Tesis Hugo Zuniga A00818193

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY 
CAMPUS MONTERREY 
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS 
 
 
 
 
MODELACIÓN TERMODINÁMICA Y OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA DE UN 
CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DIFUSIÓN 
 
TESIS PRESENTADA POR 
HUGO FRANCISCO ZÚÑIGA PUEBLA 
 
SOMETIDA A LA 
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS 
COMO UN REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS 
 CON ESPECIALIDAD 
EN INGENIERÍA ENERGÉTICA 
 
MONTERREY, N.L. MAYO DE 2017
 
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY 
CAMPUS MONTERREY 
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS 
 
 
MODELACIÓN TERMODINÁMICA Y OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA DE UN CICLO 
DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DIFUSIÓN 
 
 
TESIS PRESENTADA POR 
HUGO FRANCISCO ZÚÑIGA PUEBLA 
 
 
SOMETIDA A LA 
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS 
COMO UN REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS 
 CON ESPECIALIDAD 
EN INGENIERÍA ENERGÉTICA 
 
 
MONTERREY, N.L. MAYO DE 2017
II 
 
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY 
CAMPUS MONTERREY 
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS 
Los miembros del comité aquí citados certificamos que hemos leído la tesis presentada por 
Hugo Francisco Zúñiga Puebla y consideramos que es adecuada en alcance y calidad como un 
requisito parcial para obtener el grado de Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería 
Energética. 
 
_____________________________ 
Dr. Alejandro Javier García Cuellar 
Tecnológico de Monterrey 
Asesor principal 
 
 
 
_____________________________ 
Dr. Carlos Iván Rivera Solorio 
Tecnológico de Monterrey 
Miembro del comité 
 
 
_____________________________ 
Dr. José Luis López Salinas 
Tecnológico de Monterrey 
Miembro del comité 
 
____________________________ 
Dr. Rubén Morales Menéndez 
Director Nacional de Posgrado 
Escuela de Ingeniería y Ciencias 
 
Monterrey, N.L., 15 de mayo de 2017 
III 
 
 
Aclaración de autoría 
 
Yo, Hugo Francisco Zúñiga Puebla, declaro que esta tesis titulada, Modelación 
Termodinámica y Optimización Energética de un Ciclo de Refrigeración por Absorción 
Difusión y el trabajo que se presenta en ella es de mi autoría. Adicionalmente, confirmo que: 
• Realice este trabajo en su totalidad durante mis estudios en el programa de maestría. 
• He dado crédito a cualquier parte de esta tesis que haya sido previamente sometida 
para obtener un grado académico o cualquier otro tipo de titulación en esta o cualquier 
otra universidad. 
• He dado crédito a cualquier trabajo previamente publicado que se haya consultado en 
esta tesis. 
• He citado el trabajo consultado de otros autores, y la fuente de donde los obtuve. 
• He dado crédito a todas las fuentes de ayuda utilizadas. 
• He dado crédito a las contribuciones de mis coautores, cuando los resultados 
corresponden a un trabajo colaborativo. 
• Esta tesis es enteramente mía, con excepción de las citas indicadas. 
 
 
 
____________________________
Hugo Francisco Zúñiga Puebla 
 
Monterrey, N.L., 15 de mayo de 2017 
 
 
 
@2017 por Hugo Francisco Zúñiga Puebla 
Todos los derechos reservados 
IV 
 
Dedicatoria 
Quiero dedicar el esfuerzo invertido en este trabajo a: 
• Dios quien me ha bendecido en cada momento de mi vida. 
• Mi amiga, novia, compañera de aventuras y esposa Evelyn Catalina (pajarita) quien es, 
esa personita incondicional que siempre está a mi lado para hacerme la vida más fácil 
y me apoya incondicionalmente. 
• Mis padres Juan Carlos y Amparito quienes siempre me guían y a quien debo 
muchísimo porque gracias a ellos soy lo que soy ahora. 
• Mis angelitas Tati y Mimi que siempre nos ayudan y buscan lo mejor para nosotros. 
• Mis hermanitas que siempre están ahí apoyándonos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
V 
 
Reconocimientos 
Quiero agradecer principalmente a Dios porque me ha llenado de bendiciones, me ha 
acompañado en cada momento de mi vida y me ha permitido vivir muchas experiencias a lo 
largo de los años, además me gustaría expresar mi agradecimiento a: 
• Senescyt-Ecuador (Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia y Tecnología) 
que mediante una beca a cubierto en su totalidad los gastos de colegiatura, 
manutención, seguros de salud, materiales de estudio y pasajes aéreos necesarios para 
estudiar esta maestría. 
• Evelyn Catalina quien siempre ha estado apoyándome y siendo una verdadera amiga y 
compañera en cada momento de mi vida. 
• Mis padres, mi tía y mi abuelita quienes han sido el pilar fundamental en mi vida ya 
que siempre nos apoyan, nos ayudan y nos guían. 
• Mis hermanitas quienes siempre se preocupan por nosotros y siempre están ahí para 
ayudarnos. 
• Dr. Alejandro García quien con su sabiduría y conocimientos me han guiado en el 
desarrollo de la tesis y a lo largo de la maestría. 
• Dr. Carlos Rivera y al Dr. José Luis López quienes nos han enseñado muchas cosas en 
los cursos de la maestría y también han colaborado en el desarrollo de esta tesis. 
• Dr. Osvaldo Micheloud quién nos apoyó en el proceso de ingreso a la maestría y 
durante la misma, así como a los profesores de la maestría MIE por los conocimientos 
impartidos. 
• Miguel Ortega y Maggy quienes han sido excelentes guías tanto en la parte académica 
como personal. 
• Mi tía Albita y Cesitar quienes nos han apoyado incondicionalmente. 
• Patricio, Catalina y Paty quienes siempre han estado pendientes de mí y me han 
apoyado. 
• Toda la familia Zúñiga Yánez y familia Molina Puebla quienes siempre han tenido 
palabras de aliento en cada paso de mi vida. 
 
I would like to express my deepest gratitude to all those who have been side by side with me, 
along the long, but also short 
 
 
 
 
VI 
 
MODELACIÓN TERMODINÁMICA Y OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA DE UN CICLO DE 
REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DIFUSIÓN 
Presentada por: 
HUGO FRANCISCO ZÚÑIGA PUEBLA 
Resumen 
 
 
En el presente proyecto de investigación se desarrolló un modelo termodinámico del ciclo de 
refrigeración por absorción difusión (DAR) basado en la patente de Von Platen y Munters (US Patent 
1,868,425, [1928]). El desarrollo tecnológico de este ciclo de refrigeración y sus componentes ocurrió de 
forma empírica. La patente mencionada se utiliza en el diseño de los refrigeradores que operan siguiendo 
este ciclo termodinámico. El cual no ha variado su diseño significativamente desde entonces. 
 
Se realizó un análisis termodinámico considerando conceptos de equilibro de fases entre agua, 
amoniaco y gas inerte / no condensable. Este equilibrio se presenta en algunos componentes del 
refrigerador para aportar mayor certeza respecto a los valores teóricos de variables (por ejemplo: 
composiciones) que podrían calcularse para condiciones de operación cambiantes. 
 
 Los datos de entrada para el modelo son: la presión del sistema, flujo de calor en el generador, las 
temperaturas en varios componentes (generador, rectificador, evaporador y absorbedor), eficiencia de los 
intercambiadores de calor y cambio de temperatura por sub enfriamiento en el condensador. Las variables 
calculadas con la herramienta desarrollada en Engineering Equation Solver (EES) son: flujos de calor 
ganado o cedido en los componentes, el COP del sistema, la relación de circulación y las variables 
principales en cada uno de los estados del ciclo termodinámico (temperatura, flujo másico/molar, 
concentración de amoniaco/agua/hidrógeno en base másica y molar, etc.). 
 
Un refrigerador DAR fue adquirido, instalado e instrumentado con termopares para conocer la 
temperatura en las tuberías de cada componente. Adicionalmente, se midió la potencia eléctrica 
consumida. Una parte de la información experimental se utilizó para guiar la selección de rangos de las 
variables de entrada al modelo y otros datos han servido para validar los resultados obtenidos con el 
modelo termodinámico desarrollado.Paralelamente, se realizó un análisis de transferencia de calor para 
calcular el flujo de calor intercambiado hacia/desde el ambiente de los componentes del refrigerador DAR 
y para determinar la temperatura experimental de los fluidos a partir de la temperatura superficial. 
 
La validación del modelo termodinámico desarrollado se llevó a cabo de dos formas. La primera, 
por medio de comparaciones con las variables calculadas por transferencia de calor a partir de los datos 
medidos en el refrigerador DAR. Se observó una alta concordancia tanto cuantitativa como cualitativa en 
los resultados del modelo. En la segunda validación se comparó los resultados de modelos con 
información publicada en la literatura científica abierta. La comparación, por ejemplo, a un mismo valor 
de presión, arroja resultados que guardan una alta correspondencia, sin necesidad del ajuste posterior del 
modelo, aun cuando, se permite variar la presión dentro de un rango significativo. 
 
Se llevó a cabo un análisis de sensibilidad de las diferentes condiciones de operación del equipo para 
analizar la factibilidad de utilizar fuentes de energía de baja temperatura como el calor de desecho de 
otros procesos o energía solar. Como resultado de este análisis se encontró condiciones óptimas de 
funcionamiento del ciclo bajo diferentes condiciones de operación. Por ejemplo, en la gráfica de COP vs. 
Temperatura del generador se observan los puntos de desempeño máximos para cada presión del sistema. 
 
 
 
 
VII 
 
Contenido 
Resumen................................................................................................................................................. VI 
Índice de figuras .......................................................................................................................................X 
Índice de tablas ..................................................................................................................................... XII 
1. Introducción ........................................................................................................................................ 1 
1.1. Planteamiento del problema ................................................................................................................... 2 
1.2. Objetivo general ..................................................................................................................................... 3 
1.3. Objetivos específicos .............................................................................................................................. 4 
1.4. Justificación ............................................................................................................................................ 4 
1.5. Metodología ............................................................................................................................................ 4 
2. Marco Teórico .................................................................................................................................... 6 
2.1. Conceptos básicos de ciclos de refrigeración ......................................................................................... 6 
2.1.1. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor ............................................................................ 6 
2.1.2. Ciclo de refrigeración por absorción .............................................................................................. 7 
2.1.3. Ciclo de refrigeración por absorción difusión (DAR) .................................................................... 8 
2.1.4. Coeficiente de desempeño de un ciclo de refrigeración ............................................................... 10 
2.2. Conceptos termodinámicos ................................................................................................................... 10 
2.2.1. Ley de conservación de la materia ............................................................................................... 11 
2.2.2. Ley de conservación de la energía ............................................................................................... 11 
2.3. Comportamiento de mezclas binarias ................................................................................................... 11 
2.3.1. Propiedades termodinámicas de una mezcla de gases ................................................................. 12 
2.3.2. Viscosidad de una mezcla de gases.............................................................................................. 13 
2.3.3. Conductividad térmica de una mezcla de gases ........................................................................... 13 
2.3.4. Calor específico a presión constante para mezclas y soluciones .................................................. 14 
2.3.5. Equilibrio de fases ....................................................................................................................... 14 
2.3.6. Determinación de los coeficientes de actividad ........................................................................... 15 
2.3.7. Solubilidad y Constante de Henry ............................................................................................... 16 
2.3.8. Constante de Henry para un componente en una mezcla gaseosa ............................................... 17 
2.4. Conceptos generales de transferencia de calor ..................................................................................... 17 
2.4.1. Transferencia de calor por conducción ........................................................................................ 17 
2.4.2. Transferencia de calor por convección ........................................................................................ 18 
2.4.3. Transferencia de calor por radiación ............................................................................................ 19 
2.4.4. Analogía de resistencias en transferencia de calor ....................................................................... 19 
2.4.5. Coeficiente global de transferencia de calor ................................................................................ 21 
2.4.6. Superficies extendidas ................................................................................................................. 21 
2.4.7. Efectividad de un intercambiador de calor................................................................................... 22 
2.5. Trabajos de investigación relacionados ................................................................................................ 23 
3. Modelo termodinámico del ciclo DAR ............................................................................................. 26 
3.1. Cálculo de propiedades en el EES ........................................................................................................ 27 
VIII 
 
3.1.1. Propiedades en base másica y base molar .................................................................................... 28 
3.2. Aplicación de equilibrio de fases en el modelo .................................................................................... 28 
3.2.1. Equilibrio de fases con la rutina NH3H2O del EES ...................................................................... 28 
3.2.2. Equilibrio de fases considerando NH3, H2O y gas inerte ............................................................. 29 
3.2.3. Modelo de coeficiente de actividad ............................................................................................. 30 
3.2.4. Determinación de la constante de Henry ..................................................................................... 32 
3.3. Absorbedor ........................................................................................................................................... 34 
3.4. Generador y bomba de burbujas ...........................................................................................................36 
3.5. Rectificador .......................................................................................................................................... 37 
3.6. Condensador ......................................................................................................................................... 38 
3.7. Evaporador ........................................................................................................................................... 39 
3.8. Intercambiador de calor de la solución (SHX) ..................................................................................... 40 
3.9. Intercambiador de calor de gas (GHX) ................................................................................................. 41 
3.10. Cámaras de mezclado (mix) y de separación (flash).................................................................... 43 
4. Análisis de transferencia de calor en el ciclo DAR .......................................................................... 45 
4.1. Convección natural ............................................................................................................................... 45 
4.1.1. Convección natural en un cilindro horizontal .............................................................................. 45 
4.1.2. Convección natural de un cilindro vertical .................................................................................. 46 
4.1.3. Convección natural en un tubo con aletas rectangulares .............................................................. 47 
4.2. Análisis de convección en flujo interno ................................................................................................ 48 
4.2.1. Flujo interno en una tubería con el fluido sin cambio de fase ...................................................... 49 
4.2.2. Flujo interno en una tubería con el fluido en proceso de condensación ....................................... 50 
4.2.3. Flujo interno en la parte anular de dos tubos concéntricos .......................................................... 52 
4.3. Flujo de calor en los diferentes componentes del refrigerador ............................................................. 53 
4.3.1. Flujo de calor en tuberías horizontales y verticales ..................................................................... 53 
4.3.2. Flujo de calor en el condensador (tubo con aletas rectangulares) ................................................ 53 
4.4. Cálculo de la temperatura interior del fluido ........................................................................................ 55 
5. Análisis experimental y validación del modelo ................................................................................ 58 
5.1. Equipo experimental ............................................................................................................................. 58 
5.2. Instrumentación del equipo .................................................................................................................. 59 
5.2.1. Instalación de los termopares ....................................................................................................... 59 
5.2.2. Ubicación de termopares en el refrigerador ................................................................................. 61 
5.2.3. Equipos de adquisición de datos .................................................................................................. 63 
5.3. Validación del modelo con datos experimentales ................................................................................. 63 
5.3.1. Selección de los datos para comparar con el modelo ................................................................... 65 
5.3.2. Datos de entrada al modelo para validación experimental ........................................................... 68 
5.3.3. Temperatura del fluido en cada punto equipo experimental ........................................................ 70 
5.3.4. Flujo de calor experimental en los componentes ......................................................................... 71 
5.3.5. Resultados obtenidos en el modelo para validación experimental ............................................... 72 
5.3.6. Comparación de los resultados experimentales y del modelo ...................................................... 73 
IX 
 
5.4. Análisis de datos experimentales .......................................................................................................... 75 
5.4.1. Análisis de resultados para diferentes posiciones del termostato ................................................. 75 
5.4.2. Análisis de resultados con diferentes temperaturas ambientales .................................................. 77 
6. Resultados del modelo ...................................................................................................................... 79 
6.1. Comparación del modelo con otros investigadores .............................................................................. 79 
6.1.1. Comparación del modelo con (Zohar et al., 2005) ....................................................................... 79 
6.1.2. Comparación del modelo con (Taieb et al., 2016) ....................................................................... 83 
6.2. Análisis de sensibilidad en el modelo ................................................................................................... 85 
6.2.1. Temperatura del generador y presión del sistema ........................................................................ 85 
6.2.2. Concentración de la solución fuerte ............................................................................................. 88 
6.2.3. Temperatura de salida del rectificador ......................................................................................... 90 
6.2.4. Temperatura en el condensador y subenfriamiento...................................................................... 91 
6.2.5. Temperatura del evaporador ........................................................................................................ 92 
6.2.6. Temperatura del absorbedor ........................................................................................................ 93 
6.2.7. Efectividad del SHX .................................................................................................................... 94 
6.2.8. Caída de temperatura de la solución débil entre generador y SHX .............................................. 95 
6.2.9. Efectividad del GHX ................................................................................................................... 96 
7. Conclusiones y trabajo futuro ........................................................................................................... 98 
7.1. Conclusiones......................................................................................................................................... 98 
7.2. Trabajo futuro ..................................................................................................................................... 100 
Apéndice A. Subíndices, abreviaciones y/o acrónimos ....................................................................... 101 
Apéndice B. Nomenclatura, letras griegas y símbolos ........................................................................ 102 
Referencias........................................................................................................................................... 104 
Curriculum Vitae ................................................................................................................................. 107 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
X 
 
Índice de figuras 
Figura 2.1. Esquema general y diagrama P-h del ciclo de refrigeración por compresión de vapor. .......................................... 6 
Figura 2.2. Ciclode refrigeración por absorción. (Çengel, Yunus A. , Boles, 2012) .................................................................. 7 
Figura 2.3. Esquema general del ciclo de refrigeración por absorción difusión (DAR) ............................................................. 9 
Figura 2.4. Fracción molar de una mezcla binaria (A-B) vs temperatura a presión constante. ............................................... 12 
Figura 2.5. Diagrama de flujo del cálculo de la constante de Henry en kPa a partir de solubilidad ....................................... 16 
Figura 2.6. Tubería de fluido caliente en donde se plantea resistencias de transferencia de calor .......................................... 20 
Figura 2.7. Resistencias de transferencia de calor de la tubería .............................................................................................. 20 
Figura 3.1. Esquema de los componentes del modelo del ciclo DAR ........................................................................................ 26 
Figura 3.2. Equilibrio de fases en el Generador ....................................................................................................................... 28 
Figura 3.3. Equilibrio de fases en el Absorbedor 1 ................................................................................................................... 29 
Figura 3.4. P-x-y a 313.15 K Amoniaco Agua con EES, modelo NRT y datos (Guilllespie et al., 1987) .................................. 31 
Figura 3.5. P-x-y a 353.15 y 394.25 K Amoniaco Agua con EES, modelo NRT y datos (Guilllespie et al., 1987) .................... 32 
Figura 3.6. Esquema del absorbedor ........................................................................................................................................ 35 
Figura 3.7. Esquema del generador .......................................................................................................................................... 36 
Figura 3.8. Esquema del rectificador ........................................................................................................................................ 37 
Figura 3.9. Esquema del condensador ...................................................................................................................................... 39 
Figura 3.10. Esquema del evaporador ...................................................................................................................................... 39 
Figura 3.11. Esquema del Intercambiador de calor de la solución ........................................................................................... 40 
Figura 3.12. Esquema del Intercambiador de calor de gas ....................................................................................................... 42 
Figura 3.13. Esquema de las cámaras de separación y de mezclado ........................................................................................ 43 
Figura 4.1. Características del tubo aleteado (Longitud del tubo, ancho de la aleta) .............................................................. 48 
Figura 4.2. Características del tubo aleteado (Separación entre aleta, espesor de la aleta) .................................................... 48 
Figura 4.3. Flujo interno en la parte anular de dos tubos concéntricos ................................................................................... 52 
Figura 4.4. Cálculo del flujo de calor en una tubería vertical u horizontal .............................................................................. 53 
Figura 4.5. Eficiencia de aletas circulares en un tubo (Incropera, 2007) ................................................................................. 54 
Figura 4.6. Algoritmo de cálculo de la temperatura interna del fluido ..................................................................................... 56 
Figura 5.1. Refrigerador Dometic RGE-400 (Dometic, 2014) .................................................................................................. 59 
Figura 5.2. Termopares instalados en el refrigerador .............................................................................................................. 60 
Figura 5.3. Termopar instalado (A) comparado con termopar de superficie Omega (B) ......................................................... 60 
Figura 5.4. Comparación termopar instalado A y termopar de superficie ................................................................................ 61 
Figura 5.5. Ubicación de los termopares en el refrigerador DAR ............................................................................................ 62 
Figura 5.6. Tarjetas de adquisición de datos OMEGA y equipo Fluke 43B .............................................................................. 63 
Figura 5.7. Procedimiento de validación experimental ............................................................................................................. 64 
Figura 5.8. Temperatura de ambientes refrigerados y potencia (20 de enero 2017) ................................................................ 65 
Figura 5.9. Temperatura en el absorbedor y temperatura ambiente (20 de enero 2017) .......................................................... 66 
XI 
 
Figura 5.10. Temperatura en el condensador y ambiente (20 de enero 2017) .......................................................................... 66 
Figura 5.11. Temperatura de ambientes refrigerados y potencia (2do ciclo 20 de enero 2017) ............................................... 67 
Figura 5.12. Temperatura en el absorbedor y temperatura ambiente (2do ciclo 20 de enero 2017) ........................................ 67 
Figura 5.13. Temperatura en el condensador y temperatura ambiente (2do ciclo 20 de enero 2017) ...................................... 68 
Figura 5.14. T. Ambientes refrigerados y Potencia (Termostato en 3 y 5) ................................................................................ 76 
Figura 5.15. Temperatura del absorbedor, del condensador y ambiente (Termostato en 3 y 5) ............................................... 77 
Figura 5.16. Temperatura a la salida del generador con T_amb=20°C y T_amb=28°C ......................................................... 77 
Figura 5.17. Temperatura de los ambientes refrigerados (T_amb=20°C y T_amb=28°C) ...................................................... 78 
Figura 5.18. Temperatura del absorbedor, del condensador y ambiente (T_amb=20°C y T_amb=28°C) ............................... 78 
Figura 6.1. COP vs Tgen & x_solfuerte ( Tevap=-5°C y sol débil 0.1), a) (Zohar et al., 2005); b)Modelo propio .................. 80 
Figura 6.2. COP vs Tgen, x_sol_débil ( Tevap=-5°C y sol fuerte 0.3), a)(Zohar et al., 2005); b)Modelo propio ................... 81 
Figura 6.3. COP vs Tgen, T_evap ( sol débil 0.1 y sol fuerte 0.3), a)(Zohar et al., 2005); b)Modelo propio .......................... 82 
Figura 6.4. f vs. x_sol_fuerte (T_gen=200°C y T_evap=-5°C), a)(Zohar et al., 2005); b)Modelo propio ............................... 82 
Figura 6.5. COP vs Temperatura del generador para varios valores de presión del sistema ................................................... 85 
Figura 6.6. f vs Temperatura del generador para varios valores de presión del sistema .......................................................... 86 
Figura 6.7. Flujo de calor en varios componentes vs. T_gen. a). P_sys=25 bar; b). P_sys=20 bar ........................................ 86 
Figura 6.8. COP vs T_gen para diferentes valores de temperatura en el evaporador .............................................................. 87 
Figura 6.9. Concentración de NH3 en las salidas del generador vs. T_gen para diferentes valores de P_sys .......................... 88 
Figura 6.10. COP vs T_gen para diferentes valores de concentración de solución fuerte ........................................................88 
Figura 6.11. Flujo másico de refrigerante solución fuerte vs. T_gen para diferentes valores de concentración ...................... 89 
Figura 6.12. Flujo de calor, COP vs. Concentración solución fuerte. a). T_gen=170°C; b). T_gen=200°C ........................... 89 
Figura 6.13. Flujo y fracción másica vs. Concentración solución fuerte. a). T_gen=170°C; b). T_gen=200°C ...................... 90 
Figura 6.14. Fracción. másica de NH3 y Flujo de calor en el rectificador Vs. Temperatura del rectificador .......................... 90 
Figura 6.15. Temperatura de condensación y Flujo de calor condensador vs. Presión del sistema ......................................... 91 
Figura 6.16. COP y Flujo de calor evaporador vs. Grados de subenfriamiento en condensador ............................................. 92 
Figura 6.17. Presión parcial NH3, COP y Flujo de calor evaporador vs. Temperatura del evaporador .................................. 92 
Figura 6.18. Flujo másico y fracción molar de gas inerte vs. Temperatura del evaporador .................................................... 93 
Figura 6.19. Flujo de calor en absorbedor, evaporador y COP vs. Temperatura del absorbedor ............................................ 93 
Figura 6.20. Flujos másicos y fracción molar de H2 vs. Temperatura del absorbedor ............................................................. 94 
Figura 6.21. COP y flujo de calor recuperado vs. Efectividad del SHX .................................................................................... 95 
Figura 6.22. T1, T6, T7 y T18 vs. Efectividad del SHX ................................................................................................................. 95 
Figura 6.23. COP, flujo másico solución fuerte vs. Caída temperatura solución débil a la salida del generador .................... 96 
Figura 6.24. T1 y T7 vs. Delta T Solución débil a la salida del generador ................................................................................ 96 
Figura 6.25. COP y flujo de calor recuperado vs. Efectividad del GHX ................................................................................... 97 
Figura 6.26. T11, T12, T15 y T17 vs. Efectividad del GHX ............................................................................................................ 97 
XII 
 
Índice de tablas 
 
Tabla 3.1. Parámetro para el modelo NRTL(Carrasco K., 2012) ............................................................................................. 31 
Tabla 3.2. Solubilidad hidrógeno en agua a 25 atm (Wiebe & Gaddy, 1934) y correlación ..................................................... 33 
Tabla 3.3. Solubilidad hidrógeno en amoniaco a 25 atm (Wiebe & Themearne, 1934) y correlación ...................................... 34 
Tabla 4.1. Casos de aplicación para cálculo de temperatura del fluido ................................................................................... 56 
Tabla 5.1. Datos técnicos refrigerador RGE-400 (Dometic, 2014) ........................................................................................... 58 
Tabla 5.2. Comparación termopar instalado A y termopar de superficie.................................................................................. 60 
Tabla 5.3. Descripción de los termopares utilizados en el refrigerador ................................................................................... 61 
Tabla 5.4. Datos tomados 20 de enero 2017 a las 12h00 .......................................................................................................... 68 
Tabla 5.5. Inferencia de las variables de entrada al modelo ..................................................................................................... 69 
Tabla 5.6. Datos de entrada al modelo para la validación experimental .................................................................................. 70 
Tabla 5.7. Temperatura del fluido en cada punto del equipo experimental ............................................................................... 70 
Tabla 5.8. Flujo de calor experimental rechazado en el condensador ...................................................................................... 71 
Tabla 5.9. Flujo de calor experimental rectificador, absorbedor y SHX ................................................................................... 71 
Tabla 5.10. P, T, flujo másico y composición de amoniaco obtenidos de EES para validación experimental .......................... 73 
Tabla 5.11. Flujos de calor y variables importantes obtenidos de EES para validación experimental ..................................... 73 
Tabla 5.12. Comparación de las temperaturas del fluido experimentales con las temperaturas del modelo ............................ 74 
Tabla 5.13. Comparación de flujos de calor experimentales y obtenidos del modelo ............................................................... 74 
Tabla 6.1. Suposiciones y datos de entrada para comparar el modelo con Zohar, 2005 .......................................................... 79 
Tabla 6.2. Suposiciones y datos de entrada para comparar el modelo con Taieb, 2016 ........................................................... 83 
Tabla 6.3. Comparación de resultados de Taieb, 2016 con modelo propio .............................................................................. 84 
 
 
 
 
 
 
 
1 
 
 
1. Introducción 
 
Los sistemas de refrigeración son muy importantes en la vida diaria e incluso se 
podría llegar a decir que son imprescindibles, pero estos equipos consumen una gran 
cantidad de electricidad por lo que es muy importante investigar para conseguir mejoras en 
este tipo de sistemas. 
 Al revisar fuentes bibliográficas reconocidas como (ASHRAE, 2014) y (Çengel, 
Yunus A. , Boles, 2012), se puede obtener información acerca de los ciclos de refrigeración 
termodinámicos más comunes como son el ciclo de refrigeración por compresión de vapor 
que utiliza energía eléctrica como fuente primaria en un compresor y el ciclo de 
refrigeración por absorción, que usa calor en el generador como energía de entrada y 
energía eléctrica en una bomba. Otro sistema del cual se encuentra información únicamente 
en patentes y artículos científicos es el ciclo de refrigeración por absorción difusión que fue 
inventado en la patente de (Von Platen, B.C., Munters, 1928) y es un sistema que no se 
utiliza bombas ni compresores en el ciclo y la fuente de energía de entrada únicamente es el 
calor en el generador. 
 
Los equipos comerciales que operan con el ciclo de refrigeración por absorción 
difusión (DAR), aún son fabricados en base a la patente de Von Platen de 1928, por lo que 
es una gran área de oportunidad para lograr mejoras sobre este sistema con el fin de 
utilizarlo en diferentes aplicaciones y de una forma óptima. Para esto el primer paso es 
desarrollar un modelo termodinámico que considere todas las variables presentes del 
funcionamiento con el fin de proponer variaciones al mismo para buscar condiciones 
adecuadas de funcionamiento a partir de sus parámetros de operación. 
 
Varios investigadores (Starace & De Pascalis, 2012; Zohar, Jelinek, Levy, & Borde, 
2005) han trabajado específicamente sobre modelos matemáticos y termodinámicos sobre el 
ciclo en mención, los cuales son puntos de partida, pero dichos modelos suponen varias 
idealidades en los procesos (por ejemplo se desprecia la presencia de agua en el evaporador) 
y también se dan como datos de entrada variables que no corresponden a las condiciones de 
operación (presión de trabajo, temperatura del ambiente refrigeradora, temperatura del 
medio al que se rechaza el calor y temperatura de la fuente de calor) por lo que existen áreas 
de oportunidad para mejorar los modelos desarrollados. Se consideró que un modelo 
termodinámico completo considerando equilibrio de fases en los diferentes componentes 
permitirá analizar el funcionamientodel ciclo variando las diferentes condiciones de 
operación y se encontrará los puntos óptimos de funcionamiento, así como las diferentes 
áreas de oportunidad para mejorar el sistema. 
 
Los equipos comerciales que hasta la fecha se han desarrollado con este sistema son 
muy costosos (por ejemplo, el refrigerador de 224 litros cuesta $1350 USD) debido a la 
falta de conocimiento de la tecnología y las condiciones de fabricación. Disponer de un 
modelo matemático adecuado que tenga la capacidad de analizar las condiciones de 
operación para la optimización del ciclo DAR permitirá obtener equipos más económicos. 
Esto haría posible su utilización en poblaciones de bajos recursos económicos que no 
cuentan con energía eléctrica con el fin de mejorar su calidad de vida. Adicionalmente, 
mediante el modelo desarrollado sería factible repotenciar el ciclo DAR para disminuir el 
consumo de energía eléctrica que se utiliza en refrigeración y aire acondicionado utilizando 
 
 
2 
 
 
energías limpias o energía que se desecha en otros sistemas como fuente de energía para 
este sistema; por lo expuesto anteriormente es posible obtener beneficios sociales y 
colaborar en el desarrollo de tecnologías sustentables a través de este proyecto de 
investigación. 
 
En el presente proyecto, se plantea mejorar los modelos obtenidos por otros autores 
(por ejemplo (Zohar et al., 2005) y (Starace & De Pascalis, 2012)), en primer lugar, se 
utilizó como variables de entrada las condiciones de operación del equipo y posteriormente 
analizando los diferentes procesos en cada uno de los componentes desde un punto de vista 
de conservación de masa y energía considerando también el equilibrio de fases presente en 
ciertos componentes del ciclo DAR. Los componentes vitales donde se tienen dos sustancias 
diferentes, se considerará que cierta temperatura y cierta presión, el equilibrio en vapor o 
líquido se cumplirá con fracciones másicas específicas, aunque también se conservarán 
ciertas idealidades en el proceso con el fin de tener un modelo que se puede resolver y 
entender fácilmente. 
 
El modelo obtenido en el presente proyecto se ha utilizado para analizar las 
condiciones de operación para analiza la factibilidad de utilizar fuentes de calor de baja 
temperatura en el ciclo, de esta manera por ejemplo se ha analizado la factibilidad de 
utilizar energía solar o calor residual de otros procesos como fuente de entrada del presente 
ciclo. Además, con el mismo se ha realizado un análisis de sensibilidad con el fin de 
conocer los puntos óptimos de funcionamiento para ciertas condiciones, además también 
con el modelo se ha investigado el dimensionamiento adecuado de los diferentes 
componentes. 
 
1.1. Planteamiento del problema 
El ámbito de la refrigeración es muy amplio y su utilización es de vital importancia en 
la vida del hombre, pero en un alto porcentaje los equipos de refrigeración y aire 
acondicionado utilizan los sistemas de compresión de vapor que usan electricidad y el ciclo 
de refrigeración por absorción alimentado por energía eléctrica y combustible. 
Considerando el impacto ambiental y la demanda de energía eléctrica, es muy importante 
buscar alternativas para conseguir equipos que no consuman energía eléctrica y que usen 
como fuente de calor diferentes energías limpias como la energía solar o el calor de desecho 
de otros procesos. Aquí aparece una gran área de oportunidad para el ciclo de refrigeración 
por absorción difusión. 
 
En la patente (Von Platen, B.C., Munters, 1928), se inventó el ciclo de refrigeración 
por absorción difusión, la cual es utilizada hasta ahora como base para la fabricación de 
equipos comerciales bajo este ciclo y sus aplicaciones son aún bastante limitadas ya que se 
usan para aplicaciones específicas que son muy costosas (lugares lejanos donde no se cuenta 
con energía eléctrica o transporte de vacunas) y además de esto los equipos comerciales 
utilizan como fuente de energía electricidad o procesos de combustión. Por estas razones es 
de vital importancia investigar sobre este ciclo termodinámico con el fin de encontrar 
diferentes alternativas, generando un modelo matemático con el cuál se explique su 
comportamiento. 
 
En los trabajos de investigación de (Zohar et al., 2005), (Starace & De Pascalis, 
 
 
3 
 
 
2012), (Taieb, Mejbri, & Bellagi, 2016) y otros, se generaron modelos del ciclo DAR para 
mejorar sus características y optimizar los diferentes parámetros en su funcionamiento, se 
han encontrado algunas limitaciones, por ejemplo no se basan totalmente en conceptos 
termodinámicos, tienen un alto número de suposiciones e idealidades y además en algunos 
de ellos con el fin de tener exactitud en los resultados se dan como datos de entrada ciertas 
variables que no corresponden a las condiciones de operación del sistema que deberían ser 
un resultado del modelo. 
 
En algunas investigaciones importantes como (Bourseau, P., Mora, J.C., Bugarel, 
1987; Gutiérrez, 1988; Jakob, Eicker, Schneider, Taki, & Cook, 2008; Keizer, 1979) se 
utilizaron equipos comerciales para analizar los parámetros y rangos de operación del ciclo 
DAR, otras investigaciones como (Chen, J., Kim, K.J., Herold, 1996; Kouremenos, D.A., 
Stegou-Sagia, 1988; Maiya, 2003; Reistad, 1958; Srikhirin, P., Aphornratana, 2002) han 
realizado cálculos numéricos y gráficos sobre el comportamiento del ciclo con diferentes 
sustancias de trabajo. 
 
También se tienen en particular investigaciones que se enfocan en obtener modelos 
para el ciclo DAR, por ejemplo en el artículo (Zohar et al., 2005) propusieron un método 
numérico para el análisis del ciclo de refrigeración por absorción difusión, pero se utiliza 
balances de energía y de materia para analizar cada uno de los componentes, además 
realizan varias suposiciones con el fin de obtener un modelo sencillo utilizando como datos 
de entrada ciertos parámetros que podrían ser resultado del modelo como la fracción de 
amoniaco en las soluciones. Posteriormente se tiene una contribución de (Starace & De 
Pascalis, 2012) donde se considera que la separación del amoniaco y agua no es un proceso 
perfecto antes de ingresar al condensador en el ciclo, por lo cual no se tiene al amoniaco 
como refrigerante puro, en este modelo tampoco se utiliza a profundidad los conceptos de 
equilibrio de fases entre las sustancias. 
 
En conclusión, se consideró muy importante desarrollar un modelo que se incluya los 
cálculos de equilibrio de fases para determinar los datos de concentración de las corrientes 
en el generador, rectificador y absorbedor. Paralelamente se han establecido las ecuaciones 
para el dimensionamiento de los equipos de transferencia de calor. Finalmente, al utilizar 
los resultados del modelo termodinámico y de transferencia de calor se ha procedido a 
explorar escenarios de mejora y optimización, por ejemplo, se ha analizado los rangos de 
operación que permita la utilización de fuentes de energía de baja temperatura (energía 
solar, calor de desecho, etc.). 
 
1.2. Objetivo general 
El objetivo general del presente trabajo es generar un modelo termodinámico del ciclo 
de refrigeración por absorción difusión estudiando el equilibrio de fases en cada uno de los 
componentes y establecer las ecuaciones de transferencia de calor para el dimensionamiento 
de los intercambiadores de calor. En el modelo se debe utilizar como datos de entrada las 
condiciones de operación y debe permitir realizar un análisis de sensibilidad con el fin de 
analizar la factibilidad de utilizar como fuente energía de baja temperatura. 
 
 
4 
 
 
1.3. Objetivos específicos 
A partir del objetivo general se derivan los siguientes objetivos particulares del 
presente trabajo de investigación: 
 
• Modelar el ciclo DAR utilizando conceptos termodinámicos como el equilibrio de 
fases en cada uno de los componentes del ciclo y encadenarlos con elfin de tener 
un modelo del ciclo completo en el software EES (Engineering Equation Solver). 
• Calcular el flujo de calor en los diferentes componentes del refrigerador 
experimental con el fin de comparar estas variables con los resultados del modelo 
obtenido. 
• Validar el modelo obtenido en el presente proyecto de investigación mediante la 
comparación con un equipo comercial y con resultados reportados en la literatura. 
• Realizar la optimización energética mediante la variación de la presión de 
operación del ciclo conservando como restricciones las temperaturas de la fuente 
de calor y del ambiente que son obtenidas en función de las diferentes 
aplicaciones. 
 
1.4. Justificación 
Con el fin de analizar la factibilidad de utilizar calor de baja temperatura como fuente 
de energía en el ciclo de refrigeración por absorción difusión, se puede obtener un modelo 
termodinámico del ciclo analizando los diferentes conceptos termodinámicos y el equilibrio 
de fases entre las diferentes sustancias en cada uno de los componentes y encadenarlos para 
estudiar el ciclo completo, eliminando ciertas suposiciones realizadas por otros autores y 
utilizando como variables de entrada las condiciones de operación del sistema. 
 
1.5. Metodología 
 
El proyecto se desarrolló en varias etapas con el fin de cumplir los diferentes 
objetivos planteados y se describen a continuación: 
 
A. Revisión bibliográfica 
 
Se realizó una revisión bibliográfica de las diferentes investigaciones sobre esta 
problemática, es decir se han revisado los artículos científicos desarrollados sobre el 
tema, dando énfasis en los de mayor relación al modelo termodinámico como son los 
de (Zohar et al., 2005), (Starace & De Pascalis, 2012) y también los proyectos de tesis 
desarrollados en el ITESM (Guzmán M., 2007) y (Carrasco K., 2012). 
 
B. Análisis de los modelos desarrollados por otros autores 
 
Posteriormente a la revisión de la bibliografía, en la segunda etapa se comparó los 
diferentes modelos que han desarrollado otros autores para identificar las diferentes 
suposiciones que se tomaron como guía e identificar también las diferentes diferencias 
que se han planteado en el presente modelo matemático. 
 
C. Desarrollo del modelo termodinámico y de transferencia de calor 
 
 
5 
 
 
 
Se desarrolló el modelo termodinámico estudiando el equilibrio de fases, analizando 
cada uno de los componentes por separado y posteriormente se encadenó cada 
componente con el fin de lograr el modelo general del ciclo de refrigeración por 
difusión absorción. Para esto se utilizó el software EES (Engineering Equation 
Solver) y se ha realizado un análisis de transferencia de calor para establecer las 
ecuaciones de diseño de cada uno de los componentes. 
 
D. Validación del modelo 
 
Se validó el modelo obtenido con un refrigerador DOMETIC que funciona con el 
ciclo DAR. El equipo fue instrumentado con termopares y se ha tomado mediciones 
de las diferentes temperaturas superficiales en cada uno de los componentes, de esta 
manera se ha comparado los resultados obtenidos con el modelo respecto a las 
variables experimentales. Posteriormente se ha comparado los resultados obtenidos en 
el presente modelo matemático con los resultados que obtuvieron otros autores como 
(Zohar et al., 2005) y (Taieb et al., 2016). 
 
E. Optimización energética 
 
Con el modelo validado, se ha procedido a analizar las diferentes variables que 
intervienen en el ciclo de refrigeración con el objetivo de encontrar las condiciones 
óptimas de operaciones respecto a las diferentes variables y también se ha analizado la 
factibilidad de utilizar energía de baja temperatura como fuente de calor en el ciclo de 
refrigeración por absorción difusión. 
 
 
 
 
6 
 
 
2. Marco Teórico 
 
En el presente marco teórico, se presentarán tres secciones generales, en primer lugar, 
se revisará los conceptos fundamentales sobre los ciclos de refrigeración para dar una 
introducción general dando énfasis en el ciclo de refrigeración por absorción difusión. 
Posteriormente se analizarán los diferentes conceptos termodinámicos y de transferencia de 
calor que se utilizarán en el presente proyecto y finalmente se presentará una revisión de los 
trabajados desarrollados por los investigadores en el ciclo DAR. 
 
2.1. Conceptos básicos de ciclos de refrigeración 
Los ciclos de refrigeración, de acuerdo a (Çengel, Yunus A. , Boles, 2012), tienen 
como principal objetivo remover calor de un ambiente refrigerado. Para lograr este objetivo 
es necesario trabajar con un ciclo termodinámico. Los principales ciclos que se encuentran 
en la bibliografía son: el ciclo por compresión de vapor y el ciclo por absorción los mismos 
que se explicarán de manera general. 
En la patente (Von Platen, B.C., Munters, 1928), se propuso una variante al ciclo de 
absorción y se conoce como el ciclo de absorción difusión, el cual se estudiará a 
profundidad en el desarrollo del presente proyecto. 
2.1.1. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor 
 
Es el ciclo de refrigeración más sencillo y a la vez el más utilizado con diferentes 
variantes en el ámbito de la refrigeración, como se observa en la Figura 2.1, este ciclo se 
compone de 4 componentes principales que son el compresor, el condensador, la válvula de 
expansión y el evaporador. En cada uno de ellos se da una transformación termodinámica 
que se observa en el diagrama P-h. El sistema utiliza una sustancia como refrigerante que 
circula a través de cada componente y se tiene dos presiones de trabajo. El condensador 
trabaja a una presión alta, por lo que, la temperatura de saturación es mayor a la temperatura 
del medio condensante y el evaporador trabaja a presión baja, por lo que, la temperatura de 
saturación del refrigerante determinará la temperatura del ambiente refrigerado. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.1. Esquema general y diagrama P-h del ciclo de refrigeración por compresión de vapor. 
El principal objetivo del ciclo es absorber calor del espacio refrigerado lo que se 
realiza en el evaporador y para continuar con el ciclo se necesita alimentar con energía 
 
 
7 
 
 
eléctrica al compresor. Entonces desde el punto de vista energético se invierte energía 
eléctrica con el fin de remover calor. 
 
2.1.2. Ciclo de refrigeración por absorción 
 
Es una variante del ciclo de refrigeración por compresión de vapor en donde de igual 
manera, el refrigerante pasa por el condensador, válvula de expansión y evaporador, 
cumpliendo así la misma función que el ciclo explicado en la sección 2.1.1. Con el objetivo 
de disminuir la energía eléctrica consumida en el compresor, este se reemplaza por un 
“compresor térmico”, el cual tiene varios componentes, con el objetivo de disminuir el 
consumo de energía eléctrica en el compresor. Para este sistema se utiliza una sustancia 
auxiliar, es decir, además del refrigerante que puede ser por ejemplo el amoniaco NH3, se 
utiliza agua en el proceso como medio de transporte del refrigerante. Para subir la presión 
en estado líquido a través de una bomba (en lugar de hacerlo en un compresor), por lo tanto, 
la energía eléctrica requerida será menor, ya que se trabajará con una bomba en lugar de un 
compresor como se observa en la Figura 2.2. 
 
En la Figura 2.2, el “compresor térmico” está en el recuadro de la línea punteada y se 
observa que ingresa al absorbedor refrigerante en forma de vapor (NH3) a presión baja y del 
rectificador sale refrigerante NH3 puro a presión alta. Para cumplir este proceso los 
componentes que se requieren en esta parte son: absorbedor donde el amoniaco, en estado 
gaseoso a baja presión, se mezcla con la solución débil convirtiéndose en una solución 
fuerte que es bombeada hacia el generador donde se suministra calor a la solución fuerte a 
alta presión para separar el NH3 de la solución y enviarlo al condensador, mientras la 
solución débilresultante se estrangula en una válvula de expansión y retorna al absorbedor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.2. Ciclo de refrigeración por absorción. (Çengel, Yunus A. , Boles, 2012) 
Las principales diferencias de este ciclo respecto al ciclo por compresión de vapor 
son: 
• La presión de la solución fuerte (refrigerante y medio de transporte) sube en una bomba, 
 
 
8 
 
 
por lo tanto, la cantidad de potencia mecánica que se necesita es menor 
• La fuente de entrada de energía en el ciclo es calor en lugar de potencia mecánica en el 
compresor. 
 
A partir de este ciclo se puede explicar el ciclo de refrigeración por absorción 
difusión, en el cuál no se tendrá una bomba ni válvula de expansión, es decir todo el sistema 
trabajará a la misma presión. 
 
2.1.3. Ciclo de refrigeración por absorción difusión (DAR) 
 
La presente sección se realiza en base al artículo científico (Zohar et al., 2005), en 
donde se menciona que el ciclo de refrigeración por absorción difusión fue inventado en 
1928 por Von Platen que tiene la patente (Von Platen, B.C., Munters, 1928). Su 
funcionamiento es parcialmente similar al ciclo de refrigeración por absorción, pero la 
principal diferencia es que no se tiene elementos que varíen la presión total del sistema, por 
lo tanto, todo el sistema trabaja a una presión total. Para esto es necesario utilizar en el 
evaporador y absorbedor una tercera sustancia, que normalmente es un gas inerte 
(hidrógeno o helio), con el fin de modificar la presión parcial del refrigerante (NH3) y de 
esta manera tener diferentes temperaturas de saturación en el condensador y en el 
evaporador. En la Figura 2.3, se presente un esquema general del ciclo mencionado. 
 
En la Figura 2.3 se observa que el ciclo DAR tiene tres sustancias principales que 
interactúan entre sí para lograr el objetivo de refrigerar. El amoniaco (NH3) es el 
refrigerante, el agua (H2O) es el medio de transporte del refrigerante del absorbedor al 
generador y se tiene el gas inerte (H2 o He) que se mezcla con el refrigerante en el 
evaporador con el objetivo de reducir su presión parcial y así reducir su temperatura de 
saturación para absorber calor del ambiente refrigerado. 
 
El movimiento de las sustancias se da debido a la bomba de burbujas, que por 
capilaridad permite que las burbujas de NH3 formadas suban y arrastren al líquido, haciendo 
que el vapor se dirija hacia el rectificador. El movimiento de los fluidos también se debe a 
la energía potencial que se tiene desde un punto de movimiento hacia otro. A continuación, 
se explica el proceso en cada uno de los componentes tomando como referencia los estados 
de las sustancias de la Figura 2.3: 
 
• Evaporador. Su objetivo es remover calor del espacio refrigerado, a este 
componente ingresa el refrigerante líquido (10) y toma contacto con el gas 
inerte (17), esto permite que cambie la temperatura de saturación (debido a que 
cambia la presión parcial del amoniaco) por lo tanto se tiene bajas temperaturas 
en el ambiente refrigerado. El calor se absorbe y se evapora el refrigerante, por 
lo tanto, sale NH3+H2 en estado gaseoso (11). 
 
• Absorbedor. En este componente ingresa el NH3+H2 en estado gaseoso (13) 
proveniente del evaporador y por densidad sube mientras que, por la parte 
superior ingresa la solución débil de H2O+NH3 (8) y se mueven en contraflujo. 
Durante el proceso la solución de H2O+NH3 va absorbiendo al NH3 que está en 
forma de vapor, por lo tanto, en la parte superior únicamente queda gas inerte 
(con residuos de refrigerante) en estado gaseoso (14), debido a que el NH3 se 
 
 
9 
 
 
absorbe en el agua y en la parte inferior el líquido sale como una solución fuerte 
de H2O + NH3 (16). Es importante mencionar que, el gas inerte, se dirige al 
evaporador mientras que la solución fuerte va al reservorio para posteriormente 
ir hacia el generador. 
 
 
 
Figura 2.3. Esquema general del ciclo de refrigeración por absorción difusión (DAR) 
• Generador y Bomba de burbujas. Se añade calor para separar el refrigerante (con 
residuos de agua) en forma de vapor (2) de la solución fuerte (1) para enviarlo al 
condensador obteniéndose también solución débil (3) (agua y amoniaco) en estado 
líquido como producto del equilibrio de fases. El líquido, que sale del generador, se 
mezcla con el que retorna del rectificador por lo que forman la solución débil (6) que va 
hacia el intercambiador de calor de la solución. La bomba de burbujas es parte del 
generador y es un elemento de vital importancia en el ciclo DAR ya que por el principio 
de capilaridad al generar burbujas de NH3, se logra que están suban y se dirijan hacia el 
rectificador arrastrando al líquido hacia la parte superior del generador. 
 
• Rectificador. En este componente, ingresa vapor en su mayoría de NH3 (2) y se 
 
 
10 
 
 
rechaza calor, por lo que se condensa el agua que aún contenía la mezcla (4) y 
retorna hacia el generador. El refrigerante con un mayor grado de pureza en 
forma de vapor (5) va hacia el condensador. 
 
• Condensador. Ingresa refrigerante con un alto contenido de pureza en estado 
gaseoso (5) y aquí se condensa obteniendo NH3 líquido (9). Para que este 
proceso se cumpla se produce un rechazo de calor hacia el medio condensante 
que normalmente es aire del ambiente. 
 
• Intercambiador de calor de la solución (SHX). Es un recuperador de calor en donde 
se enfría la solución débil (desde 6 a 7) que va hacia el absorbedor y se precalienta la 
solución fuerte que va al generador (desde 18 a 1). Esto se realiza con el fin de 
disminuir la cantidad de calor que se suministra en el generador utilizando el calor que 
se desperdiciaría de la solución débil. 
 
• Intercambiador de calor de gas (GHX). Es un recuperador de calor en donde el 
hidrógeno (15 a 17) le entrega calor a la mezcla de NH3+H2 que sale del evaporador 
(11 a 12). 
 
2.1.4. Coeficiente de desempeño de un ciclo de refrigeración 
 
El coeficiente de desempeño de un ciclo de refrigeración relaciona la cantidad de 
calor absorbida en el evaporador del ambiente refrigerado, respecto a la cantidad de energía 
(puede ser energía eléctrica, flujo de calor o ambas) que se invierte en los diferentes 
componentes del ciclo. De lo revisado en las secciones 2.1.1, 2.1.2 y 2.1.3 los coeficientes 
de desempeño para cada uno de los ciclos de refrigeración revisados son: 
 
• Ciclo de refrigeración por compresión de vapor. 
 
𝐶𝑂𝑃 =
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
 
(2.1) 
 
• Ciclo de refrigeración por absorción. 
 
𝐶𝑂𝑃 =
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑃𝑜𝑡. 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 + 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
 
(2.2) 
 
• Ciclo de refrigeración por absorción difusión. 
𝐶𝑂𝑃 =
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
 
(2.3) 
 
2.2. Conceptos termodinámicos 
En esta sección, se revisarán los principales conceptos termodinámicos que se 
utilizarán en el desarrollo del modelo del ciclo DAR, como son: leyes de conservación de 
masa y energía, mezclas binarias y equilibrio de fases, para esto se han tomado los criterios 
de los libros (Çengel, Yunus A. , Boles, 2012) y (Smith, J.M, Van Ness, H.C.; Abbott, 
M.M, & Flores Rojas, 2007). 
 
 
11 
 
 
2.2.1. Ley de conservación de la materia 
El principio de conservación de la materia en un proceso cerrado indica que la masa 
de una sustancia permanecerá constante con el paso del tiempo, mientras que al analizar un 
volumen de control, esta ley se expresa mediante la Ecuación (2.4) en la cual se observa que 
la masa que entra en un volumen de control en un determinado tiempo (flujo másico de 
entrada) menos la masa que sale en un determinadotiempo (flujo másico de salida) es igual 
a la variación de masa total en el volumen de control en el tiempo. 
 
�̇�𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − �̇�𝑠𝑎𝑙𝑒 =
𝑑𝑚𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙
𝑑𝑡
=
𝑑(𝑚𝑢)
𝑑𝑡
 
(2.4) 
 
2.2.2. Ley de conservación de la energía 
Es conocida también como la primera ley de la termodinámica, es una de las leyes 
más importantes de la naturaleza e indica que no existe un cuerpo capaz de crear energía, ni 
destruir energía por lo que la energía no se crea, no se destruye sino únicamente se 
transforma, es decir una variación de energía se puede atribuir a la transformación de la 
misma y al intercambio de energía de un cuerpo con otro. En la Ecuación (2.5), se observa 
de manera general el balance de energía para un sistema. 
 
𝐸𝑖𝑛 − 𝐸𝑠𝑎𝑙𝑒 =
𝑑𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑑𝑡
 
(2.5) 
 
Respecto a un volumen de control en el cual no se acumula energía, se deduciría que 
la energía que entra es igual a la energía que sale. Es importante mencionar que el flujo de 
energía que entra o sale, puede ser como energía interna de las sustancias, en forma de calor 
o en forma de trabajo, por esta razón una manera expandida de la ley de conservación de la 
energía, se observa en la Ecuación (2.6), en donde se considera que flujo de calor positivo 
cuando entra al sistema y trabajo positivo cuando sale del sistema. Además, los subíndices 2 
y 1 respectivamente representan el estado final e inicial de un sistema con un cambio en el 
tiempo. 
 
�̇� − �̇� +∑�̇�𝑖𝑛 ∗ ℎ𝑖𝑛
𝑖𝑛
−∑�̇�𝑜𝑢𝑡 ∗ ℎ𝑜𝑢𝑡
𝑜𝑢𝑡
= 𝑚2̇ ∗ 𝑢2 −𝑚1̇ ∗ 𝑢1 
(2.6) 
 
 
2.3. Comportamiento de mezclas binarias 
En la referencia de (Smith, J.M, Van Ness, H.C.; Abbott, M.M, & Flores Rojas, 
2007), explica que una mezcla binaria se da por la combinación de dos sustancias puras y 
para determinar el estado termodinámico de una mezcla es necesario conocer presión, 
temperatura y su concentración. Esto se explica mediante a la regla de fases de Gibbs, que 
se expresa en la Ecuación (2.7), en donde ℱ es el número de grados de libertad, ℂ el 
número de componentes químicos y ℘ es el número de fases en equilibrio. 
 
ℱ = ℂ−℘+ 2 (2.7) 
 
 
 
12 
 
 
 En una sustancia pura al conocer presión y temperatura se conoce el estado 
termodinámico de la misma, el proceso de evaporación y condensación se cumple a 
determinada temperatura para cierta presión, es decir se da para valores específicos de 
presión y temperatura, por ejemplo, el agua si la presión es 1 atm, se evaporará o 
condensará a 100°C. 
 
Para una mezcla binaria, el proceso de evaporación y condensación dependen de la 
concentración de las sustancias de acuerdo a la regla de fases de Gibss y se puede observar 
en la Figura 2.4, en donde por ejemplo cuando la concentración es cero quiere decir que la 
sustancia A es totalmente pura y la temperatura en A corresponde a la temperatura de 
saturación a la presión del gráfico. En B se tiene concentración uno, que corresponde a la 
sustancia totalmente pura B y de igual manera corresponde a la temperatura de saturación 
de B a la presión P. Se observa que hay una línea que corresponde a cambio de fase. 
 
 
 
Figura 2.4. Fracción molar de una mezcla binaria (A-B) vs temperatura a presión constante. 
 
Respecto a la Figura 2.4, si se tiene un líquido subenfriado con una fracción molar 1 y 
se lo calienta, mantiene la misma fracción molar hasta antes del punto 2, donde se produce 
la primera burbuja de evaporación. Al seguir suministrando calor comienza el proceso de 
evaporación, pero las fracciones molares en este proceso cambian, es decir las burbujas 
tendrán una composición diferente al líquido de la mezcla (corresponden al punto 3 y 4). 
Durante todo el proceso de evaporación, la fracción molar del vapor será diferente a la del 
líquido hasta cuando se evapora por completo la mezcla, se regresa al punto 5 y tienen la 
composición inicial. 
 
2.3.1. Propiedades termodinámicas de una mezcla de gases 
Para determinar las propiedades termodinámicas de una mezcla de varios compuestos, 
de acuerdo al libro de (Prausnitz, Poling, & O’Connel, 2001), se puede determinar como el 
 
 
13 
 
 
producto de la composición de cada componente por el valor de la propiedad del compuesto 
puro evaluado a la temperatura y presión parcial. Un ejemplo de esto se presenta para 
entalpía en la Ecuación (2.8). Al igual que para la entalpía se puede calcular para las 
diferentes propiedades termodinámicas. 
 
ℎ𝑚𝑖𝑥 =∑𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑎𝑖 ∗ ℎ𝑖
𝑖
 ; 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 ℎ𝑖 = 𝑓(𝑇, 𝑃𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑎𝑙 𝑖) 
(2.8) 
 
Es importante mencionar que la presión parcial del gas “i” en una mezcla de varios 
compuestos está definida por la Ecuación (2.9). 
 
𝑃𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑎𝑙 𝑖 = 𝑓𝑟𝑎𝑛𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖 ∗ 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑦𝑖 ∗ 𝑃𝑠𝑦𝑠 (2.9) 
 
2.3.2. Viscosidad de una mezcla de gases 
La viscosidad de una mezcla de gases se ha calculado utilizando el método de Wilke 
que es una simplificación de la teoría cinética de gases y se menciona en el libro (Prausnitz 
et al., 2001) donde se determina la viscosidad de una mezcla de gases mediante la Ecuación 
(2.10). 
 
𝜇𝑚 =∑
𝑦𝑖 ∗ 𝜇𝑖
∑ 𝑦𝑗 ∗ ∅𝑖𝑗
𝑛
𝑗=1
𝑛
𝑖=1
 
(2.10) 
 
 
Entonces 𝑦𝑖 es la fracción molar, 𝜇𝑖 es la viscosidad de cada uno de los componentes, 𝑀𝑖 es 
el peso molecular de cada sustancia y ∅𝑖𝑗 se obtiene mediante la Ecuación (2.11). 
 
∅𝑖𝑗 =
[1 + (
𝜇𝑖
𝜇𝑗
)
1
2
∗ (
𝑀𝑤𝑗
𝑀𝑤𝑖
)
1
4
]
2
[8 ∗ (1 +
𝑀𝑤𝑖
𝑀𝑤𝑗
)]
2 
(2.11) 
 
2.3.3. Conductividad térmica de una mezcla de gases 
La conductividad térmica de una mezcla de gases se calcula utilizando la ecuación de 
Wassiljewa (Prausnitz et al., 2001) y se muestra en la Ecuación (2.12). 
 
𝑘𝑚 =∑
𝑦𝑖 ∗ 𝑘𝑖
∑ 𝑦𝑗 ∗ 𝐴𝑖𝑗
𝑛
𝑗=1
𝑛
𝑖=1
 
(2.12) 
 
 
Entonces 𝑦𝑖 es la fracción molar, 𝑘𝑖 es la conductividad térmica de cada uno de los 
componentes, 𝑀𝑖 es el peso molecular de cada substancia y 𝐴𝑖𝑗 se obtiene mediante la 
modificación de Mason y Saxena en donde se indica que 𝐴𝑖𝑗 será igual al térmico utilizado 
para el cálculo de la viscosidad ∅𝑖𝑗 reemplazando los valores de viscosidad por 
conductividad térmica, es decir se utiliza la Ecuación (2.11), en la cual en lugar de usar la 
 
 
14 
 
 
viscosidad se reemplaza por conductividad térmica. 
 
2.3.4. Calor específico a presión constante para mezclas y soluciones 
Para determinar el calor específico a presión constante se utiliza la definición 
matemática de la misma que se menciona en el libro (Prausnitz et al., 2001) y se muestra en 
la Ecuación (2.13). 
 
𝑐𝑝 = (
𝜕ℎ
𝜕𝑇
)
𝑃
 
(2.13) 
 
Es posible calcular la entalpía de una mezcla de gases o solución conociendo la 
presión y temperatura por lo que, para obtener el calor específico a presión constante se 
procede a resolver la derivada de forma numérica. 
 
2.3.5. Equilibrio de fases 
Cuando se tienen varias fases en una sustancia pura o en una mezcla, se considera que 
se tiene equilibrio de fases cuando no existe ninguna transformación de una fase sobre la 
otra, es decir si cada una tiene el mismo valor de la función específica de Gibbs a la cual se 
le puede entender como un potencial termodinámico. (Al tener el mismo valor ambas fases 
ya no interactúan entre sí). 
 
En el caso particular de mezclas binarias, en donde una sustancia se considera soluble 
respecto a la otra en el equilibrio de fases, las fracciones molares de sus componentes en 
estado líquido y gaseoso se explican en base a la ley de Raoult. 
 
 La ley de Raoult se explica en base a la Ecuación (2.14), en donde es necesario en 
primer lugar identificar que la variable “y” corresponde a la concentración del gas y la 
variable “x” corresponde a la concentración del estado líquido. Entonces la concentración 
del componente A en estado gaseoso por la presión total es igual a la concentración de A en 
estado gaseoso por la presión de saturación a la temperatura respectiva.𝑦𝐴 ∗ 𝑃 = 𝑥𝐴 ∗ 𝑃𝐴
𝑠𝑎𝑡(𝑇) (2.14) 
 
Ahora para trabajar con una expresión más realista, se tiene la ley de Raoult 
modificada que se observa en la Ecuación (2.15), en donde se incluye los coeficientes de 
actividad que se introducen para analizar el comportamiento real de las soluciones. 
 
𝑦𝐴 ∗ 𝑃 = 𝑥𝐴 ∗ 𝛾𝐴 ∗ 𝑃𝐴
𝑠𝑎𝑡(𝑇) (2.15) 
 
En varias sustancias, no se puede calcular la presión de saturación a la temperatura ya 
que a la temperatura deseada se encuentra sobre el punto crítico del componente puro, en 
este caso se utiliza la ley de Henry que se ha revisado en el libro (Prausnitz et al., 2001) y 
se observa en la Ecuación (2.16), en donde ℋes la constante de Henry en unidades de 
presión y varios investigadores han estudiado esta constante en diferentes compuestos 
químicos. 
 
 
15 
 
 
 
𝑦𝐴 ∗ 𝑃 = 𝑥𝐴 ∗ ℋ (2.16) 
 
2.3.6. Determinación de los coeficientes de actividad 
 
En el libro (Smith, J.M, Van Ness, H.C.; Abbott, M.M, & Flores Rojas, 2007), se 
indica que el coeficiente de actividad (𝛾), es un criterio con el cual se considera el 
comportamiento real de una solución y tiene relación con las propiedades en exceso y se 
conoce que (ln 𝛾𝑖) es una propiedad molar parcial con respecto a la energía de Gibbs en 
exceso con respecto a la temperatura. Entonces, la Ecuación (2.17) es un resultado de la 
sumatoria de las propiedades parciales y la Ecuación (2.18) representa el concepto de 
Gibbs/Duhem. 
 
𝐺𝐸
𝑅𝑇
=∑𝑥𝑖 ∗ 𝑙𝑛(𝛾𝑖)
𝑖
 
(2.17) 
 
∑𝑥𝑖𝑑𝑙𝑛(𝛾𝑖) = 0 (𝑇, 𝑃𝑐𝑡𝑒𝑠)
𝑖
 
(2.18) 
 
Para determinar los coeficientes de actividad existen varios modelos, uno de ellos es 
el modelo composición local NRTL (Non-Random-Two-Liquid-Model) el cual se basa en la 
hipótesis de Wilson es decir que, la concentración local alrededor de una molécula es 
diferente de la concentración global, esto se da por la diferencia de la energía de interacción 
entre la molécula central con las moléculas de los alrededores que son de otro tipo lo que da 
una aleatoriedad en el nivel de las moléculas locales. En la Ecuación (2.19), se puede 
observar la relación general del modelo NRTL. 
 
𝐺𝐸
𝑅𝑇
= 𝑥1 ∗ 𝑥2 ∗ (
𝜏21 ∗ 𝐺21
𝑥1 + 𝑥2 ∗ 𝐺21
+
𝜏12 ∗ 𝐺12
𝑥2 + 𝑥1 ∗ 𝐺12
) 
 
 
 
 
 
(2.19) 
 
 
𝐺𝑖𝑗 = exp (−𝛼 ∗ 𝜏𝑖𝑗) (2.20) 
 Las expresiones para los coeficientes de actividad de acuerdo al modelo NRTL se 
muestran a continuación en Ecuación (2.21) y Ecuación (2.22). 
 
ln(𝛾1) = 𝑥2
2 ∗ [𝜏21 ∗ (
𝐺21
𝑥1 + 𝑥2 ∗ 𝐺21
)
2
+
𝜏12 ∗ 𝐺12
(𝑥2 + 𝑥1 ∗ 𝐺12)2
] 
 
 
 
 
 
(2.21) 
 
 
ln(𝛾2) = 𝑥1
2 ∗ [𝜏12 ∗ (
𝐺12
𝑥2 + 𝑥1 ∗ 𝐺12
)
2
+
𝜏21 ∗ 𝐺21
(𝑥1 + 𝑥2 ∗ 𝐺21)2
] 
 
 
 
 
(2.22) 
 
 
 
 
16 
 
 
2.3.7. Solubilidad y Constante de Henry 
Solubilidad es la relación de la cantidad de gas (soluto) que se puede disolver o 
mezclar en determinado solvente (normalmente líquido). De acuerdo a lo propuesto por el 
artículo (Sander, 2015) algunas de las maneras que se puede expresar es a través de: 
 
• Unidad de volumen de soluto por unidad de volumen de solvente. 
• Unidad de volumen de soluto (a condiciones estándar) por unidad de masa de solvente. 
• Coeficiente de Bunsen (𝛼). 
• Coeficiente de Ostwald (L). 
• Constante de Henry definidas por molalidad mol(kgPa)-1 (ℋ𝑏𝑝). 
• Constante de Henry adimensional (ℋ𝑐𝑝). 
• Constante de Henry definida por la mezcla en fase acuosa Pa-1 o atm-1 (ℋ𝑥𝑝). 
• Constante de Henry en unidades de presión (ℋ =
1
ℋ𝑥𝑝
) 
 
En el presente trabajo, se utiliza: unidad de volumen de soluto por unidad de masa de 
solvente debido a que de esta manera se encuentran reportados los valores experimentales 
en los diferentes artículos científicos y también se utilizará la constante de Henry en 
unidades de presión para utilizarlo en la ley de Henry. 
 
En la Figura 2.5 se describe el proceso que se utiliza para obtener los valores de la 
constante de Henry en kPa a partir de los valores de solubilidad en unidad de volumen de 
gas por unidad de masa del solvente. Para esto se utiliza los valores de densidad del 
solvente, los conceptos de presión de saturación, transformaciones de fracción másica a 
fracción molar y finalmente el concepto de presión total en función de las presiones 
parciales junto con la ley de Henry. 
 
 
Figura 2.5. Diagrama de flujo del cálculo de la constante de Henry en kPa a partir de solubilidad 
 
El artículo (Sander, 2015) presenta equivalencias entre las diferentes maneras con los 
que se expresa solubilidad y se indica que, la constante de Henry es altamente dependiente 
de la temperatura a la que se da el proceso lo que se corrobora en la Figura 2.5 donde se ve 
que, a partir de la temperatura se calcula la presión de saturación y la constante de Henry 
depende de la presión. 
 
 
17 
 
 
2.3.8. Constante de Henry para un componente en una mezcla gaseosa 
 
En un refrigerador que opera bajo el ciclo DAR, el gas inerte se disuelve en una 
mezcla de amoniaco agua. En (Prausnitz et al., 2001) se define la constante de Henry para 
una mezcla mediante la Ecuación (2.23), donde las constantes del gas inerte (ℋ) en agua y 
en amoniaco deben ser establecidas. 
 
𝑙𝑛(ℋ𝐴,𝑚𝑖𝑥) = ∑ 𝑥𝑖 ∗ 𝑙𝑛(ℋ𝑚𝑖𝑥𝐴,𝑖)
𝑖=𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
−
𝑔𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
𝐸
𝑅𝑇
 
(2.23) 
 
 
En donde: 𝑔𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
𝐸 /𝑅𝑇 es la energía de Gibbs del solvente en la mezcla debido a 
que la constante de Henry varía de acuerdo a la composición y las interacciones entre los 
solventes. En el presente proyecto, se desprecia la interacción entre los componentes de la 
mezcla debido a que, sobre cierto valor de ℋ, este no influye significativamente en los 
resultados. 
2.4. Conceptos generales de transferencia de calor 
En esta sección se desarrolla en base a los conceptos explicados en el libro de 
(Çengel, Yunus A., Ghajar, 2011) y ciertos conceptos de otras fuentes que se reportarán de 
manera puntual. 
El calor es una forma de energía que va desde un medio de alta temperatura hacia un 
medio de baja temperatura, por lo tanto, es de vital importancia estudiar la transferencia de 
calor para entender la forma y la rapidez con la que se transmite la energía entre los 
diferentes componentes. Como concepto general, el calor se transmite por conducción 
cuando se tiene elementos sólidos o fluidos cuasi estáticos, por convección cuando se tiene 
fluidos en movimiento y por radiación cuando el calor es transmitido por ondas 
electromagnéticas o fotones entre 2 superficies que se encuentran a diferente temperatura. 
 
En el caso particular del ciclo DAR, los fenómenos de transferencia de calor que 
estarán inmersos son por conducción en las diferentes tuberías y por convección entre los 
fluidos internos y externos con la tubería. Considerando que ciertas tuberías están a altas 
temperaturas también se debe considerar los fenómenos de radiación. 
2.4.1. Transferencia de calor por conducción 
La transferencia por conducción, se explica en base a la ley de Fourier de la Ecuación 
(2.24), en donde el calor por unidad de área es directamente proporcional a la variación de 
temperatura a lo largo del cuerpo. 
 
𝑞
𝐴
𝛼 [−
𝑑𝑇
𝑑𝑥
] →
𝑞
𝐴
= 𝑘 ∗ [−
𝑑𝑇
𝑑𝑥
] 
(2.24) 
 
 
Donde k, es la conductividad térmica de los diferentes materiales. De manera general 
se puede decir que los metales tienen valores de conductividad altos y además existen 
materiales aislantes que tienen valores de conductividad bajos. 
 
 
18 
 
 
2.4.2. Transferencia de calor por convección 
La transferencia de calor por convección se explica en base a la Ley de Newton de la 
Ecuación (2.25), donde el calor por unidad de área es igual al coeficiente de convección por 
la variación de temperatura entre la superficie y el fluido. 
 
𝑞
𝐴
= ℎ𝑐 ∗ [𝑇𝑠𝑢𝑝 − 𝑇𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜] 
(2.25) 
 
El fenómeno de convección se da por el movimiento de un fluido que está en contacto 
con la superficie