Cálculo de una instalación frigorífica por absorción Cálculo de una instalación frigorífica por absorción NHNH33 –– HH22OO

para la producción de hielopara la producción de hielo

Curso Pre-Congreso ISES-ANES

Universidad del Caribe31 de octubre al 2 de noviembre de 2013

Cancún, Quintana Roo, México

IER

33 22

para la producción de hielopara la producción de hielo

Isaac Isaac PilatowskyPilatowsky FigueroaFigueroaRoberto Roberto BestBest y Browny Brown

ipf@cie.unam.mxipf@cie.unam.mx, rbb@ier.unam.ma, rbb@ier.unam.ma

Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, Departamento de Sistemas Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, Departamento de Sistemas Energéticos, Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de Energéticos, Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de

MéxicoMéxico

Sesión IVSesión IV

Cálculo de una instalación Cálculo de una instalación Cálculo de una instalación Cálculo de una instalación frigorífica por absorción frigorífica por absorción

Amoniaco Amoniaco -- AguaAgua

Requerimientos de enfriamientoRequerimientos de enfriamiento

��Climatización de espaciosClimatización de espacios

�� Refrigeración y conservación de perecederosRefrigeración y conservación de perecederos

�� Refrigeración en procesos industrialesRefrigeración en procesos industriales�� Refrigeración en procesos industrialesRefrigeración en procesos industriales

�� Producción de hieloProducción de hielo

�� CongelaciónCongelación

Cálculo de la potencia de enfriamiento Cálculo de la potencia de enfriamiento para producción de hielopara producción de hielo

Datos de entradaDatos de entrada

�� Masa del hielo a formar: MMasa del hielo a formar: MHH

�� Temperatura de diseño (por debajo de 0ºC), Temperatura de diseño (por debajo de 0ºC), �� Temperatura de diseño (por debajo de 0ºC), Temperatura de diseño (por debajo de 0ºC),

basada en la caída de temperatura debida al basada en la caída de temperatura debida al

intercambio térmico: Tintercambio térmico: TDEDE

�� Temperatura inicial del agua TTemperatura inicial del agua TIAIA

�� Capacidad de producción, MCapacidad de producción, MHH/unidad de tiempo/unidad de tiempo

Cálculo de la potencia de enfriamiento Cálculo de la potencia de enfriamiento para producción de hielopara producción de hielo

A) Enfriamiento sensible (qA) Enfriamiento sensible (qsisi ) de la temperatura inicial del ) de la temperatura inicial del

agua Tagua TIAIA a la temperatura de congelación Ta la temperatura de congelación TC C (0ºC).(0ºC).

)( TTCmq −= )( CIApais TTCmq −=

B) Calor latente de solidificación qS en donde λ es el calor de

solidificación del agua a 0 ºC.

λaS mq =

Cálculo de la potencia de enfriamiento para Cálculo de la potencia de enfriamiento para producción de hieloproducción de hielo

d) Enfriamiento sensible de la Td) Enfriamiento sensible de la TCC a la temperatura de a la temperatura de

diseño de enfriamiento Tdiseño de enfriamiento TDEDE..

)( DECaSE TTCpmq −= )( DECaSE TTCpmq −=

e) Potencia total qT

sessiT qqqq ++=

Cantidad de amoniaco necesaria para la Cantidad de amoniaco necesaria para la producción de hieloproducción de hielo

�� Capacidad de enfriamientoCapacidad de enfriamiento

LaLa energíaenergía especificaespecifica qqEEEE dede enfriamientoenfriamiento porpor unidadunidad dede

masamasa dede refrigerante,refrigerante, eses equivalenteequivalente aa susu calorcalor dede

vaporizaciónvaporización enen kJ/kgkJ/kgvaporizaciónvaporización enen kJ/kgkJ/kg

LTEVTEEE hhq −=

En donde hVTE y hLTE corresponden a las entalpías del

vapor y la del líquido a la temperatura de evaporación TE .

Cantidad de amoniaco necesaria para la Cantidad de amoniaco necesaria para la producción de hieloproducción de hielo

�� DuranteDurante elel procesoproceso dede transportartransportar elel refrigeranterefrigerante líquidolíquido aa laslas condicionescondiciones dede

condensacióncondensación aa laslas dede evaporaciónevaporación aa travéstravés dede lala válvulaválvula dede expansión,expansión, esteeste

sufresufre unun enfriamientoenfriamiento qqPP enen funciónfunción dede lala diferenciadiferencia dede presiones,presiones, produciéndoseproduciéndose

unauna pérdidapérdida enen lala capacidadcapacidad dede enfriamientoenfriamiento lala cualcual sese lele extraeextrae alal calorcalor dede

vaporizaciónvaporización..vaporizaciónvaporización..

)( ECRRP TTpCmq −=

Todas las propiedades corresponden al amoniaco. En el caso del calor

específico este es un promedio entre TE y TC.

La capacidad de enfriamiento disponible es:

PLTEVTEEED qhhq −−= )(

Cantidad de amoniaco necesaria para la Cantidad de amoniaco necesaria para la producción de hieloproducción de hielo

�� Una forma más directa de efectuar el cálculo de qUna forma más directa de efectuar el cálculo de qEEDEED

equivalente a hequivalente a hEEDEED

LTCVTEEED hhh −=

Por lo tanto la cantidad de amoniaco en circulación a travésPor lo tanto la cantidad de amoniaco en circulación a través

del ciclo de refrigeración es, la potencia requerida para la

formación de hielo entre la capacidad de vaporización del

amoniaco por unidad de masa.

EED

TA

h

tiempoqtiempom

// =

Ciclo termodinámicoCiclo termodinámico

�� ElEl ciclociclo dede refrigeraciónrefrigeración porpor absorciónabsorción puedepuede serser concon unun

funcionamientofuncionamiento intermitenteintermitente oo continuocontinuo yy serser unun ciclociclo

básicobásico aa unauna etapaetapa oo múltiplesmúltiples etapasetapas yy contenercontener oo nono

intercambiadoresintercambiadores dede calorcalor tantotanto parapara lala recuperaciónrecuperación dedeintercambiadoresintercambiadores dede calorcalor tantotanto parapara lala recuperaciónrecuperación dede

calorcalor sensiblesensible oo latentelatente.. EnEn esteeste casocaso sese seleccionaráseleccionará unun

ciclociclo continuocontinuo aa unauna etapaetapa concon intercambiadoresintercambiadores dede calorcalor

entreentre elel generadorgenerador yy elel absorbedorabsorbedor yy entreentre elel condensadorcondensador yy

elel evaporador,evaporador, comocomo elel representadorepresentado enen lala figurafigura 11..

Ciclo de refrigeración por absorción continuo a una etapa con Ciclo de refrigeración por absorción continuo a una etapa con intercambiadores de calorintercambiadores de calor

QG Generador

TG

QCCondensadoror

TC

1

TR

Rectificador

QR

15 14

Subenfriador QSC

2

7

5’

13

11 10

TG

QIPrecalentador

912

8QA Absorbedor

TA

QEEvaporador

TE

6

45

3

GENERADOR

1514

GENERADOR

11141510 mmmm +=+

11141415151010 11XmXmXmXm +=+

(rectificador)

1011

11141415151010 11

1515101011111414 hmhmhmhmQG&&&& −−+=

(intercambiador de calor)

RECTIFICADOR

15 14

1

RECTIFICADOR

(generador)

(condensador)

& & &m m m14 1 15= +

& & &m X m X m X14 14 1 1 15 15= +

1515111414 hmhmhmQR&&& −−=

(generador)

CONDENSADOR

1

2

(rectificador)

CONDENSADOR

& &m m1 2=

& &m X m X1 1 2 2=

2211 hmhmQC&& −=

(válvula de expansión)

25’

2'55

'55

−−

−=

hh

hhILVη

efectividad

INTERCAMBIADOR DE CALOR LÍQUIDO-VAPOR

(absorbedor) (condensador)

5 3

'5'5335522 hmhmhmhm &&&& +=+

( ) ( )5'5532 hhmhhmQ rILV −=−= &&

(absorbedor)

hh =

3

VÁLVULA DE EXPANSIÓN

(condensador)

43 hh =

4

(evaporador)

45

& & &m m m4 5 6= +

& & &m X m X m X4 4 5 5 6 6= +

EVAPORADOR

(Válvula de expansión)

(intercambiador

de calor,

líquido-vapor)

EVAPORADOR

6

446655 hmhmhmQ E&&& −+=

(absorbedor)

ABSORBEDOR

13 8

(evaporador)

(intercambiador líquido-

líquido/válvula de expansión)( bomba/intercambiador líquido-líquido)

ABSORBEDOR

7

& & &m m m8 7 13= +

& & &m X m X m X8 8 7 7 13 13= +

88131377 hmhmhmQ A&&& −+=

(intercambiador

de calor,

líquido-líquido)

12

VÁLVULA DE EXPANSIÓN

1312 mm && =

XX =

13

(Absorbedor)

1312 XX =

1312 hh =

& &m m8 9=

XX =

(intercambiador

de calor,

líquido-líquido/

generador)

9

BOMBA

98 XX =

h h8 9=

(Absorbedor)

8

10 11

(generador)

& & &m m mS9 10= =

& & &m m mw11 12= =

& & & &m h m h m h m h9 9 11 11 10 10 12 12+ = +

( ) ( )−=−=

INTERCAMBIADOR LÍQUIDO-LÍQUIDO

( Bomba/absorbedor)

12 9

(válvula de expansión/

absorbedor)

( ) ( )9101211 hhmhhmQ SwILL −=−= &&

91211

1211

−−

−=

hh

hhILLη

Rendimiento térmicoRendimiento térmico

BG

QG , TG

BOMBA

FUENTE TÉRMICA

WP

G

G

T

QS −=∆

a

aa

T

QS =∆

E

E

T

QS −=∆

AE

FLUIDO DEL SISTEMA

AMBIENTE

ESPACIO A ENFRIAR

FUENTE TÉRMICA

QA , TA

QE , TE

Calor disipado al ambienteCa QQ +

Calor absorbido PEG WQQ ++

00 ≥+−−=≥∆+∆+∆=∆E

E

E

E

G

GEEG

T

Q

T

Q

T

QSSSS

( ) ( )P

E

EaE

G

aGG WT

TTQ

T

TTQ−

−≤

−

Si 0≅PW

( )( )EaG

aGE

G

E

TTT

TTT

Q

QCOP

−

−≤=

( )( )Ea

E

G

aG

TT

T

T

TTCOP

−•

−=max

Eficiencia termodinámicaEficiencia termodinámica

PG

E

WQ

QCOP

+=

hhQ −==

PRRPG

ERE

WhFhhFh

hh

WQ

QCOP

+−−−+

−=

+=

15101114

46

)()1(

RE

A

Rm

mF =

DC

DER

RXX

XXF

−

−=

Solvente en circulación

La cantidad específica del solvente circulando en relación a una

unidad de masa de vapor de refrigerante, en el caso de la cantidad

de solución concentrada, llevada por la bomba de la solución del

absorbedor al generador, está representada por la relación:

SDV XXf

−=

SDSC

SDV

XX

XXf

−

−=

La cantidad específica de la solución saliendo del generador por unidad de

refrigerante evaporado, , correspondiendo a la solución diluida regresando al

absorbedor a través de la válvula de expansión de la solución , está dada por:

SDSC

SCV

XX

XXf

−

−=−1

Diagrama entalpia-concentración para el sistema amoniaco-agua

Mezclas de vapores

Mezclas líquidas

Mezclas sólidas