Study of the ammonia absorption process into ammonia/water solutions using polymeric membranes for absorption-resorption refrigeration systems

Resumen

Los sistemas de refrigeración por absorción son una excelente alternativa a los sistemas de refrigeración de compresión convencionales cuando hay disponible una fuente de calor de baja temperatura que puede ser aprovechada. Sin embargo, este tipo de sistemas no han conseguido ampliar su nicho de mercado principalmente por su elevado coste y tamaño, lo cual ha limitado mucho su utilización en ciertas aplicaciones en las que hay gran cantidad de calor residual disponible, como por ejemplo el sector del transporte. En los últimos años se han llevado a cabo varias investigaciones sobre el uso de materiales poliméricos en los sistemas de refrigeración por absorción con la idea de reducir el tamaño, peso y coste de estos equipos. Entre estos estudios destacan especialmente aquellos referidos al uso de membranas poliméricas porosas absorbedores y desorbedores, ya que gracias a su elevada relación superficie/volumen permiten reducir el tamaño y peso de estos componentes de forma muy importante. La gran mayoría de estos estudios se han llevado a cabo para la mezcla agua/bromuro de litio ya que las típicamente elevadas presiones de trabajo de la mezcla amoniaco/agua limita la utilización de materiales poliméricos. Ante esta situación, en esta tesis se propone la utilización de la tecnología de absorción-resorción como solución a esta problemática. Estos ciclos proporcionan una gran flexibilidad de operación que permite reducir la alta presión de trabajo de forma muy importante al utilizar disoluciones de amoniaco/agua en lugar de amoniaco puro en el circuito de refrigeración. El objetivo principal de esta tesis es estudiar el proceso de absorción de amoniaco en disoluciones de amoniaco/agua usando membranas porosas como contactores para ser utilizadas en los sistemas de refrigeración por absorción-resorción. De esta forma se podrían diseñar equipos más compactos, ligeros y baratos con los que poder ampliar la utilización de los sistemas de refrigeración por absorción. En primer lugar, se realizó un estudio del ciclo de refrigeración por absorción-resorción de amoniaco/agua para determinar el rango de presiones de operación cuando las temperaturas de trabajo han sido fijadas. El hecho de poder variar la alta presión en un amplio intervalo dota a estos ciclos de una gran flexibilidad, teniendo siempre en cuenta que una reducción de la alta presión del ciclo implica una disminución en el COP. Mediante el desarrollo de un modelo termodinámico se determinó que la mejor configuración del ciclo es aquella que no utiliza rectificador después del generador ya que la mejora en términos de COP es pequeña (menor del 8%) y sin embargo la complejidad y coste del equipo será mucho mayor si se incluye el rectificador. Este hecho supone una gran ventaja de los ciclos de absorción-resorción en comparación con los ciclos de absorción convencionales. A su vez, se puso de manifiesto la gran importancia del parámetro de la eficacia del intercambiador de calor del circuito de resorción ya que si esta eficacia es menor de un cierto valor límite no solo se ve afectado el COP del ciclo, sino que el sistema sería incapaz de funcionar a las condiciones de temperatura previamente fijadas. El modelo termodinámico fue también utilizado para el estudio de sensibilidad del ciclo y para establecer unas condiciones de operación que permitan un buen compromiso entre reducción de la presión de trabajo, COP y potencia de refrigeración. Se desarrolló un segundo modelo termodinámico en el que se tuvo en cuenta la transferencia de calor a los fluidos externos. Dicho modelo se utilizó para determinar la influencia de la temperatura de las corrientes externas así como del tamaño de los intercambiados de calor (UA) en el funcionamiento del ciclo. A su vez, el modelo fue empleado para analizar el funcionamiento de una planta de absorción-resorción de 25kW de potencia de refrigeración nominal situada en la Technische Universität Dresden (Alemania). De dicho análisis se concluyó que el proceso de absorción en el resorbedor debe ser mejorado. Del trabajo experimental llevado a cabo con el equipo de 25kW cabe destacar la dificultad de mantenerlo operando en condiciones estables, lo cual ya había sido señalado anteriormente por varios autores. Como propuesta de mejora del funcionamiento de la planta se propuso un sistema de control basado en las medidas de concentración de las disoluciones de amoniaco/agua usando espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR). Por otra parte, se realizó un estudio teórico-experimental del proceso de absorción adiabático de amoniaco en disoluciones de amoniaco/agua utilizando un módulo de membrana plana como contactor. Para ello se diseñó y construyó un banco de ensayos donde realizar los experimentos y se desarrolló un modelo teórico que fue validado con los resultados experimentales. Este modelo fue empleado para determinar las características requeridas por una membrana polimérica porosa para ser utilizada en el proceso de absorción de amoniaco, lo cual supone una novedad ya que no había sido determinado con anterioridad para la mezcla de amoniaco/agua. Dichas características son: hidrofobicidad del material, tamaño de poro entre 0.03μm y 0.1μm, porosidad mayor del 40% y un grosor menor de 400μm siempre y cuando le permita mantener su resistencia mecánica. Teniendo en cuenta estas características, se seleccionó un módulo comercial de membranas de fibra hueca con flujo cruzado que cumpliera con estos requisitos ya que dicha configuración proporciona mayor relación superficie/volumen y un mejor coeficiente transferencia de materia que el módulo de membrana plana previamente utilizado. Se realizó un estudio experimental del proceso de absorción adiabático de amoniaco en las condiciones de trabajo previamente determinadas durante el estudio del ciclo de absorción-resorcion. Se obtuvieron flujos de absorción entre 5.4·10-5 y 3.1·10-4 kg/(m2·s) en los experimentos realizados en las condiciones de presión (1.3-1.5 bar) y fracción másica de amoniaco (0.29-0.32) del absorbedor y flujos de absorción entre 6.3·10-5 y 9.7·10-4 kg/(m2·s) en los experimentos realizados en las condiciones de presión (5.0-5.5 bar) y fracción másica de amoniaco (0.56-0.60) del resorbedor. Se desarrolló a su vez un modelo bidimensional que fue validado con los resultados experimentales y que permite analizar la evolución de las temperaturas, concentración de la disolución y flujo de absorción en la dirección axial y radial del módulo de membranas. Este modelo fue utilizado como base para el desarrollo de un nuevo modelo bidimensional de un módulo de membranas de fibra hueca con intercambiador de calor integrado (HEXHFMA), el cual permitirá diseñar absorbedores y resorbedores más compactos y ligeros para los sistemas de refrigeración por absorción-resorción de amoniaco/agua. Con el modelo previamente desarrollado se diseñaron dos módulos de membranas de fibra hueca con intercambiador de calor integrado para ser empleados en el absorbedor y en el resorbedor de un equipo de absorción-resorción de amoniaco/agua de 25kW de potencia refrigeradora. Como principales conclusiones destacar que la integración de módulos de membranas en el resorbedor requiere de una modificación del propio ciclo de refrigeración, ya que la corriente de vapor procedente del generador debe ser enfriada antes de entrar en el módulo de membranas para así evitar su condensación dentro de la membrana y con ello impedir el bloqueo de los poros de la membrana. Además, el diseño del módulo de membranas para el resorbedor requiere un 22% más de área de membrana que para el caso del absorbedor debido a que la menor temperatura del vapor a la entrada del absorbedor (-5oC) favorece el proceso de absorción. Finalmente se pudo confirmar que los módulos de membranas permiten reducir el peso y el tamaño de los equipos de absorción de forma muy significativa ya que proporcionan relaciones de carga térmica/volumen de hasta 10000 kW/m3, significativamente mayores que las proporcionadas por los absorbedores de placas (2000 kW/m3) o los de carcasa y tubos (300 kW/m3).