DESCRIPCIÓN.

OBJETO DE LA INVENCIÓN El principal objeto de la presente invención se refiere a una máquina de enfriamiento. Particularmente la máquina de enfriamiento lleva a cabo la disminución de temperatura de un determinado espacio cerrado mediante la absorción de amoniaco impulsado por energía solar.

ANTECEDENTES

El fundamento de los sistemas de refrigeración es disminuir la temperatura de un espacio respecto al ambiente exterior. Actualmente, los sistemas más comunes que existen son los sistemas por compresión de vapor o absorción. Ambos sistemas tienen en común el poder producir enfriamiento por evaporación de líquidos volátiles (refrigerantes) y posteriormente la condensación del mismo fluido para volver a aplicarlo continuamente dentro de un ciclo termodinámico.

Una de las principales características de operación de los sistemas por compresión de vapor y absorción es que es necesario controlar la presión del refrigerante; y mantener por lo menos dos presiones (una presión alta y una presión baja, dependiendo de las condiciones de diseño). El dispositivo encargado de mantener la diferencia de presiones es la válvula de expansión. Por otro lado, la diferencia entre ambos sistemas radica en el método empleado para elevar la presión entre el evaporador y el condensador y la forma de hacer circular el refrigerante en el ciclo. En el sistema de refrigeración por compresión, estos objetivos se logran por medios mecánicos, usando un compresor, el cual comprime el vapor refrigerante proveniente del evaporador, eleva su presión y lo dirige hacia el condensador.

En el sistema de absorción, la circulación del refrigerante se produce por la gran afinidad que éste tiene hacia otra sustancia llamada absorbente. Así se tiene que el refrigerante procedente del evaporador es aspirado hacia un recipiente que contiene el absorbente llamado absorbedor. El aumento de presión se alcanza mediante el suministro de calor; el recipiente donde se realiza esta operación se llama generador o columna de destilación, en el cual no solo se eleva la presión del refrigerante, sino también se separa el refrigerante del absorbente.

Actualmente las máquinas de refrigeración por absorción amoniaco-agua utilizan un quemador de gas natural o electricidad como la fuente primaria de energía para el calentamiento de la solución de amoniaco-agua en el generador; pocas invenciones han sido exitosas al hacer factible la utilización de la energía solar para procesos de enfriamiento como el aire acondicionado, esto es debido a que la densidad de la energía disponible del sol por radiación es muy baja.

El Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Monterrey, en la actualidad cuenta con una planta piloto de aire acondicionado para acondicionar un recinto conocido como Casa Solar, el prototipo que une el uso de una planta de enfriamiento de agua y la energía solar bajo la patente U.S. 5,666,818 la cual describe una invención relacionada a una maquina de enfriamiento por absorción amoniaco- agua, la cual opera usando una fuente de energía de baja temperatura proveniente de paneles solares de tubos al vacío. Dicha invención combina un colector solar con la maquina de enfriamiento haciendo circular agua a través de los colectores solares hacia el intercambiador o chaqueta de agua, la cual cubre al generador; este líquido pasa a través de una serie de aletas construidas fuera de la coraza externa del generador y con ciertas especificaciones de geometría, para poder transferir calor necesario para la destilación de la solución de amoniaco-agua dentro del generador. La unión del uso de la energía solar a la máquina de enfriamiento de dicha invención ayuda a obtener una buena respuesta de capacidad de enfriamiento, además de que se pueden manejar relativamente bajas temperaturas como fuente primaria de energía, sin embargo esto conlleva a aumentar el área de transferencia de calor ya que el coeficiente de transferencia de calor para este sistema es relativamente bajo reflejando poca rentabilidad en la construcción del diseño prototipo del generador con su respectiva chaqueta de agua.

La patente US 4,573,330 menciona un diseño caracterizado en una tubería, la cual se divide o es separada térmicamente, es decir, la parte superior de la tubería actúa como un rectificador, mientras que la parte inferior actúa como un generador. La integración del rectificador y el generador en una tubería mejora el diseño de estos componentes generando menores costos de fabricación, además de obtener gas caliente de amoniaco totalmente libre de vapor de agua a la salida del rectificador; sin embargo se usa un gas como la fuente principal de calor y no una fuente limpia como la energía solar. En la patente US. 4,744,224 se describe un ciclo intermitente, donde la invención se basa en un colector parabólico compuesto, el cual trabaja como generador por el día y como absorbedor por la noche; el colector mantiene una cantidad de calor solar para la solución absorbente de día y una efectividad de enfriamiento para la noche cuando es absorbida. Sin embargo, esta limitada para la capacidad de enfriamiento de la máquina. Otra invención descrita en la patente US 4,993,234 trata de un colector solar de absorción para un sistema de enfriamiento teniendo dos conexiones principales una de ellas esta conectado al circuido del evaporador y el otro ducto hacia el condensador, ésta invención es de utilidad ya que el sistema opera en base a la utilización de la temperatura diaria para energizar periódicamente el sistema de enfriamiento por absorción causando la evaporación del refrigerante en el espacio térmicamente aislado, manteniéndose una temperatura adecuada durante las horas de la noche cuando el absorbedor no esta expuesto a la energía solar. Sin embargo la capacidad de enfriamiento esta limitada para este esquema debido a las variaciones de la radiación durante el día.

La patente US 5,490,393 propone una invención muy ventajosa para el mejoramiento de la eficiencia de las máquinas por absorción amoniaco-agua, plantea un arreglo en el sistema donde el calor de absorción es transferido a una temperatura por encima del punto de ebullición de la solución refrigerante fuerte maximizando la temperatura entre el absorbedor y el generador y transfiriendo mas eficientemente el calor entre estos dos componentes, el arreglo también recupera calor de absorción adicional de una temperatura alta al final del absorbedor y lo transfiere a la temperatura mas baja del generador generando vapor con un calor adicional y reduciendo el calor agregado requerido de una fuente externa. La invención es un arreglo GAX (Generador absorber heat-exchanger) mas económico y sin la ayuda de un segundo fluido de trabajo para transferir calor del absorbedor al generador. Los resultados de esta invención son muy favorables en cuanto a la eficiencia de la máquina de enfriamiento ya que incrementa el coeficiente óptimo de desempeño (COP) en un 30% aproximadamente; sin embargo la sección mas baja del generador es calentada por una flama de gas extendida verticalmente a lo largo de la sección, delimitando con ello el uso de la energía renovable.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS En estas figuras se muestra la implementación de la presente invención, además se describen varias implementaciones opcionales.

Figura 1. Representación esquemática de la caldereta de termosifón vertical conectada a una columna de destilación y al menos un colector solar. Figura 2. Representación esquemática de la caldereta vertical de termosifón. Figura 3. Representación esquemática con líneas ocultas de la caldereta vertical de termosifón.

Figura 4. Vista superior de la coraza de la caldereta vertical de termosifón. Figura 5. Representación esquemática de la Máquina de enfriamiento por absorción amoniaco-agua Impulsado por energía solar.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención pretende superar los inconvenientes presentes en el estado del arte previo, referentes al enfriamiento de espacios para usos múltiples, por lo cual propone una: "Maquina de Enfriamiento Por Absorción De Amoniaco Impulsado Por Energía

Solar" Que presenta las ventajas de:

- Operar mediante una energía renovable, como la radiación solar.

- Ocupar menos espacio para operar con: - mayor eficiencia, que las conocidas en su tipo.

De manera general la máquina de enfriamiento por absorción de amoniaco motivo de esta solicitud tiene dispuestos:

-Un sistema de calentamiento de fluido mediante energía solar, preferentemente al menos un colector solar (1), para elevar la temperatura de un líquido que preferentemente es agua y que se encuentra a presiones mayores a la atmosférica permitiéndole operar a temperaturas mayores a los 100 ⁰ C, que entra a: -Una caldereta vertical de termosifón (2), que tiene como principal objetivo incrementar el coeficiente de transferencia de calor global y reducir la diferencia de temperaturas entre el fluido de calentamiento (preferentemente agua) y una solución amoniaco - agua. Está representada en la figura 1, y consiste en una coraza, cilindrica, posicionada sobre su eje vertical y tiene cerrando cada uno de sus extremos, a un cabezal inferior y un cabezal superior, ambos del mismo diámetro que la coraza, pero de menor longitud. Los dos cabezales sirven como bridas para fijar y fueron seleccionados en base a los estándares TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) debido a que ayudan a obtener una menor área total.

-La caldereta vertical de termosifón (2) tiene un diámetro de la boquilla de entrada y salida por el lado de la coraza de por lo menos 40.894 mm; además tiene un diámetro de la boquilla de entrada para los tubos de la tubería principal de entrada preferentemente de 52.553 mm y una longitud máxima para la tubería principal preferentemente de 0.8 m, también tiene un diámetro de la boquilla de salida preferentemente de 77.927 mm y una longitud máxima de tubería principal de al menos de 0.5 m; en su interior alberga una pluralidad de tubos rectos (3) paralelos a _η su eje vertical, en el orden de 41 a 51, preferentemente 41 tubos rectos (ver figura 3), que muestra la caldereta vertical de termosifón (2) con líneas ocultas, como un intercambiador 1-1, es decir, de un paso por tubos y un paso por coraza, lo cual quiere decir que fluye un liquido en el espacio existente entre los tubos rectos (3) y la coraza, y otro liquido fluyendo a través de los tubos rectos (3) a contracorriente.

En la parte superior de la coraza, se presenta una boquilla superior (4) por la cual ingresa el agua caliente proveniente del colector solar (1) que circula por el exterior de los tubos rectos (3), transfiriendo a estos su calor, posteriormente es conducida por una boquilla inferior (S) al colector solar (1) mediante una bomba (200) para realizar de nueva cuenta su calentamiento;

-los tubos rectos (3) tienen la misma longitud que la coraza, y se encuentran alineados; el cabezal inferior presenta una entrada (6), por la cual ingresa una disolución acuosa pobre en amoniaco (en la cual 70% es agua y 30% amoniaco); -El cabezal superior presenta una salida (7) de la disolución pobre en amoniaco (70% agua y 30% amoniaco); que ingresa a una columna de destilación (8), a través de:

-una primera entrada, (colocada en la parte inferior de la columna) que coincide con la salida (7) del cabezal superior de la caldereta vertical de termosifón (2); - En la columna de destilación (8) se logra modificar la disolución amoniaco - agua proveniente de la caldereta de termosifón vertical (2) y una disolución 60% amoniaco y 40% agua, que también se alimenta a dicha columna, operando bajo el mecanismo de ebullición por nucleación; por otro lado, la columna de destilación (8) en su interior comprende: -al menos 2 a 5 placas (9), siendo el número de placas preferidas en el orden de 10, estas placas preferentemente están dispuestas fijas de manera opuesta y alternadas de manera que desvíen el flujo de la disolución y esta se mueva en zigzag a través de la columna de destilación (8). La función de la columna de destilación es lograr la separación del amoniaco y el agua hasta alcanzar un vapor de amoniaco 100% puro;

-En la columna de destilación (8) se encuentra una primer salida (10), que conduce una disolución acuosa pobre en amoniaco a la entrada (6) del cabezal inferior de la caldereta vertical de termosifón (2);

-una segunda salida (11), con válvula reguladora de flujo (no mostrada), por la cual sale vapor rico en amoniaco que ingresa a un rectificador (12), y

-una segunda entrada (13) por la cual ingresa una disolución acuosa de amoniaco

(de la cual 60% es agua y 40% amoniaco) que proviene de:

-una primera salida de:

-un absorbedor (14) (ver figura 5), que permite reconcentrar la solución amoniaco agua y donde se realiza la mezcla del amoniaco puro a baja presión y la corriente diluida de baja presión extraída de la columna de destilación. La operación del absorbedor (14) consiste de:

- una primer entrada por la cual ingresa la disolución pobre en amoniaco que proviene de la salida inferior (21) de la columna de destilación (8) y después de haber pasado por la válvula (22) de la columna de destilación (8);

- una segunda entrada (25) por la cual ingresa el amoniaco puro a baja presión, proveniente de un intercambiador de calor (18);

-una salida (15) que conduce la disolución acuosa de amoniaco a una bomba (100) que la impulsa a un rectificador (12). -El rectificador (12), evita cualquier concentración de agua y la regresa al absorbedor (14), después del cual pasa a la columna de destilación (8), para llevar a cabo esto presenta:

-una salida (16) de la disolución pobre en amoniaco que ingresa al absorbedor (14); -El rectificador (12) consiste en un serpentín por donde se intercambia calor, el vapor de amoniaco con un contenido menor al 1% de agua es enfriado para retirar el contenido de humedad y posteriormente es conducido a:

-Un condensador (17), que como su nombre lo sugiere, cambia el estado físico del vapor de amoniaco, y lo conduce mediante una válvula de expansión (23) a: -Un intercambiador de calor (18), que disminuye la temperatura del amoniaco condensado proveniente de la válvula (23), y conduce vapor de amoniaco al absorbedor (14), el amoniaco liquido frió es expandido a través de una válvula (24) y enviado al evaporador (20) dónde se enfria el agua que se utiliza en una manejadora de aire (19). -El evaporador (20), por el cual circula el líquido de amoniaco proveniente de la válvula (24) tiene como función el enviar a la manejadora (19) el agua fría necesaria para acondicionar un recinto, así como una retroalimentación al intercambiador de calor (18), que a su vez se dirige al absorbedor (15);

La máquina de enfriamiento por absorción amoniaco-agua tiene como fuente de energía la radiación solar, debido a lo cual, para operar comprende al menos un colector solar (1), capaz de elevar la temperatura del agua que circula por el interior de sus tubos de 140° C hasta 200° C y con un flujo de 1 litro de agua por segundo; con el cual la máquina opera el conjunto de elementos dispuestos para el sistema de enfriamiento de 1 0 a 3 toneladas de refrigeración para tener la capacidad de enfriar un espacio para usos múltiples.

Los distintos elementos que componen la máquina en cuestión, se describen particularmente con ayuda de las figuras, que a modo de ejemplo muestran un modo de realización de la invención, sin tener carácter limitativo.

En la figura 1, se muestra una representación esquemática de la caldereta de termosifón vertical (2), conectada estratégicamente a una columna de destilación (8) y a un colector solar (1); La caldereta de termosifón vertical (2) se coloca adyacente a la columna de destilación (8), coincidiendo la salida del cabezal superior (7) con la primera entrada de la columna de destilación (8) con el fin de minimizar la carga hidrostática, trabaja como una unidad de transferencia de calor, y su función es generar vapor amoniaco agua por contracorriente. El material de la coraza de la caldereta de termosifón vertical (2), donde el flujo que se está utilizando es de preferencia agua, es acero vaciado, dicha caldereta de termosifón vertical (2) es de tipo TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) tipo E de un solo paso debido a su bajo costo de operación, baja tendencia a ensuciarse y, además no posee componentes mecánicos en movimiento que requieran de un mantenimiento preventivo; preferentemente su interior es de acero inoxidable para evitar la corrosión con el agua que por ella circulará.

Las especificaciones preferenciales de la coraza se encuentran mostradas en la siguiente tabla 1: Tabla 1. Especificaciones de la coraza de la caldereta vertical de termosifón.

El cabezal superior es tipo A removible, y el cabezal inferior es tipo L de tubos estacionarios.

Los tubos rectos (3) que se localizan dentro de la coraza, son de acero al carbón con una conductividad térmica de por lo menos 63.74 WAn ² K para evitar una excesiva corrosión producida por la disolución acuosa pobre en amoniaco que proviene de la columna de destilación (8), la cual posee preferentemente de 41 a 51 tubos de 0.55 a 0.6 mts de longitud con un diámetro nominal exterior de al menos 19.05 mm (3/4 pulg.) y 2.11 (14 BWG) de espesor en un arreglo de tubos que vistos en planta superior forman filas paralelas con una inclinación preferente de 45°, tal como se aprecia en la figura 4. De forma más particular, en el cabezal inferior de la caldereta vertical de termosifón (2) entra una disolución acuosa pobre en amoniaco que proviene de la columna de destilación (8), y una vez ahí se le transferirá calor utilizando preferentemente agua que oscila entre 140° C a 200° C proveniente del colector solar (1);

-el flujo de vapor de amoniaco agua se dirige a través de la salida del cabezal superior (7) a la columna de destilación (8), y -el segundo flujo de disolución acuosa pobre en amoniaco que se dirige de retorno por los tubos rectos (3) a la entrada del cabezal inferior (6); esto es con la finalidad de que en la columna de destilación (8) ingrese una mayor concentración de amoniaco.

La entrada de vapor amoniaco agua a la columna de destilación (8) ayuda a disminuir la razón de reflujo, y con ello el tamaño de la caldereta de termosifón vertical (2), así como su carga térmica.

La columna de destilación (8) lleva a cabo la separación de la disolución acuosa de amoniaco bajo un mecanismo de ebullición, preferentemente por nucleación, elimina el contenido de agua en la línea del evaporador (20), evitando que la temperatura se eleve, manteniendo el efecto refrigerante de la máquina.

Lo anterior ayuda finalmente a mejorar la eficiencia de los ciclos comunes por absorción amoniaco-agua de un COP (el cual es el coeficiente de desempeño por sus siglas en inglés) en un 7% respecto a las tecnologías actuales.

A continuación se describe el ciclo de enfriamiento amoniaco agua llevado a cabo en la Máquina De Enfriamiento Por Absorción De Amoniaco Impulsada Por Energía Solar.

La figura 5, es una representación esquemática del invento aquí propuesto, que nos sirve de referencia para describir el ciclo de enfriamiento.

Este ciclo inicia cuando en un colector solar (1) por radiación solar se calienta preferentemente agua, hasta obtener agua a una temperatura entre los 140° C a 200° C. Posteriormente, el agua circula por una tubería e ingresa por la boquilla superior (4) de la coraza de la caldereta de termosifón vertical (2), el agua recorre verticalmente el interior de la coraza bañando los tubos rectos (3) de la caldereta de termosifón vertical (2) y transfiriendo calor a la solución que pasa por estos tubos rectos (3). Durante este proceso el agua se enfría y finalmente sale por la boquilla inferior (5) de la coraza hacia la bomba (200), que la retorna hacia el colector solar (1) para recibir más energía y elevar su temperatura para su recirculación.

Simultáneamente, por la entrada del cabezal inferior (6) de la caldereta de termosifón vertical (2), ingresa la disolución acuosa pobre de amoniaco que proviene de los fondos de la columna de destilación (8), y una vez en el cabezal inferior, la disolución acuosa pobre en amoniaco asciende por los tubos rectos (3), y circula por una diferencia de presión hasta salir por el cabezal superior y dirigirse de nuevo hacia la columna de destilación (8). En la columna de destilación (8) se lleva cabo la separación del componente más volátil, en este caso particular el amoniaco, y lo separa como vapor, que entra al rectificador (12) el cual es el último paso de purificación del amoniaco; simultáneamente la disolución pobre en amoniaco localizada en los fondos de la columna de destilación (8) es direccionada a la primer entrada del absorbedor (14). Por otro lado, el rectificador (12) consiste en un serpentín por dónde pasa la solución fuerte en amoniaco y una cámara de contención de líquido aquí condensado. La solución fuerte en amoniaco regresa al absorbedor (14) para recalentarse mediante contacto indirecto.

El refrigerante en su estado físico de vapor puro, que particularmente en este ejemplo es vapor puro de amoniaco con alta presión se dirige al condensador (17), donde se condensa cediendo calor latente al medio ambiente, y cambia su estado físico a amoniaco liquido con alta presión, pasa a través de la válvula de expansión (23) donde se disminuye su presión, luego pasa a través de un intercambiador de calor (18) con el fin de disminuir su temperatura de 45 a 25 ⁰ C, de nuevo utilizar rangos, no valores precisos, dirigiéndose a la segunda válvula de expansión (24) en dónde disminuye la presión de 1795 kPa a 394.4 kPa y temperatura de 25 ⁰ C a -2 ⁰ C del refrigerante. Este refrigerante va hacia el evaporador (20), en este punto el refrigerante líquido absorbe calor latente del agua que fluye sobre la superficie externa del serpentín del evaporador (20). Conforme el agua es enfriada, el refrigerante (amoniaco líquido) se vuelve a convertir en gas debido al calor absorbido por el agua, ésta sale a una menor temperatura y se dirige hacia una manejadora de aire (19) y posteriormente es recirculada a través de una bomba (300) hacia el evaporador (20). Luego, el vapor refrigerante que sale del evaporador (20) es dirigido hacia el intercambiador de calor (18) con la finalidad de enfriarlo, este vapor frío de baja presión, de al menos 394.4 kPa es llevado hacia el absorbedor (14) donde se disuelve y reacciona para formar una mezcla de amoniaco-agua. A medida que el vapor refrigerante del evaporador (20) es disuelto en la solución absorbente, disminuye el volumen del refrigerante y se libera calor de la absorción. Es necesario reconcentrar la solución en el absorbedor (14) con el fin de mantener una presión y temperatura baja en el evaporador (20), así que se mantiene una temperatura tan baja como sea posible en el absorbedor (14), con el fin de maximizar la cantidad de amoniaco disuelto en agua, así que la solución que existe en el absorbedor (14) es enviada mediante una bomba (100) hacia el rectificador (12) e intercambia calor con el vapor refrigerante, posteriormente regresa a una menor temperatura hacia el absorbedor (14) para finalmente alimentar a la columna de destilación (2). Por otro lado, la solución caliente la cual es pobre en amoniaco, pasa a través de una válvula (22) donde se estrangula y se dirige hacia el absorbedor (14) para saturarse de amoniaco y repetir el ciclo termodinámico.