].
Venegas et al. en 2005 presentan un procedimiento numérico para diseñar
absorbedores con aspersión de Nitrato de Litio - Amoniaco (LiNO3-NH3)
para sistemas de refrigeración por absorción, simulando la transferencia de
calor y masa entre las gotas de la solución y el vapor del refrigerante. Los
21
1.5. Estado del arte de sistemas de refrigeración por sorción
resultados mostraron que aproximadamente el 60 % de la transferencia de
total de masa se produce durante el periodo de desaceleración las gotas. Este
periodo representa el 13.4 % y el 11.6 % del tiempo de residencia de las gotas
en el interior de los absorbedores de baja y de alta presión hasta que alcancen
el estado de equilibrio, respectivamente [52].
Bourouis et al. en 2005 estudiaron la absorción de vapor de agua en Bro-
muro de Litio + Yoduro de Litio + Nitrato de Litio + Cloruro de Litio (LiBr
+ LiI+ LiNO3 + LiCl) en un tubo vertical de un aire acondicionado. Se en-
contró que la mayor solubilidad de la solución de sal de multi-componentes
hace posible la operación del absorbedor a concentraciones de sal más al-
tas que con el fluido de trabajo convencional de Bromuro de Litio - Agua
(LiBr-H2O). Los flujos de absorción obtenidos con la nueva mezcla a una
concentración de 64. 2 % en peso eran 60 % más altos que los de LiBr-H2O
a una concentración de 57.9 % en peso [53].
1.5.2.4. Mezclas alternativas
Simona Steiu en 2010 analiza el potencial de las mezclas Amoniaco -
Agua - Hidróxido de Sodio/Potasio/Litio [NH3/H2O/XOH (X: NaOH, KOH,
LiOH)] para mejorar las propiedades de los equipos de refrigeración por ab-
sorción que operan con Amoniaco - Agua (NH3/H2O). El trabajo consistió en
ampliar la base de datos de equilibrio liquido-vapor de las mezclas mencio-
nadas anteriormente y como es que la temperatura de ebullición las afecta.
Como resultados se pudo identificar al NaOH como el compuesto más favo-
rable por reducir la temperatura de accionamiento necesaria y por lo tanto
el COP más alto [54].
Abdelmessih et al. en 2007 analizaron el rendimiento de un ciclo de ab-
sorción operando con la mezcla Etilenglicol - Agua (HOCH2CH2OH-H2O).
El ciclo obtuvo COP de 0.67 y 1.2 para sistemas de refrigeración y bombas
de calor, respectivamente [55].
Libotean et al. en 2007 midieron el equilibrio ĺıquido vapor de las mezclas
Amoniaco - Nitrato de Litio (NH3-LiNO3) y Amoniaco - Nitrato de Litio
- Agua (NH3-LiNO3-H2O). La presión de vapor de la mezcla ternaria se
midió entre el rango de 293.15 y 353.15 K, con una variación en la fracción
másica de refrigerante (NH3) de 0.20 a 0.55 para tres distintas fracciones
másicas de agua en la solución (LiNO3 + H2O) de 0.20, 0.25, y 0.30. Por
su parte, la presión de vapor de la mezcla binaria también se midió entre el
rango de 293.15 K a 353.15 K, con una variación en la fracción másica del
22
Caṕıtulo 1. Introducción
amoniaco de 0.35 a 0.65 [56].
Libotean et al. en 2008 midieron una serie de propiedades termof́ısicas co-
mo densidad, viscosidad dinámica y capacidad térmica de las mezclas Amo-
niaco - Nitrato de Litio (NH3-LiNO3) y Amoniaco - Nitrato de Litio - Agua
(NH3-LiNO3-H2O) entre el rango de temperaturas de 293.15 a 353.15 K y
una presión de 1.8 MPa. Posteriormente reportaron correlaciones en función
de la temperatura y composición haciendo uso de ecuaciones polinomiales.
Para ambas mezclas usaron las mismas concentraciones que en el art́ıculo
mencionado en el párrafo anterior [57].
Chekir et al. en 2006 analizaron el rendimiento de las mezclas de trabajo
Butano - Octano y Propano - Octano en un sistema de absorción a tem-
peraturas inferiores a 150◦C y se encontró que el COP es de 0.63, que es
prácticamente igual al obtenido por el amoniaco-agua [58].
Salavera Muñoz en 2005 presenta algunas propiedades termof́ısicas co-
mo la solubilidad, capacidad caloŕıfica y densidad de las mezclas Agua -
Bromuro de Litio - Nitrato de Litio - Yoduro de Litio - Cloruro de Litio
(H2O+LiBr+LiNO3+LiI+LiCl), Amoniaco - Agua - Hidróxido de Sodio
(NH3+H2O+NaOH) y Amoniaco - Agua - Hidróxido de Potasio (NH3 +
H2O + KOH) para sistemas de refrigeración por absorción. Las propiedades
fueron obtenidas con datos experimentales [59].
Yoon y Kwon en 1999 propusieron la mezcla de trabajo Agua - Bromuro
de Litio -Propilenglicol (H2O+LiBr+ HOCH2CH2CH2OH) y reportaron
que la nueva mezcla provee un ĺımite de cristalización 8 % mayor que la so-
lución convencional Bromuro de Litio - Agua, además de un COP 3 % más
grande [60].
Saravanan y Maiya en 1998 estudiaron un sistema de refrigeración por
absorción usando agua como refrigerante y cuatro mezclas binarias, cinco
mezclas ternarias y siete mezclas cuaternarias de sales como absorbentes. Se
concluyó que la combinación de Agua - Cloruro de Litio (H2O-LiCl) fue la
mejor a partir de la temperatura de corte y que la de Agua - Bromuro de
Litio - Cloruro de Litio - Cloruro de Zinc (H2O-LiBr-LiCl-ZnCl2) fue la
que obtuvo mejores COP [61].
I. Horuz en 1998 muestra la comparación entre las mezclas Amoniaco -
Agua (NH3-H2O) y Bromuro de Litio - Agua (LiBr-H2O) para sistemas
de refrigeración por absorción. Concluyó que el sistema que opera con la
23
1.5. Estado del arte de sistemas de refrigeración por sorción
solución LiBr-H2O obtuvo mejores rendimientos. Algunas desventajas que
destacó para el sistema que opera con LiBr-H2O es que la solución puede
cristalizar además de que no puede operar a temperaturas bajas debido a
que el agua es el refrigerante [62].
Da-Wen Sun en 1996 realiza un análisis termodinámico para tres mezclas
diferentes, Amoniaco-Agua (NH3-H2O), Amoniaco-Nitrato de Litio (NH3-
LiNO3) y Amoniaco-Tiocianato de Sodio (NH3-NaSCN), las propiedades
termodinámicas son expresadas en ecuaciones polinomiales. Obtuvo como re-
sultado que tanto el NH3-LiNO3 y NH3-NaSCN son mejores mezclas que
el NH3-H2O, no solo por los mejores COP, sino que también porque no re-
quieren de sistemas de rectificación [63].
Infante Ferreira en 1984 reporta las propiedades termodinámicas de las
mezclas Amoniaco - Nitrato de Litio (NH3-LiNO3) y Amoniaco-Tiocianato
de Sodio (NH3-NaSCN)partiendo de datos obtenidos mediante la experi-
mentación. Como resultados reporta la presión de equilibrio, la viscosidad,
los rangos de cristalización, la conductividad térmica, el calor espećıfico y las
entalṕıas de cada mezcla [64].
24
Caṕıtulo 1. Introducción
1.6. Justificación
Actualmente, a nivel mundial, existe la enorme problemática de trasladar
nuestros sistemas de producción de enerǵıa basados en combustibles fósiles
a sistemas de producción y consumo energéticos más limpios y perdurables,
esto se debe principalmente a tres factores:
El desarrollo tecnológico está en constante crecimiento teniendo como
consecuencia una demanda energética creciente.
Los combustibles fósiles son finitos por lo que existe la enorme pro-
babilidad que en un determinado momento la demanda energética no
pueda ser abastecida y todo el sistema colapse.
La amenaza que representan los gases producidos por la quema de com-
bustibles fósiles para favorecer al efecto invernadero.
Es por ello que se deben buscar y desarrollar nuevos métodos y sistemas
para producir y ahorrar enerǵıa haciendo uso de las llamadas enerǵıas reno-
vables.
Basándose en la problemática mencionada anteriormente, además del
enorme potencial de enerǵıa solar que se tiene en la mayor parte del páıs
y partiendo del estado del arte mostrado en el caṕıtulo anterior, el proyecto
de maestŕıa que se desarrollará a lo largo de esta tesis tiene como finalidad
desarrollar un prototipo de enfriamiento por absorción que opere con enerǵıa
solar para que, en un futuro cercano, pueda introducirse en el mercado de
los sistemas de enfriamiento por absorción de baja capacidad.
Para efectos de evaluación del sistema de enfriamiento por absorción se
pretende usar una fuente de enerǵıa térmica proveniente de un equipo auxi-
liar. En trabajos futuros, el sistema operará solamente con enerǵıa térmica
solar.
Por otro lado, el sistema de absorción solar está diseñado en geometŕıa
vertical con serpent́ın helicoidal para obtener una capacidad de enfriamiento
de 5 kW. El sistema operará con la mezcla de trabajo Amoniaco-Nitrato
de Litio (NH3-LiNO3), esto se debe principalmente a que la mezcla elegida
25
1.6. Justificación
tiene la capacidad de operar en un rango de temperaturas más amplio que
las de un sistema de Agua-Bromuro de Litio (H2O-LiBr) y no requiere de
un sistema de rectificación como en el caso del sistema Amoniaco - Agua
(NH3-H20).
26
Caṕıtulo 1. Introducción
1.7. Objetivos
1.7.1. Objetivo General
Montar, poner en operación y realizar una evaluación preliminar de un
sistema de enfriamiento solar tipo vertical que opera con la solución NH3 −
LiNO3.
1.7.2. Objetivos Espećıficos
Realizar una revisión bibliográfica de los sistemas de enfriamiento solar.
Definir el acoplamiento espacial de los componentes que conforman el
sistema de enfriamiento solar.
Realizar el montaje de cada uno de los componentes que conforman
el sistema de enfriamiento solar. Dicho montaje se llevará a cabo en la
plataforma de refrigeración y bombas de calor que se encuentra ubicada
en el Instituto de Enerǵıas Renovables de la UNAM.
Calibrar e instrumentar el sistema de enfriamiento solar.
Realizar pruebas de presión al sistema de enfriamiento solar.
Operar el equipo bajo condiciones de operación controladas.
Evaluar el sistema de enfriamiento solar mediante la determinación
del coeficiente de operación interno (COPI) y coeficiente de operación
externo (COPE).
1.8. Estructura de la tesis
Este trabajo consta de cinco caṕıtulos que se encentran estructurados de
la siguiente manera:
En el caṕıtulo 1 a manera de introducción, se muestra la situación energéti-
ca del páıs, las enerǵıas renovables, el potencial solar en el territorio mexicano,
aśı como las tecnoloǵıas de enfriamiento solar, se muestra también el estado
del arte de los sistemas de refrigeración por absorción, algunas justificaciones
del por qué se realiza este trabajo y por último se plantean los objetivos del
proyecto.
27
1.8. Estructura de la tesis
En el caṕıtulo 2 se presentan los principios termodinámicos de los ciclos
de refrigeración. Primero se explican los ciclos por compresión mecánica de
vapor y posteriormente se explican los ciclos de absorción. Dentro de los ci-
clos de absorción se detalla el principio de funcionamiento y sus respectivas
clasificaciones. Además, se presentan las mezclas refrigerante-absorbente más
empleadas en la actualidad. Por último se presenta la mezcla empleada en el
sistema de enfriamiento experimental.
En el caṕıtulo 3 se presenta el sistema de refrigeración solar experimental,
se describen sus componentes, interconexiones y procedimientos necesarios
para ponerlo en operación. También se muestran los equipos de instrumenta-
ción y adquisición de datos que se utilizaron para la evaluación. Por último,
se describe el procedimiento de preparación y carga de la solución al sistema.
En el caṕıtulo 4 se presentan los resultados obtenidos por la evaluación
experimental del sistema de refrigeración. Se describe la metodoloǵıa que
se desarrolló para llevar a cabo la experimentación. También se realiza un
análisis de resultados y finalmente se hace el cálculo de incertidumbre de los
valores obtenidos.
Finalmente en el caṕıtulo 5 se muestran las conclusiones y recomendacio-
nes finales que se obtuvieron por el trabajo realizado.
28
Caṕıtulo 2
Fundamentos termodinámicos
de la refrigeración
En este caṕıtulo se presentan las bases teóricas sobre los ciclos de re-
frigeración. Primero se explica el ciclo inverso de Carnot, posteriormente el
ciclo ideal de compresión mecánica y por último el ciclo de absorción. Este
último presenta mayor interés, esto se debe a que el sistema de enfriamien-
to experimental que se desarrollará en el proyecto de tesis es de este tipo.
Dentro de los ciclos de absorción se explican los fundamentos termodinámi-
cos, el principio de operación y se muestra una clasificación de dichos sis-
temas. También se presentan las caracteŕısticas que deben tener las mezclas
refrigerante-absorbente, aśı como algunos ejemplos de las mezclas más utiliza-
das. Finalmente se describe la mezcla empleada en el sistema de enfriamiento
experimental.
2.1. Principios de la refrigeración
Como se explicó en el caṕıtulo uno, el proceso de enfriamiento (ya sea
para refrigeración o aire acondicionado) consiste en la remoción de calor no
deseado de un espacio o un objeto espećıfico, es decir, reducir y mantener la
temperatura por debajo de la temperatura ambiente. Como ya se sabe, en
condiciones normales, el calor fluye de una temperatura mayor a una tem-
peratura menor. En caso que se requiera disminuir la temperatura de algún
espacio se necesita de un sistema de enfriamiento. Estos dispositivos utilizan
un ciclo cerrado y un fluido de trabajo (refrigerante), al cual se le suministra
calor o trabajo, de tal manera que se puede extraer calor de un espacio y
transferirlo al ambiente. Esto queda claro en el enunciado de Clausius de la
segunda ley de la termodinámica [65], que se expresa de la siguiente manera:
29
2.1. Principios de la refrigeración
“Es imposible para cualquier sistema operar de tal manera que
se dé una transferencia de calor de un cuerpo fŕıo a un cuerpo
más caliente”.
Durante el proceso de refrigeración, el refrigerante absorbe calor (Qev) en
el evaporador a una temperatura (Tev) y cede calor (Qco) en el condensador
a una temperatura (Tco), es decir, se tiene que pasar de una temperatura
inferior a una superior, para lograr tal efecto es necesario que se suministre
al sistema una cantidad de trabajo mecánico neto (Wneto), tal y como se
muestra en el diagrama de la figura 2.1 [66].
Figura 2.1: Diagrama del principio básico de refrigeración.
El desempeño de los sistemas de refrigeración se expresa en términos del
coeficiente de operación COP, por sus siglas en inglés, coefficient of perfor-mance, que se define como [66]:
COP =
salida deseada
entrada requerida
=
efecto de enfriamiento
trabajo neto suministrado
=
Qev
Wneto
. (2.1)
30
Caṕıtulo 2. Fundamentos termodinámicos de la refrigeración
2.2. Sistema de refrigeración por compresión
mecánica de vapor
Los refrigeradores por compresión de vapor funcionan a base de sustan-
cias especiales que tienen la particularidad de evaporarse al absorber calor
en condiciones de temperatura y presión relativamente bajas. Por otra parte,
al condensarse a presiones superiores, ceden su calor a un medio circundante
que puede ser en general agua o aire.
El tipo de refrigerador más común es el de compresión mecánica de vapor,
este sistema se compone por un compresor que se encarga de suministrar el
trabajo mecánico para comprimir el fluido de trabajo y aumentarle la presión,
un condensador que desecha el calor al medio circundante cambiando de
fase de vapor a ĺıquido, un dispositivo de expansión que baja la presión y
temperatura para lograr el efecto refrigerante y un evaporador en donde se
absorbe el calor del medio a enfriar.
2.2.1. Ciclo inverso de Carnot
El ciclo inverso de Carnot es un ciclo totalmente reversible que se com-
pone de dos procesos isotérmicos y de dos procesos isoentrópicos. Tiene la
máxima eficiencia térmica para determinados ĺımites de temperatura y sirve
como parámetro de comparación para los ciclos reales de refrigeración.
El término “inverso” expresa un funcionamiento opuesto al ciclo de Car-
not, es decir, opuesto a las manecillas del reloj, por lo que también se le
conoce como refrigerador de calor de Carnot. El principio de funcionamiento
de este ciclo se describe a continuación con ayuda de la figura 2.2 [66].
El ciclo inverso de Carnot se compone de cuatro procesos:
(1-2) El refrigerante absorbe calor (Qev) isotérmicamente de una fuente
de baja temperatura (Tev).
(2-3) El refrigerante se comprime isentrópicamente hasta que cambia
su fase a vapor saturado a una temperatura (Tco).
(3-4) El refrigerante rechaza calor (Qco) isotérmicamente en un sumi-
dero de alta temperatura (Tco), cambiando su fase a ĺıquido saturado.
(4-1) El refrigerante se expande isentrópicamente hasta descender a la
temperatura inicial (Tev).
31
2.2. Sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor
Figura 2.2: Esquema y diagrama T-s del ciclo inverso de Carnot [66].
El COP de un refrigerador de Carnot se expresa en función de la tempe-
ratura como se muestra en la siguiente expresión [66]:
COPCarnot =
Tev
Tco − Tev
. (2.2)
El ciclo inverso de Carnot no puede aproximarse en los dispositivos reales y
no es un modelo realista para los ciclos de refrigeración, esto se debe prin-
cipalmente a que durante el proceso 2-3 incluye la compresión de un vapor
húmedo que requiere un compresor que maneje dos fases, y en el proceso 4-1
implica la expansión de un refrigerante con alto contenido de humedad en la
turbina, a pesar de ello, el ciclo invertido de Carnot sirve como un estándar
contra el que se comparan los ciclos reales refrigeración.
2.2.2. Ciclo ideal de refrigeración por compresión mecáni-
ca de vapor
El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor parte de eliminar
algunos aspectos imprácticos en los que se basa el ciclo inverso de Carnot.
Por ejemplo, se evapora por completo el refrigerante antes de comprimirlo
32
Caṕıtulo 2. Fundamentos termodinámicos de la refrigeración
y se sustituye la turbina por un dispositivo de estrangulamiento (válvula de
expansión o tubo capilar). El principio de funcionamiento de este ciclo se
describe a continuación con ayuda de la figura 2.3 [66].
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor se compone de cuatro
procesos:
(1-2) Compresión isoentrópica en un compresor.
(2-3) Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
(3-4) Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
(4-1) Absorción de calor a presión constante en un evaporador.
Figura 2.3: Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por
compresión de vapor [66].
En el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el refrigerante
entra en el compresor (1) como vapor saturado y se comprime isoentrópi-
camente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante
incrementa durante el proceso de compresión isoentrópica.
33
2.2. Sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor
Después, el refrigerante entra al condensador como vapor sobrecalentado
(2) y sale como ĺıquido saturado (3), teniendo como resultado el rechazo de
calor Qco hacia los alrededores.
Posteriormente el ĺıquido saturado (3) se estrangula hasta la presión del
evaporador al pasarlo por una válvula de expansión. La temperatura del
refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado
durante este proceso.
El refrigerante entra en el evaporador (4) como un vapor húmedo de baja
calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor Qev del espacio refri-
gerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a
entrar al compresor, completando el ciclo.
A diferencia del ciclo inverso de Carnot, el ciclo ideal de refrigeración
por compresión de vapor no es un ciclo internamente reversible, puesto que
incluye un proceso irreversible de estrangulación.
En el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, los cambios
en la enerǵıa cinética y potencial del refrigerante suelen despreciarse, esto se
debe a que son muy pequeños comparados con los cambios de calor y trabajo.
Por lo tanto, el COP se puede definir como [67]:
COP =
Qev
Wentrada
=
Qev
Qco −Qev
. (2.3)
34
Caṕıtulo 2. Fundamentos termodinámicos de la refrigeración
2.3. Sistema de refrigeración por absorción
Los sistemas de refrigeración por absorción de vapor son los más usados
comúnmente en aplicaciones de refrigeración solar, por tal motivo este tipo
de sistemas se explicarán con mayor detalle en lo que resta del caṕıtulo.
La absorción es un proceso de transferencia de materia en el cual una
sustancia puede captar y mantener dentro de śı a otra sustancia a bajas
presiones y temperaturas [68]. En la refrigeración por absorción se aprovecha
la propiedad de una sustancia ĺıquida o sólida para absorber dentro de śı a
un gas, y de esta manera formar una solución (mezcla binaria o terciaria). El
gas absorbido puede ser liberado suministrando enerǵıa térmica a la solución,
aumentando su temperatura y presión.
2.3.1. Fundamentos termodinámicos del ciclo de
absorción
El ciclo de refrigeración por absorción se basa en el principio de conden-
sación y evaporación de un refrigerante para la producción de fŕıo. El ciclo
de absorción, al igual que el de compresión mecánica, se puede representar
como la unión de una máquina térmica de Carnot y una máquina inversa
de Carnot. Es decir, desde el punto de vista termodinámico básico no hay
diferencia entre el ciclo de absorción y el convencional. En la figura 2.4 se
muestra el ciclo termodinámico básico de producción de fŕıo.
Figura 2.4: Esquema termodinámico básico de producción de fŕıo [69].
35
2.3. Descripción del sistema de refrigeración por absorción
El principio de funcionamiento del esquema termodinámico de la figura
2.3 se describe a continuación: la máquina térmica absorbe enerǵıa caloŕıfica
(Qge) de un foco caliente a temperatura Tge. Parte de la enerǵıa se transfor-
ma en trabajo mecánico (Wneto) y el resto de la enerǵıa caloŕıfica (Qab) se
transporta hasta el foco fŕıo que se encuentra a una temperatura Tab. Por
su parte, la máquina inversa de Carnot absorbe el trabajo mecánico (Wneto)
obtenido por la máquina térmica. De esta manera se logra pasar enerǵıa ca-
loŕıfica (Qev) de un foco fŕıo a temperatura Tev hasta un foco más caliente a
temperatura Tco, tal como se explicó en la figura 2.1.
El coeficiente de operación del sistema de absorción está definido