Los sistemas exergéticos

EXPANSIÓN

Hoy en día, uno de los temas de mayor importancia es el estudio de los sistemas exergéticos. En donde este nos rebela el potencial de energía que se puede convertir en trabajo útil y que tiene un valor económico. De igual manera, se puede establecer el estudio de las irreversibilidades que se pueden presentar en el sistema (destrucción de la exergía).

En este artículo los temas a tratar son el del análisis de la exergía, el comportamiento de los ciclos de refrigeración y el estudio de los refrigerantes que como bien sabemos son tan importantes en la vida cotidiana. “El balance de exergía como un postulado de la 2º ley de la Termodinámica, permite determinar las pérdidas de exergía debido a la irreversibilidad de todos los procesos reales”. (Dora Paz & Gerónimo J. Cárdenas, 2005).                                                          

los índices de perdida de exergía en los sistemas de refrigeración se dan por distintos factores como lo son:

• Ineficiencias en la compresión: Muy representativas en la mayoría de los sistemas. Están asociadas a los rendimientos eléctrico, mecánico, volumétrico e isentrópico. Ejemplo: la capacidad de llenado del cilindro se afecta por efecto del intercambio de calor entre las paredes calientes y el vapor refrigerante que penetra, se consume energía de alta calidad (eléctrica) para realizar trabajo sin que se logre el efecto útil deseado.
• Calor rechazado al sumidero: Este flujo de calor es considerable, pero de baja calidad energética (flujo de calor en tránsito).
• Caída de presión en conductos: Usualmente pequeñas comparadas con otras pérdidas, por lo general no son tomadas en cuenta para la evaluación exergética del sistema.
• Pérdidas de calor en la válvula de expansión: Significativas en los sistemas de baja temperatura. (Paguay & Tania, 2014)

No obstante, se presentan inconvenientes en el análisis de la exergía en los ciclos de refrigeración, como lo es la temperatura de referencia que resulta como dato apropiado en el análisis de este, debido a que la necesitamos como relación para saber cuál va ser el valor de estado final o estado muerto, (punto en el cual se logra la mayor exergía).

Otro punto a tener en cuenta es que estos ciclos trabajan con temperaturas que tienden a ser inferiores y superiores a la temperatura de estado ambiente, lo que implica resultados exergéticos en algunos puntos negativos llevando a rebatir los principios termodinámicos.

(Szargut, David, & Frank, 1988), resuelve esta problemática adicionando a cada una de las corrientes exergéticas del sistema la mayor exergía negativa obtenida, cambiando la escala por descenso del sistema de referencia y convirtiendo todas las corrientes exergéticas negativas en términos positivos.

RESEÑA DE LA APLICACIÓN  

El estudio se realizó en un ciclo de refrigeración usual por compresión de vapor en un sistema en donde se usó agua como centro de enfriamiento.

[pic 2]Fig 1

El sistema contó con dos circuitos de trabajo: el primario donde evoluciona el refrigerante R22 y el secundario donde se utiliza agua para la distribución de frío a los locales a climatizar. En la Figura 2 se muestra la representación del ciclo de refrigeración en el diagrama Presión Entalpía.

[pic 3]

                                                    Fig 2

DISCUSIÓN

En definitiva, se obtuvo resultados contradictorios, los cuales indican que la exergía es menor cuando a pasando el proceso de compresión que antes de este. Esto se da, debido al cambio de las corrientes exegéticas negativas a positivas. Además, que componentes como lo son el compresor y el mecanismo de expansión manifiestan gran incidencia en las irreversibilidades totales del sistema.

Aunque este principio está bien establecido, aún no ha sido de gran aplicación en los ciclos de refrigeración. Esto se debe a la diversidad que hay entre los criterios de las temperaturas de referencia las cuales tiende a ser fundamentales en el cálculo de la exergía.

Por otra parte, la temática del uso de energía solar como fuente renovable de energía para los sistemas de refrigeración resulta eficaz y más en las zonas donde los promedios de radiación tienden a ser elevados. Pero ¿Dónde se podría implementar esto?, ¿Cómo funciona?  

Pastaza es una de las provincias del Ecuador con bajo porcentaje de cobertura del servicio eléctrico donde solo el 80,73 % de la provincia está electrificada debido fundamentalmente a su difícil acceso, existiendo muchas comunidades no electrificadas. (Paguay & Tania, 2014)

                             [pic 4]

                                                    Fig 3  

La figura 3 representa el esquema de un sistema de refrigeración solar por absorción.

La figura 4 representa el esquema de un sistema de refrigeración por compresión de vapor.

[pic 5]

                                                 Fig 4

FUNCIONAMIENTO              

Como se ve en las dos imágenes (fig3, Fig 4), el interés del ciclo de absorción es mejorar la parte del compresor y evitar al máximo el consumo de energía eléctrica.

Para ello utilizamos energía solar y dos fluidos de trabajo.

El ciclo se basa físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor. Otra posibilidad es emplear el agua como substancia absorbente (disolvente) y amoníaco como substancia absorbida (soluto). (wikipedia, 2016)

En la figura 3 se observa un ejemplo con una mezcla entre agua (H2O) y amoniaco (NH3).

El funcionamiento de una máquina por compresión es muy parecido al de absorción salvo que esta sustituye el compresor por diferentes mecanismos que ayudan con la absorción de la energía solar.

De igual manera se pueden situar estados de baja presión en el que trabaja el evaporador y el absorbedor y por el contrario de alta presión donde se localiza el condensador y el generador.  

El proceso se lleva a cabo cuando se aumenta la presión en el generador. Producto del aumento de la temperatura por la energía solar. Es ahí donde dado el caso el amoniaco que es más volátil pasa y se condensa en el condensador, liberando calor hacia los alrededores de este.

De igual manera al ciclo de refrigeración por compresión, este pasa por la válvula de alivio la cual aliviana la presión y tiende a cambiar el estado del amoniaco líquido puro a vapor frio absorbiendo el calor del espacio refrigerado.

Por consiguiente, entra al absorbedor en donde se disuelve con el agua y da lugar a una reacción exotérmica en la cual hay liberación de calor.

Es necesario enfriar el absorbedor para mantener su temperatura lo más baja posible. La mezcla es bombeada al generador en donde el calor nuevamente afecta la mezcla y evapora una parte de la solución la cual es rica en amoniaco.

Esta pasa por un rectificador que separa el agua regresándola al generador. como resultado, el vapor puro de NH3 sigue con el ciclo mientras que el agua pobre en Nh3 pasa al regenerador en donde cede parte del calor a la solución enriquecida que sale de la bomba y termina estrangulándose hasta la presión del absorbedor. (Correa, 2015)

Por tal motivo en el ciclo se presentará el mismo inconveniente en el tema de la exergía que se había hablado anteriormente. ya que, en operación, ninguno de los dos fluidos tenderá a estar en equilibrio con el ambiente.

DIVERSAS TECNOLOGÍAS DE CAPTADORES

CLASIFICACIÓN DE ESTOS

[pic 6]

                                                Fig 5

A grandes rasgos estos captadores se pueden clasificar en:

FPC Captadores de placa plana estándar.

FPC-IRC: Captadores de placa plana integrados

FPC-CPC: Captadores de placa plana con reflectores ópticos.

FPC-Aire Captadores de placa plana que utiliza como fluido térmico el aire.

ETC: Captadores de tubo al vacío estándar.

ETC – CPC: Captadores de tubo al vacío con reflectores ópticos.

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