Prototipo de máquina frigorífica de absorción de LiBr/H2O de doble efecto condensada por aire

Resumen

Con esta tesis se pretende contribuir al desarrollo comercial de una máquina de absorción de alta eficiencia, de aplicación en la climatización de viviendas y vehículos de transporte, como camiones, autobuses o barcos. Para ello se han desarrollado dos líneas de actuación: una teórica y otra experimental. La tesis se ha dividido en 7 capítulos. El capítulo 1 sirve de introducción al trabajo. Describe una visión global del panorama energético nacional, incidiendo en los problemas que aquejan al sector energético, y justificando el gran interés en investigar en el tema de esta tesis, como potencial solución dentro del campo de la climatización. El capítulo 2 detalla de modo general los fundamentos básicos de la tecnología de absorción. Comienza con una narración del devenir histórico que ha experimentado esta tecnología, desde sus inicios a mediados del siglo XIX. A continuación se presenta una clasificación de las distintas máquinas de absorción en función del número de efectos, sistema de condensación, par/refrigerante empleado o fuente de calor. Este capítulo también introduce los tres principales ciclos de absorción: simple efecto, efecto mitad y doble efecto. Para cada ciclo se describen los componentes que lo conforman y se realiza un balance de masa y energía, a excepción hecha del ciclo de doble efecto, que se analiza en mayor profundidad en capítulos posteriores. El capítulo 3 revisa los últimos avances en el campo de las máquinas de absorción de pequeña potencia condensadas por agua y por aire, realizando un análisis crítico de la situación actual de las máquinas de absorción de pequeña potencia en el mercado. La información aportada en los capítulos 2 y 3 será útil para valorar los resultados obtenidos en los capítulos 5 y 7. En el capítulo 4 se efectúa el estudio teórico de la máquina de absorción de doble efecto condensada por agua. Se comienza realizando una modelización de los componentes de la misma, tanto desde el punto de vista de los fluidos interiores como de los fluidos exteriores. Acto seguido se construye un programa que proporciona el incremento de la concentración de la disolución a su paso por los dos generadores para lograr un rendimiento óptimo. Este resultado, junto con las ecuaciones modelizadas, son introducidos dentro de un programa que simula el funcionamiento de la máquina para tres días representativos de la temporada de climatización: templado, caluroso y muy caluroso. Los resultados ofrecen los valores que deberán adoptar los parámetros de operación para lograr un funcionamiento óptimo de la máquina. Estos resultados son completados con los valores estacionales de los principales parámetros. En el capítulo 5 se efectúa un análisis teórico de la máquina de absorción de doble efecto condensada por aire. Se utilizan las ecuaciones modelizadas para la máquina condensada por agua que son comunes, y se añaden las específicas de la condensación por aire. Con ello se calcula el incremento de la concentración de la disolución óptimo para lograr el máximo rendimiento de la máquina. Asimismo se construye un programa que simula el funcionamiento de la máquina para los tres días representativos de la temporada de climatización, para lograr un funcionamiento óptimo de la máquina de doble efecto condensada por aire. En este capítulo se presenta asimismo un sistema novedoso de condensación por serie, el cual refrigera la disolución que llega al absorbedor en el exterior de este componente. En el capítulo 6 se muestra el modelo experimental aplicado sobre los dos prototipos de máquina de absorción de LiBr/H2O de doble efecto condensados por aire. Asimismo se describen las principales variables que intervienen en su funcionamiento. Estas variables han sido agrupadas especificándose su rango de operación y el procedimiento seguido para su obtención. En el capítulo 7 se exponen los resultados experimentales obtenidos en los ensayos efectuados con los dos prototipos. Según nuestro conocimiento, esta tesis recoge, por primera vez, resultados experimentales realizados sobre prototipos de estas características. Estos resultados son comparados con los obtenidos mediante la simulación numérica del capítulo 5. A continuación, se comparan las prestaciones de los nuevos prototipos con las que ofrecen las máquinas existentes en el mercado, concluyendo que el Prototipo II es competitivo con las máquinas comerciales. Este prototipo produce agua fría a 13,5ºC para una temperatura exterior de 40ºC. Finalmente, el capítulo 8 presenta las conclusiones y los futuros trabajos de investigación. Esto incluye la optimización y la implantación de un prototipo de máquina de absorción de doble efecto condensada por aire en el mercado. Quedan abiertas otras líneas de investigación para la optimización de otros componentes de la máquina como el generador de alta temperatura o el evaporador.____________________________________ This thesis aims to promote the commercial development of an air-cooled high efficiency absorption machine, for its use in cooling houses or transportation vehicles, such as trucks, busses or boats. Towards this objective, two main research lines have been carried out: one theoretical and another experimental. The thesis is organized into seven chapters. The first Chapter provides an introductory framework for this thesis work. It describes the scope of the national energy problem, justifying the great interest in performing the research in the topic of the thesis, as a potential solution to this problem in the field of acclimatization. Chapter 2 describes an overview of the absorption technology. The chapter narrates a historical trajectory of this technology since the beginning in the mid nineteenth century. The different absorption machines are further classified by the number of effects, condensation system, refrigerant used or heat source. This chapter also describes the three main absorption cycles: simple effect, half effect and double effect. For each cycle, the components are specified, and an energy and mass balance is calculated, with the exception of the double effect cycle, which is analyzed in detail in later chapters. Chapter 3 reviews the latest advances in the field of low power water-cooled and air-cooled absorption machines. A critical analysis of the present market situation for low power absorption machines is performed. The background information in chapters 2 and 3 will be useful to interpret the results in chapters 3 and 5. A theoretical analysis of the water-cooled double effect absorption machine is performed in Chapter 4. First, modeling of its components is carried out, including both the internal and external fluids. Next, a program was created in order to infer the required increase in the solution concentration to achieve an optimal yield. These results, together with the modeling equations, were included in a program that simulates a working machine for three representative days in the cooling season: mild warm, warm and hot weather. The obtained results offer the operating values to achieve an optimal functioning of the machine. These results are complemented with the seasonal values obtained for the main parameters in further chapters. In Chapter 5, a theoretical analysis of the double effect absorption machine is performed for an air-cooled machine. Specific air-cooled equations were added to the former equations for the water-cooled absorption machine that are shared by both water and air cooled machines. Accordingly, the optimal increase in the solution concentration to achieve the maximal yield was calculated. Then it is created a program that simulates the working machine for three representative days in the cooling season, in order to achieve an optimal yield for the air-cooled double effect absorption machine. Furthermore, a new series air-cooled system is presented in this chapter, which cools the solution of the absorber in an outside heat exchanger. Chapter 6 describes the experimental model that represents two different aircooled double effect LiBr/H2O prototypes. The main variables involved in the prototype functioning are presented. These variables were classified according to the operation range and required procedure for its generation. Chapter 7 outlines the experimental results obtained from testing of both aircooled double effect LiBr/H2O prototypes. To our knowledge, this thesis reports for the first time the experimental results on this type of prototypes. These results are compared to the theoretical results outlined in chapter 5. Then, a comparison is performed between both new prototypes and the existing machines in the market; concluding that prototype II is competitive with commercial machines. It produced chilled water at 13,5ºC when outdoor temperature was 40ºC. Finally, chapter 8 summarizes the conclusions and future directions of this thesis. This includes optimization and insertion of an air-cooled double effect absorption machine prototype in the market. Future research will focus on optimization of other machine components e.g. high temperature desorber or evaporator.