Resumen: T-058

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006

Refrigeración solar mediante ciclo de amoniaco-agua acoplado a un concentrador solar. 1

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Esquivel, O.* - Busso, A. - Sogari, N. - Franco, J.

1. G.E.R – Grupo en Energías Renovables – FaCENA – UNNE Campus Libetad – Av. Libertad 5460 – 3400 Corrientes Tel: +54 3783 473931 int. 129 / Fax: +54 3783 473930/ e.mail: [email protected] 2. INENCO – UNSa. – Av. Bolivia 5150 – A4408FVY – Salta. [email protected] RESUMEN: En este trabajo se evalúa la posibilidad de integrar un refrigerador de absorción de ciclo Amoníaco–Agua con un sistema de colección solar por CPC. Se presenta además, como primera etapa del trabajo, una propuesta experimental para la determinación de los parámetros de funcionamiento del refrigerador como ser, potencia demandada por el equipo, el rango de temperaturas de trabajo de los diferentes componentes del ciclo y su temperatura óptima de operación. El trabajo se inicia con una estimación de la potencia requerida por el refrigerador en función de los datos del fabricante y se comparan con datos de potencia y eficiencia obtenidos experimentalmente en laboratorio y en campo en el INENCO – UNSa, con equipos de concentración solar de idénticas características al adquirido para el desarrollo del proyecto. Se plantean además los procedimientos experimentales para la determinación de los parámetros necesarios para el diseño. Palabras clave: refrigeración solar, preservación de alimentos, concentrador solar, ciclo de amoniaco-agua INTRODUCCIÓN La aplicación de la energía solar con propósitos de preservación de productos o de climatización es un campo con alto potencial en los años por venir. El diseño de equipos para este propósito puede basarse en el ciclo convencional de compresión de vapor accionado por energía fotovoltaica o en ciclos por absorción que utilizan energía térmica proveniente del sol. El ciclo de absorción Agua-Amoniaco (H2O-NH3) es una tecnología basada en extenso desarrollo y experiencia durante los primeros años de la industria de la refrigeración, en particular para la fabricación de hielo. Una modificación de este ciclo con equipo compacto y sin partes móviles fue posteriormente usada en heladeras de uso domestico impulsadas a gas. Para que este ciclo pueda operar apropiadamente es necesaria una fuente de calor que permita alcanzar una temperatura de aproximadamente 120 ºC dentro del generador de vapor de amoníaco. En este sentido, la aplicación de energía solar como fuente térmica para activar el ciclo permanece un problema ya que no se han obtenido rendimientos suficientemente satisfactorios del mismo. No obstante ello, la experiencia existente en esta tecnología, su simpleza, la disponibilidad de heladeras comerciales accionadas por gas y la necesidad de impulsar el uso de la energía solar para la preservación de productos en zonas rurales aisladas justifica el desarrollo de plantas piloto y sistemas comerciales basados en este ciclo frigorífico. Por otro lado, el desarrollo de concentradores solares como los utilizados en cocinas comunitarias (Cadena et al, 1999; 2002) que pueden llegar a los 400 C en su foco, abre una posibilidad para accionar estas heladeras. Con estos antecedentes y debido a las características climáticas de la Llanura Chaqueña, calor intenso, baja distribución poblacional en el área rural, difícil acceso a los puestos o caseríos, falta de energía electrica, etc., se encaró el desarrollo de un sistema de refrigeración solar para la preservación de productos en zonas rurales dispersas. El mismo forma parte de un un proyecto financiado por el FONCyT (PICTO 13-18617) en el marco del Instituto para el Desarrollo de la Llanura Chaqueña conformado por cuatro universidades; UNSa, UNSE, UNNE y UNAF. REFRIGERACIÓN POR ADSORCION Los primeros proyectos de investigación sobre refrigeración solar por absorción se llevaron a cavo a finales de los años 1950 y comienzo de los años 1960. En 1957 se diseño una planta piloto destinada a estudios preliminares usando como base un ciclo de Agua-Amoniaco (H2O-NH3) como absorbente-refrigerante y posteriormente, en 1961, se estudió un sistema refrigerador acoplado a colectores solares planos (Chinnappa, 1961). Para lograr un mejor aprovechamiento de la energía solar, en 1964 (De Sa V, 1964) fue desarrollado y estudiado un sistema de refrigeración utilizando colectores solares parabólicos. Desde entonces han habido varias iniciativas sobre refrigeración por energía solar que incluyen el ensayo exitoso de un ciclo de enfriamiento por absorción a ciclo abierto empleando ruedas giratorias de Sílica Gel (Joudi et al, 1987), así como otros estudios con resultados prometedores (Simonts et al, 1978; Ward, 1978; Shiran et al, 1981; El-Shaarawi et al, 1986). La aplicación práctica del ciclo H2O-NH3 para la preservación de alimentos se remonta a los años 1920 en que se patentó y comercializó en Estados Unidos y Canadá un dispositivo denominado “Heladera Icy-Ball” [1]. El mismo estaba basado en la operación intermitente del ciclo H2O-NH3 para mantener refrigerado un gabinete aislado térmicamente en el que se alojaban los productos a preservar. La Fig.1 muestra un detalle del dispositivo. La operación *

Becario de la ANPCyT - PICTO 13-18617

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006 de esta heladera consiste en la aplicación inicial de calor a la esfera con la solución (generador) produciéndose la evaporación del amoniaco el que se expande y condensa en la esfera vacía (condensador). Finalizado este proceso todo el sistema se deja enfriar introduciéndose luego el condensador con amoniaco liquido en el interior de la heladera. El ciclo es así intermitente dado que hay que esperar a que se cumplan todas estas etapas antes de volver a suministrar calor al generador. El desarrollo tecnológico integró los componentes en una heladera de uso generalizado en zonas rurales tal como se muestra en la Fig.2. Normalmente el quemador es activado por kerosén o gas pero existen adaptaciones que utilizan biomasa [2].

Figura 1.- Heladera Icy-Ball

Figura 2.- Heladera a ciclo de Agua – Amoniaco – vista y esquema de componentes

Entre las características sobresalientes del sistema se tienen: 1- Componentes relativamente simples. 2- Posibilidad de funcionamiento con gas (GLP) y/o con otras fuentes de energía (solar, biomasa). 3- Baja temperatura de trabajo, aproximadamente 120 °C, en el generador, 4- El amoníaco no es volátil, del generador solo sale vapor de agua, por lo tanto no se requiere un rectificador. La utilización de energías renovables (solar o biomasa) en refrigeración con miras a la conservación de elementos perecederos presenta las siguientes ventajas 1- Reduce significativamente el costo de operación puesto que utiliza una fuentes gratuitas y limpias. 2- Presenta una buena correlación entre momento de máxima demanda de refrigeración con máxima disponibilidad del recurso solar, lo cual minimiza o podría decirse que anula la necesidad de almacenar la energía. 3- Preserva al medio ambiente de la contaminación. 4- Representa una alternativa para mejorar la calidad de vida en zonas rurales con falta la energía eléctrica. La energía solar puede ser suministrada al sistema refrigerador mediante un colector solar siendo los colectores concentradores los mas apropiados para tal propósito puesto que alcanzan temperaturas de mas de 100 °C. COLECTOR SOLAR CONCENTRADOR En aplicaciones térmicas de energía solar, cuando se requiere trabajar con temperaturas medias mayores a 100°C, se recurre al concepto de concentración de la radiación solar. Para ello, fueron diseñados y aún hoy se siguen diseñando colectores concentradores cada vez mas eficientes y versátiles. Los colectores concentradores consisten en incrementar la radiación solar interponiendo un sistema óptico entre la fuente y el absorbedor a fin de aumentar la relación de concentración. Esto posibilita la obtención de temperaturas entre 100 y 3000°C dependiendo del sistemas óptico utilizado. Los principales problemas de los concentradores son; deben orientarse permanentemente al sol puesto que solo operan con la fracción de energía de radiación directa y no con la difusa, el sistema óptico de recepción deberá ser de muy buena calidad y deberá perdurar en el tiempo, y los materiales involucrados en el sistema absorbedor deberán soportar altas temperaturas. El desarrollo de concentradores solares como los utilizados en cocinas comunitarias (Cadena et al, 1999; 2002) que pueden llegar a los 400 °C en su foco, hizo que estos colectores presente una alternativa interesante para accionar heladeras basadas en un ciclo de absorción. Mas aún, los estudios realizados por Saravia et al (2004) permitieron mejorar las prestaciones del dispositivo reduciendo la sensibilidad de seguimiento posibilitando así su accionamiento manual a intervalos de 40 min. Además, los resultados de potencia media recogida mostraron que este concentrador trabajando a 100 ºC es capaz de producir energía con una eficiencia del 50 % durante unas 8 o 9 horas en forma continuada. Ello implica que para una intensidad de radiación solar de 1000 W/m2, un concentrador de 2 m2 puede producir unos 1000 W de potencia y trabajando a 300 C la potencia generada llega a unos 500 W. La Fig.3 muestra una foto del concentrador a ser utilizado en el presente proyecto.

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Figura 3.- Vista frontal del concentrador (Saravia et al, 2004)

Figura 4.- Esquema de integración propuesta para el sistema combinado

ESQUEMA DE INTEGRACION PROPUESTO Basados en un estudio de factibilidad realizado por Gaia et al (1999) y en virtud de que se cuenta con los componentes adecuados, resulta entonces interesante integrar las tecnologías de absorción y concentración solar para lograr el objetivo de refrigeración planteado en el proyecto. La Fig.4 presenta el esquema de integración propuesto. Por simplicidad, en una primera etapa se trabajará sin tanque acumulador acoplando el concentrador a la heladera en forma directa. Para el trabajo se utilizará una heladera comercial de absorción modelo HG 60 TRIAL (Fig.2) fabricada por la firma BERCOMAR [3] y un concentrador solar (Fig.3) desarrollado en el INENCO - UNSa (Saravia et al, 2004). La Tabla 1 presenta las especificaciones técnicas de ambos componentes. Tabla 1.- Especificaciones técnicas de la heladera y el concentrador COMPONENTE ESPECIFICACIONES Heladera Modelo TRIAL HG 60 Alto = 1.050 m Consumo (según fabricante) Ciclo Amoniaco-Agua Fabricante: Frente = 0.57 m Gas = 380 gr./24 hs BERCOMAR Fondo = 0.67 m Potencia en 12 V = 120 W Capacidad = 150 lt. Temperatura de trabajo = ~ 120 ºC Colector Concentrador Diámetro = 1.690 m Área de Eficiencia (Saravia et al,2004) Colección = ~2 m2 a 100 ºC = 50% a 300 ºC = 25% Estas especificaciones permiten evaluar tentativamente la demanda y disponibilidad energética de la heladera y CPC y analizar si es posible su integración. Para el caso de la heladera, la comparación de la demanda de energía a partir del consumo diario de gas y la potencia eléctrica instantánea en 12 V (Tabla 1 – valores reportados por el fabricante y asumiendo gas propano) lleva a valores de 203 W y 120W respectivamente. Suponemos que la discrepancia se debe a pérdidas de transferencia de calor cuando se opera con gas, lo que da un rendimiento de la caldera del orden de ~60%. En lo que respecta al colector concentrador, mediciones, tanto de laboratorio como de campo Saravia et al (1999; 2002; 2004), muestran que con un equipo como el adquirido para nuestro proyecto; Ar (Área de Recepción Efectiva) de 2m2; pueden obtenerse eficiencias en la producción de energía en un rango de 50% a 25% durante 8 a 9 horas en forma continuadas con temperaturas de absorbedor de 100°C a 300°C respectivamente. De esta forma, para una radiación solar de 1000 W/m2 se podrían disponer de entre 1000 W a 500 W, lo que representa un rango de potencias disponible mas que suficiente para operar la heladera aún en el caso extremo de seleccionar una temperatura máxima de trabajo de 300 ºC. Obviamente, estos valores se verán reducidos debido a perdidas de calor en el circuito de transporte y eficiencia de transferencia de calor en el intercambiador del generador, factores que dependerán de del diseño final de estos componentes. Cabe mencionar que trabajando a 300 ºC y asumiendo un rendimiento igual al obtenido para el caso de alimentación a gas, 60%, se dispondría de 300 W útiles en el generador de la heladera lo que aseguraría su funcionamiento. De todo lo expuesto se deduce que para fines de dimensionamiento de los componentes es necesario contar con distintas variables, tanto termodinámicas como geométricas, del absorbedor, del generador y del circuito de acople entre ellos. Solo para mencionar algunas, temperaturas de trabajo, coeficientes de pérdida por transferencia térmica en las diferentes zonas de intercambio, potencia eléctrica consumida por la heladera, área del Generador (Área útil de transferencia de Calor), material y espesor del generador, entre otros. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL PROPUESTA Para encarar la etapa de dimensionamiento de los sistemas intermediarios; receptor-intercambiador del concentrador e intercambiador de acople en el generador de la heladera; es de suma importancia determinar experimentalmente los parámetros de trabajo óptimos del concentrador y la heladera que aseguren su correcta integración.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006 En el caso de la heladera, la misma se alimentará con 12V (para evitar pérdidas en la rectificación) y operará bajo condiciones normales de trabajo. Esto permitirá obtener curvas de respuesta temporal del consumo eléctrico (potencia real instantánea consumida) así como curvas de régimen de temperaturas en los diferentes componentes de la heladera (interior, condensador, generador) y establecer la correlación entre ellas. Los resultados obtenidos permitirán la determinación de parámetros de diseño (caudal, temperatura de trabajo, área de intercambio, tupo de fluido calo portador) de un intercambiador para la calefacción del generador tipo encamisado. Con el objeto de posibilitar ensayos de laboratorio y evaluar resultados, se emplearan resistencias eléctricas como fuente de calor en el circuito del fluido calo portador. En paralelo se trabajara sobre el intercambiador-colector en el concentrador. Como absorbedor se empleará un modelo como el utilizado por Saravia, et al (2004) para las determinaciones de potencia. Así como con la heladera, se levantarán curvas de régimen de temperaturas de trabajo lo que permitirá el estudio dinámico comparativo entre ambos componentes (heladera y concentrador) para establecer parámetros de diseño definitivos que permitan pasar a la fase de acople y ensayos del sistema prototipo. En todas las instancias las variables de interés se monitorearan y registraran por un sistema de adquisición de datos a una tasa de 60 muestras por hora. Complementando este trabajo experimental se implementará un modelo de simulación a fin de validar resultados y predecir el comportamiento a largo plazo. CONCLUSIONES Para concluir, de todo lo expuesto se puede mencionar que: • • •

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Basados en especificaciones técnicas proporcionadas por el fabricante sobre consumo de gas y de electricidad en 12 V, se estima la demanda de potencia de la heladera en 203 W y 120 W respectivamente. Se determina que la eficiencia de la caldera a gas es cercana al 60%. El rango de temperaturas y potencias de trabajo alcanzables con el CPC a ser utilizado en el proyecto de 100 °C – 300 °C y 1000 W – 500 W respectivamente (Saravia et al, 2002; 2004), permite establecer la viabilidad de operar la heladera con un colector concentrador solar. Se expone la metodología de trabajo experimental a seguir a fin de determinar demanda y disponibilidad de potencia de los componentes a integrar y levantar curvas de régimen de temperaturas de trabajo que permitirán el estudio dinámico comparativo entre la heladera y el concentrador. Esto resultados permitirán además establecer parámetros de diseño definitivos que posibilitaran pasar a la fase de acople y ensayos del sistema prototipo.

REFERENCIAS 1 - http://www.ggw.org/~cac/IcyBall/crosley_icyball.html 2.- http://www.motherearthnews.com/menarch/archive/issues/035/035-114-01.htm 3.- http://www.bercomar.com/absorcion.html#F Cadena, C., Saravia, L., Echazú R., (2002). Transferencia de Calor y Curvas de Calentamiento para Absorbedores de Aluminio empleados en Cocinas Solares. Avances en Energía Renovable y Medio Ambiente. Vol. 6, Nº 1, pp. 03.0703.11. Cadena, C., Saravia, L., (1999). Cocinas Solares Comunitarias, Energía Renovable y Medio Ambiente. Chinnappa JCV, (1961). Experimental Study of the Intermittent Vapour Absorption Refrigeration Cycle Employing the Refrigerant–Absorbent Systems of Ammonia–Water and Ammonia–Lithium Nitrate. Solar Energy 5:1–18. De Sa V., (1964). Experiments with Solar Energy Utilization at Dacca. Solar Energy 8:83–90. El-Shaarawi MAI, (1986) Ramadan RA. Solar refrigeration in the Egyptian climate. Solar Energy 37:347–61. Gaia R., Bessone H., Cortés A., (1999). Energía Solar para Refrigeración Doméstica. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente. Vol. 3 Nº 1. pp. 03.17-03.20. Joudi KA, Madhi SM., (1987). An experimental investigation into a solar assisted desiccant–evaporative airconditioning system. Solar Energy 39:97–107. Saravia L., Cadena C., Caso R., Fernández R, (2004). Concentrador De Distancia Focal Corta Para Cocinas Comunales. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente. Vol. 8, Nº 1. Shiran Y, Shitzer A, Degani D., (1981). Computerised design and economic evaluation of an aqua–ammonia solar operated absorption system. Solar Energy 29:43–54. Simonts P, Bodhy JL., (1978). Utilization de l’energie solaire pour production de froid au moyen d’une machine a`absorption H2O–NH3. 1977, I.I.F. Delft (The Netherlands): I.I.F. Commission B2. 3. Ward DS., (1978). Solar absortion coolling feasibility. Solar Energy 22:259–68. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al FONCyT por el financiamiento que posibilita la realización del presente proyecto a través del PICTO 13-18617