Frío, reacciones químicas y energía solar: Tecnología frigorífica
Isaac Pilatowsky Figueroa / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigación en Energía de laUNAM
Archivo: Termodinámica
Los requerimientos de energía para la conservación y congelación de productos perecederos así como para la climatización de espacios, representan el 15% de la electricidad consumida en el mundo. La industria de la refrigeración y el aire acondicionado juega un papel muy importante en el desarrollo económico y social, al ofrecer tecnologías que permiten por un lado el ahorro de energía, al ofrecer un equipamiento eficiente y por otro lado disminuir el impacto ambiental al producir refrigerantes que no afecten a la capa estratosférica de ozono ni contribuyan al efecto de invernadero.
La tecnología frigorífica permite a través de las diferentes cadenas estructuradas de frío, mantener los productos perecederos en óptimas condiciones de higiene y asegurar el abasto oportuno de los centros de distribución. Esta tecnología ofrece una gran variedad de metodologías, en donde se utilizan muy variadas fuentes de energía para su operación, de manera general: la eléctrica, la mecánica y la térmica.
Existen una gran cantidad de comunidades rurales cuyo crecimiento económico y social depende en buena medida de la disponibilidad de una infraestructura frigorífica para la conservación y/o congelación de productos del mar, agrícolas y pecuarios. Sin embargo, en una buena parte de ellas, no se dispone del flujo eléctrico y hay poca o nula disponibilidad de combustibles, que permitan la operación de sistemas convencionales de refrigeración (por ejemplo: la compresión mecánica de vapores de refrigerantes).
Un refrigerador convencional, en su concepción más simple, actúa como una especie de bomba de calor, el cual tiene la función de absorber y extraer el calor de los productos (el cual es utilizado para vaporizar el refrigerante) hacia el medio ambiente. En la mayoría de las aplicaciones para la producción de refrigeración y aire acondicionado se utiliza el ciclo de compresión de vapores (refrigerantes), el cual transforma la electricidad en un trabajo mecánico, el cual es desarrollado por un compresor. Este sistema, utiliza la propiedad de ciertos fluidos, que pueden evaporarse a ciertas presiones y obtener bajas temperaturas. El nivel de temperatura y la capacidad de enfriamiento a baja temperatura, dependerán de la selección del fluido de trabajo, conocido como refrigerante.
El ciclo cerrado de refrigeración por compresión consiste en un compresor mecánico, un condensador, un evaporador, y una válvula de expansión. El compresor tiene dos funciones, la primera consiste en succionar el vapor de baja presión proveniente del evaporador y la segunda en comprimirlo aumentando su presión hasta alcanzar las condiciones de saturación para poderlo condensar. Una vez licuado, pasa a través de la válvula de expansión hacia el evaporador, en donde alcanza las condiciones de presión de saturación para obtener la temperatura deseada para proceder a la vaporización del vapor (refrigerante). El calor necesario para la vaporización, es tomado por el fluido (refrigerante) del medio que lo rodea, (productos alimentarios, aire, etc.) que esta a una temperatura superior. Una vez evaporado y haber obtenido el efecto refrigerante, el vapor es de vuelta succionado por el compresor, para iniciar un nuevo ciclo de refrigeración.
El refrigerador por compresión requiere de un consumo intensivo de energía, ya que en promedio funciona cerca de 18 horas al día. Existen otras opciones de tecnológicas frigoríficas que pueden operar con energía térmica, (refrigeración térmica). En este caso, es necesario reemplazar las funciones de succión y compresión del compresor por un dispositivo equivalente que utilice la energía térmica, sea la obtenida a través de la combustión de desechos agrícolas, del biogás, de efluentes de desecho de los procesos industriales o de la utilización de la energía termosolar, entre otros.
En un ciclo de refrigeración térmica, la función de succión del compresor es substituida por una succión no mecánica sino con una de carácter físico-químico, conocido con el nombre de sorción. Es decir que el vapor del refrigerante, puede ser succionado por un líquido o un sólido, formando soluciones o compuestos definidos, a los cuales al aplicarles una cierta energía térmica, es posible la regeneración o disociación del vapor, la cual al aumentar la temperatura, se eleva la presión, alcanzando las condiciones de saturación para su posterior condensación, (como ocurre a la descarga del compresor, en el ciclo a compresión). Una vez licuado el refrigerante, pasa al evaporador a través de la válvula de expansión para su evaporación y consecuente producción de frío, como en el caso de la refrigeración por compresión.
Como se puede observar, en la refrigeración térmica, las funciones del compresor del ciclo de compresión son substituidas por dos dispositivos, uno sorbedor, en donde se realiza la sorción (succión físico-química) y un desorbedor o generador de vapor en donde se separa el vapor del sorbente, por medio de la acción del calor aplicado. Entonces. un ciclo de refrigeración térmica esta constituido por un sorbedor, un desorbedor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador.
En el proceso de sorción los mecanismos que intervienen son variados y complejos, y en la mayoría de los casos, se caracterizan por una difusión de masa del elemento a transferir, del interior de su propia fase hacia la superficie del otro. Si la interacción es superficial (fuerzas atractivas de carácter físico) el proceso se conoce con el nombre de ad-sorción, pudiendo ser de naturaleza física o química (quimi-sorción). La cantidad de vapores adsorbida será función de la afinidad y de la superficie active disponible siendo por ejemplo, el caso de los sistemas zeolita-agua o carbón activado-metanol.
Existe otro proceso de sorción, el cual consiste en la solubilización de un vapor en el sorbente, conocido con el nombre de ab-sorción. En este caso, el fluido se difunde al interior de la fase del sorbente, integrándose a la fase del absorbato como el caso de amoniaco-agua o bromuro de litio-agua. Hay casos de absorción, donde una vez disuelto el fluido, este comienza a reaccionar químicamente, formando nuevos compuestos, como es el caso de las reacciones entre halogenuros de alcalinos y el vapor de amoniaco, siendo el caso de la refrigeración termo-química, es decir la integración de una reacción química, dentro de un ciclo de refrigeración, bajo el principio de la sorción.
En la refrigeración termoquímica, intervienen en su mayoría los sistemas sólido-gas, los cuales están basados en la “termicidad” de reacciones renversibles, en donde los productos que intervienen en la reacción son regenerados y recombinados térmicamente, es decir son reacciones exotérmicas durante el proceso de sorción y son reacciones endotérmicas durante la desorción. Estos sistemas presentan un gran interés, ya que ofrecen las posibilidades de la obtención de frío y de calor.
Los sistemas a reacción química no producen energía de manera continua, sin embargo son excelente almacenadotes de energía, y productores de frío o de calor (en este último caso se obtienen entre 300 a 400 Whkg-1), lo cual permite extender su utilización en procesos de calentamiento, enfriamiento o calentamiento y enfriamiento simultanea, para aplicaciones domésticas, comerciales e industriales. Existe una gran diversidad de reacciones sólido-gas, en una amplia gama de temperaturas de operación y calores de reacción, lo que permite seleccionar, sistemas d acuerdo a la disponibilidad energética y a las características más adecuadas de operación. Se considerarán aquellas reacciones con bajos requerimientos energéticos para la disociación del vapor (refrigerante) y con adecuadas velocidades de reacción, para su acoplamiento a la fuente térmica disponible o al ciclo diario solar, en su caso.
Estos sistemas de refrigeración están constituidos por un reactor sólido-gas de lecho fijo (el sólido permanece estático), un condensador y un evaporador, y no contienen ningún elemento mecánico en movimiento. La parte más importante es el reactor, el cual funciona como un medio para realizar la reacción química entre el sólido y el gas y los intercambios de calor y de masa.
En términos generales en la refrigeración termoquímica, se se tienen temperaturas de generación del refrigerante relativamente bajas (<100ºC), y el rendimiento termodinámico (energía frigorífica obtenida por energía térmica suministrada) varía poco respecto a las condiciones de operación. Sin embargo, sus principales inconvenientes son: la baja conductividad térmica de los sólidos que se utilizan y la dificultad para transportarlo al interior del sistema.
Las reacciones químicas que más se han utilizado y propuesto para la refrigeración termoquímica son: cloruro de calcio-amoniaco, cloruro de estroncio-amoniaco, cloruro de calcio-monometilamina, cloruro de litio-monometilamina, cloruro de bario –amoniaco, entre otros, la mayoría con utilización de la energía solar, debido principalmente a sus bajas temperaturas de disociación. En la mayoría de los casos, el rendimiento termodinámico es muy bajo, debido básicamente al problema de transferencia de calor en el sólido, lo que provoca una cinética muy lenta, además en la mayoría de los casos se ha utilizado el calentamiento directo con la energía solar, provocando una lenta e ineficiente conducción de calor.
Sin embargo, debido a su simplicidad, estos sistemas podrían apoyar el desarrollo económico y social de las regiones aisladas de los países en desarrollo, ofreciendo unidades de refrigeración y enfriamiento ambiental a un costo accesible, sobre todo si se emplean a nivel comunitario.
En la Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, del Departamento de Sistemas Energéticos del Centro de Investigación en Energía de la Universidad Nacional Autónoma de México, se diseño, construyó y evaluó un prototipo de refrigerador termoquímico, el cual utilizó la reacción química entre el cloruro de calcio y el refrigerante mono-metilamina, el cual operó con energía solar en un dominio de temperaturas de disociación del refrigerante entre 60 y 80 ºC. El estudio experimental, demostró la factibilidad técnica de este sistema, al mantener un volumen de 60 litros en un dominio de temperaturas entre 8 y 10 ºC, durante un período entre 8 y 10 horas de funcionamiento, con temperaturas ambientes entre 28 y 30 ºC. Este prototipo fue diseñado para la conservación de vacunas y medicamentos en zonas áridas.
Actualmente, se estadesarrollando un prototipo de refrigerador termoquímico que opera con lareacción química entre el cloruro de bario y el amoniaco, esta diseñado paraoperar en un dominio de temperaturas entre 60 y 70 ºC, (resultados obtenidos enel laboratorio) utilizando como fluido térmico agua caliente proveniente decaptadores solares de mediana temperatura, con concentradores del tipoparabólico compuesto. Se pretende con este sistema producir una cantidadequivalente a 50 kg de hielo por día solar. Este proyecto se encuentra en fasede instalación e instrumentación para su evaluación experimental.
Vista parcial del sistema de refrigeración solar termoquímica
Cloruro de bario – amoniaco parala fabricación de hielo
Vista interior del reactor-sólido gas del refrigerador termoquímicocloruro de bario-amoniaco
Refrigerador solar termoquímico basado en la reacción entre el cloruro de calcio y el refrigerante monometilamina, para la conservación de vacunas.
El Dr. Isaac Pilatowsky Figueroa es investigador del Centro de Investigación en Energía y profesor del Posgrado en Ingeniería de la UNAM; miembro del Sistema Nacional de Investigadores, las líneas de investigación: termodinámica aplicada a máquinas térmicas, transferencia de calor y masa y aplicaciones térmicas de la energía solar en procesos de refrigeración, aire acondicionado y secado de productos agrícolas.