Enfriamiento por absorción solar versus enfriamiento por adsorción: qué sistema es más eficiente

1. La diferencia fundamental en los principios de funcionamiento

La refrigeración por absorción solar se basa en la relación de disolución fisicoquímica entre un absorbente líquido y un refrigerante para impulsar el ciclo. El refrigerante se disuelve en el absorbente para formar una solución que luego se calienta en el generador mediante energía solar térmica. El refrigerante se evapora y se separa, luego sufre condensación, expansión y evaporación para producir enfriamiento. Posteriormente, el absorbente reabsorbe el vapor del refrigerante a baja presión, completando un ciclo completo. Todo el proceso ocurre continuamente entre las fases líquida y de vapor; este es un ciclo continuo en estado estacionario .

La refrigeración por adsorción solar utiliza las propiedades de adsorción física y desorción térmica de un adsorbente sólido para impulsar el ciclo. El adsorbente captura el vapor del refrigerante a bajas temperaturas, produciendo un efecto de enfriamiento. Luego, la energía solar térmica calienta el adsorbente, lo que provoca la desorción: el vapor del refrigerante se libera, ingresa al condensador y se licua para la regeneración. Debido a que los adsorbentes sólidos no pueden fluir continuamente como lo hacen los líquidos, la adsorción y la desorción se alternan dentro del mismo lecho de adsorción. Este es un ciclo cuasiestático intermitente .

Esta distinción fundamental impulsa la divergencia entre los dos tipos de sistemas en términos de continuidad operativa, estructura de equipos y metodología de control.

2. Comparación del proceso del ciclo termodinámico

El ciclo de cuatro etapas de la refrigeración por absorción solar

El ciclo termodinámico estándar de un sistema de refrigeración por absorción solar consta de cuatro procesos principales:

Generación: La solución diluida en el generador se calienta con agua caliente solar, normalmente entre 80 °C y 100 °C para sistemas de efecto único. El refrigerante se evapora y la concentración de la solución aumenta para formar una solución concentrada.

Condensación: El vapor de refrigerante a alta temperatura y alta presión ingresa al condensador, libera calor al agua o aire de enfriamiento y se licua formando refrigerante líquido a alta presión.

Evaporación: El refrigerante líquido pasa a través de una válvula de expansión, cae de presión y ingresa al evaporador. En condiciones de baja presión y baja temperatura, absorbe calor y se evapora; esta es la etapa central donde el sistema produce su efecto de enfriamiento.

Absorción: El vapor de refrigerante a baja presión ingresa al absorbente, donde es absorbido por la solución concentrada y al mismo tiempo libera calor a un medio refrigerante. La solución se vuelve a diluir, la bomba de solución presuriza y se devuelve al generador para completar el ciclo.

En los sistemas de agua y bromuro de litio, el agua sirve como refrigerante y el bromuro de litio como absorbente. El ciclo funciona en condiciones de presión negativa, con una temperatura mínima de enfriamiento superior a 0°C, lo que lo hace muy adecuado para tareas de aire acondicionado. Los sistemas de amoníaco-agua utilizan amoníaco como refrigerante y pueden alcanzar temperaturas de enfriamiento bajo cero, lo que ofrece un rango de aplicaciones más amplio, aunque a costa de presiones operativas más altas del sistema y requisitos de sellado más estrictos.

El ciclo alterno de dos lechos de refrigeración por adsorción solar

Un sistema de refrigeración por adsorción estándar utiliza dos lechos de adsorción que funcionan alternativamente para ofrecer una salida de enfriamiento casi continua:

Fase de adsorción-enfriamiento: Un lecho de adsorción se mantiene a baja temperatura. El adsorbente sólido, típicamente gel de sílice, adsorbe continuamente el vapor de refrigerante del evaporador. El refrigerante se evapora en condiciones de baja presión y baja temperatura dentro del evaporador, absorbiendo calor y produciendo enfriamiento.

Fase de calentamiento-desorción: El agua caliente solar calienta el lecho de adsorción saturado. A medida que aumenta la temperatura del adsorbente, se desorben grandes cantidades de vapor de refrigerante y se liberan en el condensador, donde se licuan. Luego, el refrigerante líquido se expande y regresa al evaporador, preparando el sistema para el siguiente ciclo de adsorción.

Proceso de recuperación de calor: Los sistemas de adsorción de alto rendimiento incorporan un regenerador de calor que intercambia energía térmica entre el lecho de alta temperatura en desorción y el lecho de baja temperatura en fase de adsorción. Esto reduce los requisitos generales de entrada de calor y mejora el COP. El diseño de recuperación de calor es una de las estrategias clave de optimización de la eficiencia en los sistemas de refrigeración por adsorción.

El intervalo de conmutación entre los dos lechos alternos oscila habitualmente entre varios minutos y varias decenas de minutos. La salida de enfriamiento exhibe un grado de fluctuación durante la conmutación, una característica operativa distintiva que distingue a los sistemas de adsorción del ciclo continuo de los sistemas de absorción.

3. Temperatura de conducción y coincidencia del colector solar

La temperatura de la fuente de calor impulsora es uno de los parámetros más críticos en la selección del sistema de aire acondicionado impulsado por energía solar térmica.

La refrigeración por absorción solar requiere una temperatura de conducción relativamente más alta. La temperatura mínima de funcionamiento para un enfriador de bromuro de litio de efecto simple es de aproximadamente 75 °C a 80 °C, mientras que las unidades de doble efecto requieren 150 °C o más. El funcionamiento estable normalmente exige colectores de tubos de vacío o colectores concentradores, como los concentradores parabólicos compuestos (CPC). Las temperaturas de conducción más altas aumentan la presión de evaporación en el generador y mejoran la eficiencia del ciclo. Los sistemas de doble efecto alcanzan un COP de 1,0 a 1,2, significativamente más alto que los sistemas de efecto único, de 0,6 a 0,8.

La refrigeración por adsorción solar funciona en un rango de temperatura de conducción más bajo. El par de trabajo de gel de sílice y agua funciona eficazmente entre 60 °C y 85 °C, coincidiendo directamente con el rango de temperatura de funcionamiento de los colectores solares de placa plana; no se requiere equipo de recolección de alta temperatura. Esta característica proporciona a los sistemas de adsorción una mayor adaptabilidad en regiones de irradiancia moderada o durante el funcionamiento en invierno. El par de trabajo zeolita-agua requiere una temperatura de conducción ligeramente más alta, de 100 °C a 200 °C, pero logra una desorción más completa, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de fuentes de calor de mayor calidad. El par de trabajo de carbón activado y metanol puede funcionar a temperaturas tan bajas como 50 °C a 80 °C, aunque la toxicidad y la inflamabilidad del metanol imponen requisitos de diseño de seguridad y sellado más exigentes.

4. COP del sistema y desempeño de eficiencia energética

En condiciones equivalentes de captación solar, los dos tipos de sistemas muestran diferencias mensurables en el rendimiento energético.

Los enfriadores de absorción de bromuro de litio de efecto simple suelen alcanzar un COP térmico de 0,6 a 0,8, mientras que las unidades de doble efecto pueden superar 1,0. Sin embargo, los sistemas de doble efecto requieren conjuntos de colectores significativamente más grandes y una mayor inversión en equipos auxiliares. El COP solar general, que tiene en cuenta la eficiencia del colector, se sitúa en el rango de 0,3 a 0,5.

Los sistemas de adsorción de agua y gel de sílice suelen ofrecer un COP térmico de 0,4 a 0,6, más bajo que los sistemas de absorción. Sin embargo, debido a que son compatibles con colectores de placa plana de baja temperatura, la eficiencia del colector es relativamente alta y la utilización general de la energía solar es comparable a la de los sistemas de absorción de efecto único. La introducción de materiales adsorbentes avanzados, incluida la zeolita AQSOA y los materiales de estructura organometálica (MOF), está cerrando progresivamente la brecha del COP. Algunos resultados de laboratorio con estos materiales ya han superado el 0,8.

5. Estructura del sistema y características de mantenimiento

Los sistemas de refrigeración por absorción solar incorporan múltiples componentes que incluyen una bomba de solución, un generador, un absorbente, un condensador, un evaporador y un intercambiador de calor. La arquitectura del sistema es relativamente compleja, con requisitos estrictos de pureza del fluido de trabajo y estanqueidad del sistema. La solución de bromuro de litio conlleva un riesgo de cristalización y corrosión a altas temperaturas o al contacto con el aire, lo que requiere un control periódico de la concentración y una reposición del inhibidor de corrosión. El mantenimiento exige personal técnico cualificado.

Los sistemas de refrigeración por adsorción solar se construyen alrededor de lechos de adsorción sólidos como componentes principales. No hay un circuito de bombeo de fluido de trabajo líquido y el sistema no contiene piezas móviles aparte de los ventiladores de refrigeración. Esto da como resultado un sistema estructuralmente simple y mecánicamente confiable con bajas tasas de falla y una carga de trabajo de mantenimiento mínima. La desventaja es que el volumen del lecho de adsorción es relativamente grande: el peso y la huella del sistema suelen ser mayores que las unidades de absorción con capacidad de enfriamiento equivalente. Las limitaciones de espacio deben evaluarse cuidadosamente en la etapa de planificación del proyecto.

6. Escenarios de aplicación y casos de uso de ingeniería

Los enfriadores de absorción solar de bromuro de litio tienen un historial establecido en grandes edificios comerciales, hoteles, hospitales e instalaciones industriales. Los productos disponibles comercialmente abarcan capacidades de refrigeración desde decenas de kilovatios hasta varios megavatios. Combinados con campos de colectores solares centralizados, estos sistemas pueden ofrecer suministro de refrigeración a escala de distrito y actualmente representan la tecnología dominante en los proyectos de refrigeración de distritos solares.

Los acondicionadores de aire de adsorción solar se adaptan mejor a edificios de pequeña y mediana escala, aplicaciones de refrigeración distribuida y casos de uso que priorizan la confiabilidad del sistema y el bajo mantenimiento, como estaciones base de telecomunicaciones e instalaciones médicas en ubicaciones fuera de la red. A medida que el rendimiento del material adsorbente continúa avanzando y los costos del sistema disminuyen, la competitividad del aire acondicionado por adsorción solar en aplicaciones residenciales y comerciales pequeñas aumenta constantemente.

Tanto las tecnologías de enfriamiento por absorción solar como por adsorción solar ocupan posiciones distintas y complementarias dentro del mercado más amplio de acondicionadores de aire solares. La selección entre los dos está determinada en última instancia por la calidad de los recursos solares disponibles, la escala de carga del edificio, las condiciones del espacio y la estructura de costos del ciclo de vida total de cada proyecto específico.