BOMBA DE CALOR DE ABSORCIÓN DE AGUA-BROMURO DE LITIO PARA PRODUCCION SIMULTANEA DE FRIO Y CALOR

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una bomba de calor de absorción de agua-bromuro de litio de simple efecto que ofrece mejores prestaciones y una mayor eficiencia energética que otras bombas de calor del mismo sistema conocidas en el estado de la técnica. La bomba de calor objeto de la invención es de aplicación en la industria de la climatización, concretamente en la climatización mediante energía térmica de baja temperatura como el calor residual industrial, la energía solar térmica o la geotérmica entre otras.

Antecedentes de la invención

La principal característica de las enfriadoras de absorción de agua-bromuro de litio de simple efecto convencionales es que producen agua fría para climatizar edificios mediante energía térmica en lugar de energía eléctrica como ocurre con las enfriadoras por compresión de vapor sin aprovechar el calor de disipación. En estos equipos, el compresor, que se utiliza en las enfriadoras de compresión de vapor, se reemplaza por un circuito de solución integrado por una bomba de circulación, una válvula de expansión y tres intercambiadores de calor: el absorbedor, el generador y el intercambiador de calor de solución. Para lograrlo, se requiere utilizar un absorbente (bromuro de litio) cuya finalidad es absorber el refrigerante (en este caso agua) para comprimirlo térmicamente.

En el absorbedor, el vapor de agua que sale del evaporador en condiciones de saturación se pone en contacto y es absorbido por una solución rica (alta en concentración de bromuro de litio) procedente del generador, saliendo en condiciones de saturación como solución pobre en unas primeras condiciones (baja en concentración en bromuro de litio). Este proceso de absorción es exotérmico, por lo que el calor generado se disipa al ambiente mediante agua de enfriamiento. Luego, la solución pobre en las primeras condiciones se bombea hasta unas segundas condiciones y se precalienta en un intercambiador de calor de solución hasta unas terceras condiciones. Por lo tanto, la solución pobre en las terceras condiciones está a mayor presión y temperatura que en las primeras condiciones. Luego, la solución pobre en las terceras condiciones entra en el generador. En el generador, gracias al calentamiento (calor de activación) con una corriente externa, la solución entra en ebullición, por lo que parte del refrigerante se separa en forma de vapor y el resto de la solución sale del generador en unas cuartas condiciones en estado de saturación, a mayor temperatura y con mayor contenido de bromuro de litio. Este proceso de desorción es endotérmico, por lo que requiere de aportación de calor (calor de accionamiento). El refrigerante en fase vapor proveniente del generador se condensa en el condensador y sale como líquido saturado. En este proceso el calor producido en la condensación se disipa al ambiente con agua de enfriamiento. Posteriormente, el agua en fase líquida procedente del condensador se expande en una válvula de expansión y se evapora en el evaporador, donde se produce un enfriamiento útil. Por otro lado, la solución rica procedente del generador en las cuartas condiciones se enfría en el intercambiador de calor de solución a unas quintas condiciones y se expande a unas sextas condiciones en una válvula de expansión antes de ser introducido de nuevo en el absorbedor.

Las prestaciones de una bomba de calor o enfriadora suelen darse en términos del coeficiente de operación o COP. El coeficiente de operación de una enfriadora o bomba de calor se define como la relación de la energía térmica que aporta la máquina (refrigeración y/o calefacción) con respecto a la energía necesaria para activarla. En este caso, el sistema convencional solo proporciona refrigeración en el evaporador (QE) y la energía necesaria para activar el ciclo es la necesaria en el generador (QD). Por lo tanto, el coeficiente de operación es solo para refrigeración en este caso, por lo tanto:

QE COP _R =

VD

En general, para unas condiciones operativas dadas, cuanto mayor sea el coeficiente de operación, más eficiente es, ya que esto significa que se requiere proporcionar una menor cantidad de energía térmica de activación para proporcionar la misma cantidad de frío. Es posible realizar una primera estimación del coeficiente de operación del sistema convencional suponiendo:

QA ~ QD QE ~ Qc

El calor de accionamiento QD requerido en el generador consta de dos partes: calor sensible Qo.sen, requerido para calentar la solución hasta la ebullición de la solución y calor latente Q _D ,iat requerido para la ebullición y separación del refrigerante. El calor latente Qo.iat es aproximadamente un 20 % mayor que el calor de condensación cedido en el condensador, debido a la entalpia de mezcla del agua en la solución. Además, la solución debe calentarse desde las terceras condiciones hasta las cuartas condiciones. Este calor

Qü.sen es sensible y suele ser el 30% del calor requerido en el condensador. Por lo tanto:

QD — Qü.lat + Qo.sen ~ 1-2 ’ Qc + 0-3 • Qc ~ 1-5 • Qc

Esto significa que el coeficiente de operación en este ciclo es:

QE 1

COP _c = « 0.67

QD 1.5

Descripción de la invención

Es objeto de la invención una bomba de calor de absorción de agua-bromuro de litio de simple efecto que produce simultáneamente frió y calor útil, que comprende un condensador, un evaporador, un absorbedor, un primer intercambiador de calor, un generador y un condensador.

El condensador está configurado para condensar agua en fase vapor a agua en fase liquida , tal que del condensador se calienta agua un fluido para alimentar un circuito de calefacción útil. El condensador que recibe parte del vapor generado en el generador en paralelo con el calentador y está configurado para condensar ese vapor proveniente del generador y dirigirlo al evaporador.

El evaporador está conectado internamente al condensador y al calentador , estando el evaporador configurado para que el agua condensada pase a estado vapor, y tal que en el evaporador se enfría agua u otro fluido para alimentar un circuito de refrigeración,

El absorbedor está conectado internamente al evaporador de forma que el vapor de agua producido en el evaporador accede al absorbedor donde es absorbido (condensado y mezclado con la solución) por la solución rica en bromuro de litio procedente del generador , tal que del absorbedor sale una solución pobre en bromuro de litio hacia el generador En el absorbedor se calienta agua u otro fluido que dependiendo de la temperatura puede ser útil o ha de disiparse a través del circuito de agua de disipación.

El primer intercambiador de calor de solución situado entre el calentador y el generador en la corriente de la solución pobre, y entre el generador y el segundo intercambiador en la corriente de la solución rica y está configurado para calentar la solución pobre gracias al calor cedido por la solución rica procedente del generador. El generador, que recibe la solución pobre procedente del absorbedor está conectado a un circuito externo de calentamiento (calor de activación) y está configurado para que la solución pobre ebulla y se separe en una primera corriente de vapor que es dirigida paralelamente hacia el condensador y al calentador, y una segunda corriente de solución que es dirigida hacia el primer intercambiador de calor. El calor requerido en el generador procede de agua, u otro fluido, caliente, del circuito externo de calentamiento.

La bomba de calor de absorción de agua-bromuro de litio de simple efecto además comprende una válvula de expansión de refrigerante entre el condensador y el evaporador.

La bomba de calor de absorción de agua-bromuro de litio de simple efecto además comprende una segunda válvula de expansión de solución rica entre el segundo intercambiador de calor y el absorbedor.

La bomba de calor de absorción de agua-bromuro de litio de simple efecto además comprende una bomba de impulsión de la solución pobre entre el absorbedor y el calentador

La bomba de calor de absorción de agua-bromuro de litio de simple efecto además comprende un calentador conectado entre el absorbedor y el primer intercambiador de calor y a la salida del generador en paralelo con el condensador, tal que el calentador está configurado para calentar la solución pobre en su trayecto entre el absorbedor y el primer intercambiador de calor aprovechando parte del calor de condensación proporcionado por el refrigerante. El vapor condensado en el calentador es también dirigido al evaporador. Dependiendo de las necesidades térmicas de la aplicación, el mencionado calentador puede estar formado por tubos horizontales apilados con inercia térmica, donde internamente circula la solución pobre y externamente se produce la condensación del vapor. Esta configuración permite mejorar la estratificación térmica de la solución pobre a la vez que se favorece la estabilidad operacional del sistema.

Adicionalmente, se añade un segundo intercambiador de calor entre el primer intercambiador de calor y el absorbedor configurado para enfriar la solución rica que sale del primer intercambiador de calor, tal que del segundo intercambiador de calor se calienta un fluido para alimentar un segundo circuito de calefacción útil. Breve descripción de la figura

A continuación, se pasa a describir de manera muy breve la figura que ayuda a comprender mejor la invención y que se relaciona expresamente con dicha invención que se presentan como ejemplo no limitativo de la misma.

La figura 1 muestra una vista del esquema de la bomba de calor de absorción de agua- bromuro de litio de simple efecto objeto de la invención.

Las referencias numéricas empleadas en las figuras son:

1- evaporador,

2- absorbedor,

3- primer intercambiador de calor,

4- segundo intercambiador de calor,

5- generador,

6- condensador,

7- calentador,

8- bomba de impulsión,

9- primer circuito de calefacción,

10- circuito de disipación

11- válvula de expansión del refrigerante,

12- válvula de expansión de la solución rica,

13- circuito de refrigeración

14- circuito externo de calentamiento, y

15- segundo circuito de calefacción.

Descripción detallada de la invención

Es objeto de la invención una bomba de calor de absorción de agua-bromuro de litio que comprende: un evaporador (1), un absorbedor (2), un primer intercambiador de calor (3), un segundo intercambiador de calor (4), un generador (5), un condensador (6), y un calentador (7).

A continuación, se va a describir cómo están conectados los componentes de la bomba de calor objeto de la invención y su funcionamiento.

En el absorbedor (2), el vapor de agua que sale del evaporador (1) en condiciones de saturación se pone en contacto y es absorbido por una solución con alta concentración de bromuro de litio, o solución rica, procedente del generador (5), saliendo del absorbedor (2) en condiciones de saturación (1) como solución con baja en concentración en bromuro de litio, o solución pobre. Este proceso de absorción es exotérmico, por lo que el calor generado se disipa al ambiente mediante agua de enfriamiento en un circuito de disipación (10).

Luego, la solución pobre pasa por una bomba (8), atraviesa el calentador (7), donde experimenta un primer calentamiento antes de llegar al primer intercambiador de calor (3) donde experimenta un segundo calentamiento.

Desde el primer intercambiador de calor (3), la solución pobre pasa al generador (5), donde la solución experimenta un tercer calentamiento por medio de una corriente externa procedente de un circuito externo (calor de activación) de calentamiento (14), hasta que la solución pobre entra en ebullición. Cuando la solución pobre entra en ebullición, una parte del contenido de agua de la solución pobre se separa y el resto de la solución sale del generador en condiciones de saturación, a mayor temperatura y con mayor contenido de bromuro de litio. Este proceso es endotérmico, por lo que es necesario una aportación de calor, que se denomina calor de activación.

Parte del agua en fase vapor que sale del generador, pasa al condensador (6) y otra parte al calentador (7), en ambos se condensa y sale como líquido saturado. En el condensador (6) es necesario disipar calor, lo que realiza mediante la aportación de una corriente de agua que se calienta hasta alcanzar temperatura para calefacción, es decir, en el condensador (6) se localiza un primer circuito de calefacción (9). El calor del agua condensada en el calentador (7) es utilizado para calentar la solución pobre proveniente del absorbedor (2).

Posteriormente, el agua en fase líquida, es decir ya condensada en el condensador (6) y en el calentador (7), pasa por una válvula de expansión de refrigerante (11) donde cambia sus condiciones de presión y temperatura, y llega al evaporador (1) donde se evapora y donde se produce el enfriamiento útil. Por otro lado, la solución rica que sale del generador (5), se enfría primero en el primer intercambiador de calor (3) y posteriormente en el segundo intercambiador de calor (4), donde se localiza el segundo circuito de calefacción (15) y se expande en una segunda válvula de expansión (12) antes de llegar al absorbedor (2) para absorber el vapor de agua procedente del evaporador (1).

En el evaporador (1) se produce el enfriamiento mediante un circuito de refrigeración (13) que entra y sale del evaporador (1).

En este sistema, no solo se añaden dos componentes respecto los sistemas conocidos en el estado de la técnica, sino que también se modifican las condiciones de funcionamiento del sistema.

En la bomba de calor objeto de la invención existen cuatro niveles de temperatura durante el ciclo de funcionamiento: en el evaporador (1), donde se produce el enfriamiento, la temperatura está en el rango de 5 a 15°C. en el absorbedor (2), donde se disipa el calor, la temperatura está en el rango de 25 a 40°C. A estos niveles de temperatura, el calor no se puede utilizar para la mayoría de las aplicaciones que requieren calor y debe disiparse al ambiente. en el condensador (6), en el segundo intercambiador de calor (4) y en el calentador (7) donde el calor producido se puede utilizar para calefacción y para calentar la solución pobre en bromuro de litio, ya que está en el rango de 45 a 65°C. en el generador (5), donde se requiere calor, la temperatura está en el rango de 85 a 120°C.

En la bomba de calor objeto de la invención hay dos presiones en el ciclo: la primera presión (que corresponde a la presión del evaporador y del absorbedor) que es de aproximadamente 1 kPa. la presión de alta (que corresponde a la presión del condensador, del generador, del calentador y del primer y del segundo intercambiador de calor es de unos 15 a 20 kPa (aproximadamente el doble de la presión de alta del ciclo convencional).

La temperatura de condensación depende de a qué presión se produzca, a mayor presión mayor temperatura de condensación. Por tanto, este aumento de la presión permite aprovechar el calor de condensación para aplicaciones de calentamiento y para el calentamiento de la solución en el calentador (7).

Otra condición operativa a tener en cuenta es la disminución de la concentración másica de bromuro de litio de la solución rica que sale del generador (5), que conlleva un menor riesgo de cristalización de la solución y permite aumentar la efectividad del primer intercambiador de calor (3) y aumentar las temperaturas requeridas para el calor de activación en el generador (5).

Con esta bomba de calor, el condensador (6) aprovecha parte del calor de condensación para producir calor útil, el calentador (7) aprovecha la otra parte del calor de condensación, en paralelo con el condensador (6), para calentar la solución pobre antes del primer intercambiador de calor (3). Además, el segundo intercambiador de calor (4) enfría la solución rica en bromuro de litio proveniente del primer intercambiador de calor para producir calor útil en un segundo circuito de calefacción (15).

En la bomba de calor objeto de la invención el calentamiento requerido en el generador (5) se ve disminuido respecto otros sistemas similares del estado de la técnica debido al calor recuperado en el calentador (7) y la mayor efectividad del intercambiador de calor de solución. Por este motivo, el coeficiente de operación en la bomba de calor objeto de la invención es un 24% mayor que el coeficiente de operación de una enfriadora de las conocidas en el estado de la técnica.

Además, el condensador (6) y el segundo intercambiador de calor (4) proporcionan agua caliente para calefacción. Como se obtiene un calor útil de esta bomba de calor, también se puede obtener un coeficiente de operación de calefacción (COPc) también definido como el calor útil obtenido, en este caso tanto en el condensador (Qc) como en el segundo intercambiador de calor (Chic), con relación al calor de activación requerido.

COP = Qc + Q21C « 0.80

QD