Hay tres campos de la refrigeración solar, uno se refiere a la utilización de la arquitectura bioclimática para producir acondicionamiento ambiental utilizando de manera directa e indirecta la energía solar otro es el acondicionamiento de aire utilizando energía solar y finalmente la refrigeración a nivel industria empleando energía solar térmica.
Sistemas pasivos de refrigeración solar.
La arquitectura solar es una forma de refrigeración que utiliza el diseño estructural, los materiales y procesos como la evaporación del agua en forma directa e indirecta a través de las plantas, además de usar conceptos como la radiación nocturna; entonces se tiene que todos estos factores son elementos que se pueden combinar de manera inteligente en una edificación para poder provocar enfriamiento del lugar y desde luego una mejor climatización dentro del edificio.
Estos sistemas son catalogados como pasivos, en el sentido que no hay nada en movimiento de acuerdo con Nietro et, al, todos son elementos que están quietos pero que actúan a ciertos principios de la termodinámica y es el resultado de obtener una temperatura de la edificación agradable. En contraste con los métodos pasivos, existen los sistemas activos que funcionan básicamente con energía solar.
Mecanismos de transferencia de calor presentes en el uso de la energía solar pasiva
En términos de energía solar pasiva, la transferencia de calor por conducción puede ser beneficiosa o perjudicial. Es decir, en invierno necesitamos obtener calor, pero en verano un exceso de calor puede generar temperaturas demasiado altas en la vivienda.
La infiltración de aire no controlada puede contribuir hasta el 40% de la pérdida de calor durante el invierno. Sin embargo, la colocación estratégica de ventanas o ventilaciones puede mejorar la convección, la ventilación cruzada y el enfriamiento en verano.
Figura Aplicación de la energía solar pasiva a edificaciones
En edificios construidos siguiendo los parámetros de la arquitectura pasiva es muy importante utilizar elementos constructivos con una gran capacidad de aislamiento térmico. De tal forma que se reduzca la ganancia térmica por convección por parte de la envolvente del edificio en verano y en sentido contrario durante el invierno.
La radiación solar se absorbe principalmente a través del techo y las ventanas. La radiación solar también es importante en días fríos y despejados. Si se quiere reducir el calor que entra a través de las ventanas se puede reducir mediante el acristalamiento aislado, el sombreado y la orientación de las ventanas. La arquitectura solar pasiva hace uso de invernaderos, muros Trombe y chimenea solar para conseguir lo antes mencionado cuyo principio es aprovechar al máximo el aporte energético que ya recibe de por si nuestra vivienda.
Sistemas activos de refrigeración solar
El uso de la energía solar puede tener una gran participación en la operación de los sistemas de refrigeración además de que la refrigeración solar ofrece una gran variedad de opciones tecnológicas, que pueden operar por conversión térmica o fotovoltaica (PV).
Sin embargo, la refrigeración solar térmica ofrece algunas ventajas respecto a la PV solar, entre las que se encuentra el gran número de alternativas tecnologías que se pueden acoplar a los colectores, entre los que se encuentran sistemas térmicos abiertos (desecantes sólidos o líquidos) o cerrados (ciclos de absorción y adsorción), y sistemas termo-mecánicos (ciclos Rankine o con eyectores). La mayor parte de los sistemas de refrigeración solar térmica existentes en el mercado o como prototipos, se basan en sistemas de absorción y, en segundo lugar, adsorción.
Los más comerciales son los sistemas por absorción, sistemas por adsorción y sistemas por eyecto comprensión. Estos son sistemas de refrigeración alternativos a la compresión mecánica y pueden utilizar al sol como fuente de energía. Cualquiera de estos tres sistemas: absorción, adsorción y eyecto compresión, tienen un principio único que es el reemplazar el compresor mecánico que requiere de grandes cantidades de electricidad por un conjunto de elementos que van a hacer la misma función que el compresor mecánico, sólo que van a utilizar una pequeña cantidad de electricidad y van a utilizar mucha energía calorífica. Esa energía calorífica se va a tomar del sol.
Refrigeración solar por absorción.
Para hacer funcionar los equipos de refrigeración por ciclo de absorción, se utiliza calor que puede proceder de muy diversas fuentes. Hay unidades conocidas como a llama directa, que consumen combustibles gaseosos o líquidos, mientras que otras utilizan el calor aportado por agua caliente, sobrecalentada o vapor. Este agua caliente o vapor puede ser residual de procesos industriales, de equipos de cogeneración (motores térmicos o turbinas), de pilas de combustible, de calderas de biomasa o, incluso, calentadas con energía gratuita y renovable como la solar.
Los equipos de refrigeración por ciclo de absorción pueden ser usados de manera tan amplia como cualquier otra planta refrigeradora de agua convencional, y las aplicaciones para aire acondicionado son las más usuales.
La tecnología de enfriadoras de absorción que se disponen actualmente en el mercado ha derivado en dos grandes grupos en función del refrigerante y del tipo de absorbente utilizado. Uno de ellos utiliza una solución de amoniaco y agua siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el absorbente. El otro grupo emplea una solución de bromuro de litio (LiBr) con agua donde ésta actúa como refrigerante siendo las sales de LiBr el absorbente.
Así se tienen equipos comerciales de refrigeración por absorción con ciclo de NH3/H2O y H2O/LiBr, H2O/ LiCl. El par más usado es el de H2O/LiBr, aunque también es utilizado el par NH3/H2O en aplicaciones en las que es necesaria una temperatura menor de 0 °C, ya que las temperaturas de refrigeración están limitadas a la temperatura de congelación del refrigerante, y el amoniaco permite llegar a los -77°C. Sin embargo, el H2O/LiBr presenta varias ventajas frente al NH3/H2O:
Ciclo de absorción de H2O/LiBr
Las enfriadoras de absorción accionadas por agua caliente de origen solar permiten obtener agua refrigerada a temperatura de entre 3.5 y 15°C para instalaciones de climatización u otros usos.
El generador de la máquina de absorción de H2O/LiBr puede ser accionado con agua caliente procedente de los captadores solares térmicos, a una temperatura nominal de 88°C aunque ya se logra el efecto frigorífico con agua caliente a partir de 70°C. La capacidad frigorífica depende de la temperatura de entrada del agua caliente, siendo mayor cuanto más elevada sea esta.
Aunque es necesario realizar un cálculo preciso en función de la ubicación del campo solar y las características de los captadores utilizados, para una primera aproximación, utilizando agua caliente a 88°C, puede considerarse que se necesitan en torno a 2.5 – 3 m2 de superficie de captación por cada kW de capacidad frigorífica de la enfriadora de absorción.
También es necesario instalar uno o más depósitos acumuladores de agua caliente para reservar en ellos la diferencia de aportaciones de calor, cuando la insolación excede la demanda de la enfriadora, o cuando la aportación sea deficitaria frente a la demanda. La figura siguinte, presenta el principio básico de la refrigeración solar a través de un ciclo de absorción de simple efecto.
Figura Esquema del principio de refrigeración solar por absorción.
La diferencia de diseño entre las máquinas de absorción de simple y de doble efecto en serie conlleva una diferencia también en su eficiencia. Para las primeras son habituales valores de COP entre 0.6 y 0.7 y mientras que para las segundas se alcanzan valores entre 0.8 y 1.2.
La principal aplicación de este tipo de instalaciones es aprovechar un campo solar para obtener agua refrigerada de apoyo al sistema de aire acondicionado, cubriendo sólo una parte de la demanda frigorífica, dada por el campo solar. Los edificios más adecuados para diseñar este tipo de instalaciones son principalmente hoteles de tamaño mediano o grande, hospitales y aplicaciones de procesos industriales.
El primer prototipo de una máquina de absorción (con fluido de trabajo NH3/H2O) fue patentado en 1859 por Ferdinand Carre, la cual fue utilizada principalmente para fabricar hielo y almacenar alimentos.
Las máquinas de absorción pueden clasificarse según los pares de sustancias que actúan como refrigerante/absorbente y según el número de efectos. El termino efecto hace referencia al generador de la máquina, por ejemplo, un simple efecto tiene 1 generador y un doble efecto tiene 2 generadores.
Respecto a los fluidos de trabajo utilizados, se presentan los siguientes pares, donde se usa la terminología para identificar la función de los fluidos Refrigerante / Absorbente.
- H2O/ LiBr
- H2O/LiC
- NH3/H2O
El par más usado es el de H2O/LiBr, aunque también es utilizado el par NH3/H2O en aplicaciones en las que es necesaria una temperatura menor de 0°C, ya que las temperaturas de refrigeración están limitadas a la temperatura de congelación del refrigerante, y el amoniaco permite llegar a los -77°C. Sin embargo, el H2O/LiBr presenta varias ventajas frente al NH3/H2O:
- El NH3 por su carácter tóxico necesita utilizar sistemas indirectos.
- El ciclo de H2O/LiBr tiene un coeficiente de operación mayor que el de NH3/H2O.
- No necesita torre de destilación (el LiBr no se evapora en las condiciones de trabajo por su elevado punto de fusión y ebullición).
La principal ventaja de utilizar el par NH3/H2O es que no existen problemas de cristalización, las principales desventajas de H2O/LiBr son la disipación de calor por el agua de torres de refrigeración, cristalización, corrosión.
Respecto a los efectos utilizados con los siguientes números se han obtenido buenos resultados:
- Simple efecto
- Doble efecto
- Triple efecto
- Medio efecto
El principal objetivo de los sistemas con más efectos es aumentar la eficiencia del sistema cuando se dispone de una fuente de calor a mayor temperatura. El termino efectos se debe a que el calor que se rechaza en el efecto de mayor temperatura se usa como fuente de calor en el efecto de menor temperatura. De esta manera se consigue un aumento notable en el coeficiente de operación (COP) respecto a las de simple efecto.
Las empresas Yazaki y Thermax fabrican plantas enfriadoras por ciclo de absorción y Robur fabrica bombas de calor por este mismo ciclo.
Refrigeración solar por adsorción.
El principio de funcionamiento es similar al de un sistema de absorción, aunque en este caso el absorbente no es un líquido, sino un sólido. Esto implica que las características de la operación sean sensiblemente diferentes.
Los sistemas de enfriamiento por adsorción en la actualidad adquieren importancia por su posibilidad de utilizar la energía solar térmica y pares de refrigerantes-adsorbentes amigables con el ambiente, lo cual lo convierten en una tecnología limpia.
Los sistemas de adsorción cuentan con dos fases: primero una etapa de refrigeración/adsorción seguida a continuación de una etapa de regeneración/desorción. Estos cuatro procesos tienen lugar en cuatro componentes del sistema: evaporador, adsorbedor, condensador y desorbedor.
Figura Esquema de un enfriador típico de adsorción con dos cámaras de adsorción, un evaporador y un condensador.
Los sistemas de adsorción utilizan agua como refrigerante y gel de sílice como adsorbente y estos son los más habituales en el mercado. Su baja temperatura de regeneración lo convierte en la alternativa más adecuada para acoplarlo a colectores solares planos con temperaturas de trabajo sobre los 85 °C.
Sin embargo, tiene una capacidad limitada de adsorción y requiere condiciones de trabajo de vacío. Otros materiales utilizados son las zeolitas como material de adsorción, o el par metanol/ carbón activado, que ofrece la posibilidad de refrigeración por debajo de 0 °C.
Los valores habituales del COP de enfriadoras de adsorción se encuentran entre 0.5-0.6.
La aplicación de los sistemas cerrados de adsorción para refrigeración es menor que los de absorción, ya que actualmente sólo se trabaja con agua como fluido de trabajo, y ésta limita la temperatura mínima de trabajo debido al punto de congelamiento del agua (0°C). La potencia de refrigeración disponible de estas tecnologías está dentro de un rango que cubre desde los 13 hasta los 90 kW. Sin embargo, la empresa japonesa Mayekawa produce equipos hasta los 400 kW de potencia.
Refrigeración solar por desecantes sólido
La refrigeración por desecantes sólidos se basa en el enfriamiento evaporativo de un aire húmedo previamente deshumidificado a través una sustancia desecante sólida. Se utiliza el término abierto para indicar que el refrigerante, después de proporcionar la refrigeración no se recupera.
El ciclo base de este tipo de tecnologías es el ciclo ventilado o ciclo Pennington. Sus componentes principales son la rueda desecante, el recuperador sensible, el enfriador evaporativo y el calentador. En la Figura 8.36 se muestra un esquema de un sistema de refrigeración por desecante solido (rueda desecante) que funciona con energía solar.
Los desecantes más destacables son, el gel de sílice (SiO2·nH2O), alúmina activa, zeolita sintética y carbón activado.
La aplicación de estos sistemas es principalmente para aire acondicionado donde las temperaturas no bajan los 15 °C, una de las características del acondicionamiento de aire con desecantes y refrigeración evaporativa, es que se ejerce un buen control tanto de la temperatura del local a acondicionar, como de la humedad, factor que los tradicionales sistemas de acondicionamiento de aire no suelen tener en cuenta. Respecto a la capacidad de trabajo típicamente se encuentran sistemas entre el rango de 20 a 350 kW de potencia, con caudales de aire frio que superan los 5000 m3/h.
Figura Esquema de un sistema abierto de climatización solar mediante rueda desecante.
Refrigeración solar por desecantes líquido.
Los sistemas por desecantes líquido son muy similares a los por desecantes sólido, la principal diferencia es el estado del desecante. Estos sistemas tienen un ciclo abierto en el enfriamiento del refrigerante, pero un ciclo cerrado para su deshumidificación, utilizando un sistema de absorción.
La tecnología de refrigeración por desecantes líquidos presenta una serie de ventajas con respecto a la de sólidos, ya que tiene menos pérdidas de presión, menores temperaturas de regeneración (entre 50 y 80 °C), y tiene la capacidad del eliminar las partículas contaminantes. Sin embargo, también presentan problemas de corrosión y son equipos voluminosos y caros, por lo que son menos usados que los de desecantes sólidos.
En la Figura 8.37, se muestra un sistema típico de desecante líquido acoplado a un sistema solar. En el deshumificador de esta figura, la solución concentrada se atomiza (punto A) sobre el intercambiador de refrigeración (punto B) mientras que se está introduciendo aire del ambiente (punto 1). La solución absorbe humedad del aire y, al mismo tiempo, se enfría por el intercambiador de refrigeración. El resultado de este proceso es el aire frío y seco (punto 2) y la solución diluida (punto C). En el regenerador, la solución diluida se esparce en forma de espray (punto D) sobre el intercambiador de calor (punto E), que está conectado a un colector solar, y aire en condiciones ambientales se hace pasar a través de estos. El resultado es la solución concentrada (punto F) y aire caliente y húmedo rechazado (punto 5).
Figura Esquema ejemplar de un sistema abierto de climatización mediante desecante líquido.
La mayoría de los sistemas por desecación líquida se encuentran en fase de investigación. Los aspectos en los que se están desarrollando más investigaciones son los tipos de desecante líquidos utilizados y la hibridación de estos sistemas.
Los desecantes líquidos más comunes son el cloruro de calcio, el cloruro de litio, el bromuro de litio y el trietilenglicol. También se han utilizado algunas mezclas de estos componentes, ya sea entre ellos mismos o con otros compuestos.
Los sistemas de refrigeración por líquido desecante se pueden utilizar para el acondicionamiento de aire que requiere la eliminación de partículas contaminantes. Se identifican tres tipos de industrias principales: Oficinas, edificios residenciales y públicos, almacenes y bodegas de producción con fines de archivo y conservación, procesos de producción de alimentos, farmacéutica, la producción de semiconductores, industria del caucho, productos de confitería.
Sistemas termo-mecánicos
En los sistemas termo-mecánicos de refrigeración solar el calor recolectado por el captador solar se transforma en energía mecánica que luego se usa para comprimir un fluido de trabajo bien directamente en un ciclo de compresión (ciclo de compresión con eyector) o bien indirectamente (mediante el acople con un ciclo Rankine orgánico).
Los sistemas termo-mecánicos de refrigeración solar no han recibido tanto impulso como los sistemas de sorción que anteriormente se explicaron, no obstante, presentan una serie de ventajas respecto a estos: habilidad de producir electricidad a bajas temperaturas (<0°C) usando el fluido de trabajo adecuado, habilidad de producir electricidad cuando no es necesaria la refrigeración acoplando el motor principal a un generador eléctrico, manteniendo buenas eficiencias en condiciones fuera de diseño y posibilidad de uso de un amplio rango de temperaturas como fuente de calor.
Refrigeración Solar por Compresión -Ciclo Rankine
Los sistemas de refrigeración por compresión–Rankine son sistemas de refrigeración termo-mecánico y, son sistemas que refrigeran por compresión, donde el compresor es acoplado a la turbina de un ciclo Rankine.
En este sistema de refrigeración se unen dos procesos termodinámicos, el ciclo de refrigeración y el ciclo Rankine. Estos dos ciclos interactúan en la turbina y en el compresor, tal y como se puede observar en la Figura 8.38: en rosa el ciclo Rankine, en azul el ciclo de refrigeración.
Los componentes de estos sistemas son los de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor: un condensador, una válvula de expansión, evaporador y un compresor. Además, estos sistemas tienen los elementos relacionados con el ciclo Rankine: la bomba, el condensador, el generador de vapor (caldera o captadores solares) y la turbina de vapor.
La tecnología de CRO es una tecnología aun en desarrollo se encuentra aún en etapa experimental no obstante se tienen algunos casos de plantas piloto. El acople de sistemas solares ciclos de refrigeración es una tecnología conocida, sin embargo, la combinación de ambos ciclos es una tecnología poco desarrollada.
Figura Esquema de un sistema de refrigeración mediante compresión ciclo Rankine. (Fuente EIA).
Refrigeración Solar por ciclo Eyección.
La refrigeración por ciclo eyección o Steam Jet Expulsor Chiller (SJEC) es similar al sistema de refrigeración por compresión de vapor, con la diferencia que se sustituye el compresor por un eyector. Este sistema se considera termo-mecánico, ya que utiliza el vapor sobrecalentado para succionar el vapor del evaporador.
La Figura 8.39, muestra como un eyector de vapor se podría integrar en un ciclo de refrigeración solar. El vapor producido por el campo solar pasa a través del eyector.
Durante este proceso, la presión de evaporador se reduce y el agua se vaporiza en el evaporador (V) absorbiendo calor del agua que será usada después para la refrigeración.
Existen numerosas empresas productoras de enfriadores de eyector de chorro de vapor para uso industrial. Esta tecnología se utiliza actualmente para grandes flujos continuos de agua enfriada en aplicaciones industriales.
Sin embargo, la aplicación de eyectores en esquemas de refrigeración solar no es un tema muy desarrollado, aunque existen algunas pruebas experimentales y prototipos. El problema principal de acoplar un eyector con captadores solares es que las temperaturas alcanzadas por estos hacen que el uso de agua como fluido de trabajo sea muy complejo. Las presiones de operación estarían por debajo de las atmosféricas por lo que hay riesgos de entrada de aire al circuito. Por tanto, otros fluidos se suelen considerar en los estudios experimentales los cuales son además del agua los refrigerantes R113, R11, R22, R123, R134, R717 y R600a, con valores de COP que llegan a 0.7.
Figura Integración de un sistema de refrigeración con eyector.
Según el resumen de proyectos de refrigeración solar de Montagnino, la refrigeración solar es aplicable a numerosos contextos, desde instalaciones pequeñas (en el rango de los kW) a grandes (hasta 1MW o más). Normalmente las plantas se instalan con algún sistema adicional de gas natural y/o un almacenamiento que también hace de buffer para la estabilización de la temperatura de entrada.
En el mercado actual se tienen componentes maduros de refrigeración. Las grandes máquinas de sorción existen desde hace décadas, funcionando principalmente con energía de desecho o calderas a gas.
Actualmente, si consideramos el COP de la refrigeración, la compresión es la que tiene un mayor COP. Sin embargo, cuando combinamos la refrigeración con energía solar, la tecnología de refrigeración más eficiente son las máquinas de absorción de doble y triple efecto acopladas a colectores de concentración, tal y como se observa en la Tabla 8.4, que incluye los datos del COP de las distintas tecnologías. Sin embargo, la mayoría de los sistemas instalados son colectores planos con máquinas de absorción de simple efecto.
Además, una ventaja de las máquinas de sorción es que la falta de piezas móviles y vibraciones hace que aumente la vida útil de estos sistemas comparados con un sistema de compresión. Tabla 8.4 Datos de COP de varias tecnologías de refrigeración solar
