CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -CONCYT-

SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -SENACYT-

FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -FONACYT-

CENTRO UNIVERSITARIO DE OCCIDENTE, UNIVERSIDAD DE SAN

CARLOS DE GUATEMALA –CUNOC-USAC-

INFORME FINAL

EVALUACIÓN DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN HÍBRIDOS DE

ENERGÍA SOLAR Y DE BIOMASA (LEÑA) DE ADSORCIÓN CON PAR

ADSORBENTE – ADSORBATO DE CARBÓN ACTIVADO - METANOL

PROYECTO FODECYT No. 020-2010

ING. MARIO ROBERTO OCHOA ARREAGA

Investigador Principal

GUATEMALA, ENERO DE 2012.

RESUMEN

El objetivo de la investigación de un sistema de refrigeración por fuentes de

energía no conectada a la red del fluido eléctrico es una necesidad en ciertas regiones del

país, las cuales por no estar conectadas no tienen alcance a las medicinas y vacunas

básicas para mejorar su calidad de vida. Las fuentes de energía que se investigan son las

de la radiación solar incidente en la cabecera departamental de Quetzaltenango, además

del potencial energético que poseen los gases de combustión de las estufas de leña, que es

un recurso muy utilizado aún en la mayoría de cocinas en Guatemala.

Para esto se realizaron dos sistemas independientes en la que los evaporadores

residen en el mismo recinto frío. Los dos equipos cuentan con el par de trabajo de carbón

activado – metanol. El sistema construido para utilizar la radiación solar fue construido

con tubos de cobre y el que se construyó para utilizar los gases de la combustión de la

leña se realizó de tubos de acero inoxidable, en este último se eligió este material para

que el efecto de corrosión de los gases sea menor que el de cobre.

La experimentación se llevo a cabo en las instalaciones del Centro Universitario

de Occidente en el mes de enero del año 2012. Los datos recabados se analizaron y se

muestran las interacciones de los elementos en un ciclo de refrigeración de referencia

adjuntándose el cálculo del COP conjunto de los dos sistemas.

SUMMARY

The aim of the investigation of a cooling system by energy sources not connected

to the electricity supply network is a necessity in certain regions of the country, which are

not connected and have no scope to basic medicines and vaccines to improve their

quality of life. The energy sources that are being investigated are incident solar radiation

on the head of the department of Quetzaltenango, plus the potential energy possessed by

the gases of combustion of wood stoves, which is a resource widely used in

most kitchens in Guatemala.

For this there were two separate systems in which the evaporators reside in the

same cold room. The two systems are working with the pair of activated carbon -

methanol. The system built to use solar radiation was built with copper pipes and the one

built to use the gases from the combustion of wood is made of stainless steel tubes, the

stainless steel was chosen so that the effect of corrosion of the gases be less than that

of copper.

The experiment was conducted on the premises of the Centro Universitario de

Occidente in January 2012. The data collected were analyzed and show the

interactions of elements in a refrigeration cycle, and a reference of the COP calculation of

the two systems together.

BREVE BIOGRAFIA ACADEMICA DE LOS AUTORES

MARIO ROBERTO OCHOA ARREAGA (INVESTIGADOR PRINCIPAL)

Lugar de nacimiento: Ciudad de Quetzaltenango, Guatemala, C.A.

Profesión: Ingeniero Mecánico, Universidad de San Carlos de

Guatemala.

Experiencia en

Investigación: Asistencia en la investigación del proyecto FODECYT 010-

2007, del quemador CUNOC II para utilización de aceite

vegetal.

EDGAR ALFONSO COYOY GONZALEZ (INVESTIGADOR ASOCIADO)

Lugar de nacimiento: Ciudad de Quetzaltenango, Guatemala, C.A.

Profesión: Ingeniero Químico, Universidad de San Carlos de

Guatemala.

Experiencia en

Investigación: Tesis sobre la valoración del efecto de la concentración de

iones en la transferencia de calor en la cocción del frijol

común. INCAP, supervisada por el Dr. Ricardo Bresanni y

Msc. Leonardo de León.

Experiencia de Campo: Industria de alimentos Kern´s (1,988), Ingenio Tululá

(1,989).

Otros Estudios: Matemática y Antropología, City College de los Angelés,

EEUU (1995).

Cargo Actual: Coordinador área básica, Centro Universitario de

Occidente, CUNOC-USAC (1996 – a la actualidad).

CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA - CONCYT-

SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -SENACYT-

FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -FONACYT-

CENTRO UNIVERSITARIO DE OCCIDENTE, UNIVERSIDAD DE SAN

CARLOS DE GUATEMALA –CUNOC-USAC-

INFORME FINAL

EVALUACIÓN DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN HÍBRIDOS DE

ENERGÍA SOLAR Y DE BIOMASA (LEÑA) DE ADSORCIÓN CON PAR

ADSORBENTE – ADSORBATO DE CARBÓN ACTIVADO - METANOL

PROYECTO FODECYT No. 020-2010

ING. MARIO ROBERTO OCHOA ARREAGA

Investigador Principal

GUATEMALA, ENERO DE 2012.

II

III

IV

V

AGRADECIMIENTOS:

La realización de este trabajo, ha sido posible gracias al apoyo financiero dentro del

Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología, - FONACYT -, otorgado por la Secretaria

Nacional de Ciencia y Tecnología – SENACYT – y al Consejo Nacional de Ciencia y

Tecnología – CONCYT –.

VI

RECONOCIMIENTOS

Sirva el presente espacio para agradecer el apoyo a esta investigación a las

siguientes personas e instituciones.

A la dirección administrativa del Centro Universitario de Occidente, a la división

de Ciencias de la Ingeniería por el préstamo de las instalaciones de los laboratorios de

Procesos de Manufactura 1 y el de Física. Además del espacio dado para la realización

de las pruebas con el equipo.

A las empresas que nos proporcionaron los elementos que se compraron para la

construcción del equipo.

A las familias de los investigadores, que nos dieron su apoyo incondicional y

aportaron su parte para llevar a cabo esta investigación. Un especial agradecimiento a

Ángel Coyoy por el préstamo de la bomba de vacío, sin la cual no podría haberse llevado

a cabo las pruebas.

Para no cometer la falta grave de omitir algún nombre, nos reservamos el derecho

de hacer llegar nuestras expresas muestras de agradecimiento personalmente, no sin

mencionar el valioso aporte de todos los profesionales consultados que con su visión,

perspectiva y sentido crítico, dieron amplia validez al presente trabajo.

VII

INDICE

PARTE I

I.1 INTRODUCCIÓN 1

I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4

I.2.1 ANTECEDENTES 4

I.2.2 JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN 7

I.3 OBJETIVOS E HIPÓTESIS 9

I.3.1 OBJETIVOS 9

I.3.1.1 GENERAL 9

I.3.1.2 ESPECÍFICOS 9

I.3.2 HIPÓTESIS 9

I.4 METODOLOGÍA 10

I.4.1 LOCALIZACIÓN 10

I.4.2 VARIABLES 11

I.4.2.1 VARIABLES INDEPENDIENTES 11

I.4.2.2 VARIABLES DEPENDIENTES 11

I.4.3 ESTRATEGÍA METODOLOGICA 13

I.4.4 BAJO MATERIALES 15

I.4.5 BAJO MÉTODO 16

PARTE II

II.1 MARCO TEÓRICO 19

II.1.1 EL FENÓMENO LLAMADO ADSORCIÓN 19

II.1.2 EL RECURSO DE RADIACIÓN SOLAR 26

II.1.3 EL RECURSO DE LA LEÑA 33

II.1.4 REFRIGERACIÓN POR ADSORCIÓN 36

II.2 RESULTADOS 45

II.2.1 MEDIDAS DE RADIACIÓN 45

II.2.2 ENERGÍA UTILIZADA DE LA LEÑA 46

VIII

II.2.3 DISEÑO FINAL POR COMPUTADORA 46

II.2.4 CICLO DE REFERENCIA 48

II.2.5 ÁREAS Y VOLUMENES DE LOS SISTEMAS 50

II.2.6 TEMPERATURA EQUIVALENTE DEL LECHO DEL SISTEMA

DE COBRE

51

II.2.7 COMPORTAMIENTO DEL CICLO DE REFERENCIA 52

II.2.8 COMPORTAMIENTO DE LOS COLECTORES – GENERADORES 53

II.2.9 COMPORTAMIENTO DE LOS CONDENSADORES 56

II.2.10 COMPORTAMIENTO DE LOS EVAPORADORES 57

II.2.11 COP DEL CICLO 58

II.3 DISCUSIÓN DE RESULTADOS 59

PARTE III

III.1 CONCLUSIONES 66

III.2 RECOMENDACIONES 68

III.3 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 69

III.4 ANEXOS 73

III.4.1 DATOS OBTENIDOS POR LA MEDICIÓN 74

III.4.2 MAPAS 80

III.4.3 FOTOGRAFÍAS DEL PROCESO DE CONSTRUCCION DE LOS

SISTEMAS

82

PARTE IV

IV.1 INFORME FINANCIERO 88

1

PARTE I

I.1 INTRODUCCION

Los sistemas de refrigeración por adsorción son una alternativa para la

problemática de la contaminación ambiental esto se da por dos factores, uno, no utilizan

los fluidos refrigerantes conocidos como CFC’s que deterioran la capa de ozono, y dos,

pueden utilizar energía térmica de baja temperatura –menores a los 150 ºC y a veces

menores de 100º C-. Esta capacidad de utilizar energía de baja temperatura los hace

adecuados para utilizar energía de desecho de plantas y calderas, además de poder

utilizar captadores planos par la absorción de la radiación solar.

En el presente informe se llevará a cabo la descripción de equipos y como son

conformados para utilizar la adsorción para la refrigeración.

En la parte I, se introducirá al lector al por qué de la investigación en el

planteamiento del problema, se dirá porque la selección de este tipo de sistemas de

refrigeración, viendo los antecedentes de diferentes investigaciones alrededor del mundo

que han usado modelos y experimentos para mejorar las capacidades de los mismos.

También se hablará de la relación en la cual se encuentra la utilización de los recursos

propuestos para generar la energía que haga funcionar los ciclos de refrigeración de este

tipo justificando la necesidad de investigar su potencial.

En los objetivos e hipótesis de esta investigación se verá lo que se planteó

alcanzar y cual es la premisa para el funcionamiento del sistema que se construyó.

La metodología muestra el camino seguido por los investigadores para llevar la

investigación teórica a una aplicación práctica, la cual se realizó en el Centro

Universitario de Occidente, en la cuales los principales retos fueron ver como las

diferentes fuentes de energía seleccionadas, así como la temperatura ambiente del lugar

afectaban a los diferentes elementos constitutivos de los sistemas construidos. Para esto

se siguió una estrategia en la cual se debían considerar los materiales a utilizar y los

equipos para poder armar el prototipo que se propone. La construcción de los mismos se

realizó llevando a cabo investigaciones teóricas de cómo poder aplicar los conocimientos

2

de la adsorción en un sistema de un ciclo al día, por el camino que sigue el sol y las horas

de radiación en la ciudad. Finalmente utilizando este conocimiento se crearon modelos

por computadora para guiar la construcción física del prototipo. Este prototipo fue

construido enteramente de la materia prima que fueron las tuberías de cobre y acero

inoxidable, todos los elementos fueron cortados y soldados para armar los colectores –

generadores, condensadores y evaporadores.

En la parte II se muestran las bases del marco teórico que sirven como el punto

de partida para la construcción de este sistema. Iniciando con el fenómeno de la

adsorción, este es el punto de partida, el entendimiento de como funciona la adsorción en

sólidos microporosos como lo es el carbón activado que es el material adsorbente

utilizado en esta investigación consiste en la guía para poder seleccionar el mejor y el

carbón activado es el material que mayor cantidad de superficie tiene por gramo.

Además se llegó a la conclusión de que la mejor forma de modelar el comportamiento de

un lecho adsorbente con sólidos microporosos es la utilización de la ecuación de Dubinin

– Astakhov, que de manera experimental puede calcular coeficientes de afinidad de una

pareja de adsorbente – adsorbato específica para que pueda ser aplicable con la menor

dispersión a los datos reales.

También se justifica teóricamente el porque del recurso de radiación solar es una

de las fuentes de energía propuestas para alimentar el ciclo de refrigeración en el sistema

construido de cobre. Se dan los datos del potencial de los rayos del sol con la radiación

solar extraterrestre, la cual por la atmósfera y las condiciones de distintas regiones varía.

Se da la información de los instrumentos que hay para poder medir todas las variables

utilizables en sistemas de calentamiento solar. Y finalmente se muestra en un mapa de

irradiación solar de parte de Centroamérica en el mes de enero.

Siguiendo con las fuentes de energía seleccionadas el recurso de la leña como la

otra fuente de calentamiento para el sistema de acero inoxidable. Se muestran

estadísticas nacionales de las fuentes y conexiones de energía eléctrica como preámbulo

para la estadística importante que es la de la fuerte influencia que tiene el uso de leña

para la mayoría de familia que la utilizan para cocinar.

Para finalizar esta parte se dan las bases para la refrigeración por adsorción

mostrando la interacción del par de trabajo utilizado, así como los diferentes elementos

3

que constituyen un sistema de refrigeración como lo son, el generador, el condensador y

los evaporadores. Se muestran las propiedades de este tipo de sistemas para refrigeración

así como sus desventajas comparativas con los sistemas de refrigeración por compresión

de vapor. Finalmente se da una guía de las ecuaciones que nos permitirán ver el

comportamiento del equipo.

Siguiendo la teoría se dan los resultados, comenzando con las medidas de

radiación para el cálculo del COP. Luego como en la radiación se calcula la energía que

se aplica al utilizar los gases de la combustión de la leña. Se muestra el diseño final del

cual se baso la construcción de los dos sistemas de refrigeración. Se muestra la toma de

datos de un ciclo de referencia, además de las áreas y volúmenes de los elementos del

equipo. Luego sigue el cálculo de la temperatura equivalente del lecho adsorbente,

necesario para poder mostrar el comportamiento de las etapas de adsorción y desorción

en el generador de cobre. Luego se muestran los comportamientos de todos los

elementos de los dos sistemas en el ciclo de referencia, estos muestran las gráficas de los

intercambios de energía. Finalmente se hace el cálculo del coeficiente global de

rendimiento o COP.

Para terminar esta parte se presenta la discusión de resultados que explica el

porque del funcionamiento y de los resultados, resaltando las propiedades del equipo y

dando puntos del porque de ciertos factores que disminuyen el rendimiento del sistema.

En la parte III se dan las conclusiones, recomendaciones, referencias

bibliográficas y anexos, en estos últimos se muestran los datos experimentales tomados la

semana de pruebas, graficas de la utilización de la energía eléctrica y la leña para cocinar

y finalmente la sección de fotografías que muestran la evolución en la construcción del

equipo.

Finalmente en la parte IV se muestra el informe financiero de los gastos que se

llevaron para realizar el proyecto.

4

I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

I.2.1 Antecedentes en Guatemala

Hay pocas investigaciones y desarrollo de tecnologías para la refrigeración en

Guatemala. La mayor parte de esta es sobre mejoramiento de condensadores y

evaporadores para la industria, como la industria de bebidas.

Una de las investigaciones que se han podido encontrar en el país sobre el

desarrollo de sistemas de refrigeración que utilicen energía solar es el llevado a cabo por

el centro de investigaciones de ingeniería de la universidad de San Carlos de Guatemala

(Chang H. R., 1985) en el cual se realiza la construcción de un sistema que utiliza la

energía solar como fuente de energía y el método de absorción para crear el efecto de

refrigeración. Este tipo de sistema utiliza un colector solar plano para el calentamiento,

el fluido que pasa por este colector es agua. El funcionamiento de este sistema

construido es de ciclo intermitente, esto es debido a que para los sistemas de absorción

las temperaturas de desorción tienden a ser altas, comúnmente alrededor de los 200º C,

por lo cual la mayoría de sistemas que utilizan este método para refrigeración usan

energía residual de calderas o calentadores a gas. Pero al ser un ciclo intermitente la

energía absorbida por el colector plano se utiliza cuando se requiere.

En el caso de la investigación de los procesos de adsorción, la mayoría de las

investigaciones solo utilizan la adsorción para la separación de partículas de un fluido el

cual se esta examinando, o para averiguar el tamaño de ciertas partículas a través del

matiz molecular del cual constan los sólidos adsorbentes.

Por parte del programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED

2004) se realizó una monografía para el uso de la adsorción en la solución de algunos

problemas ambientales, en esta se da una pequeña vista general al fenómeno de la

adsorción y algunas aplicaciones de adsorbentes, enfocándose en la utilización de este

fenómeno en la descontaminación de fluidos como ejemplos la eliminación de

contaminantes orgánicos de las aguas mediante adsorción en materiales de carbón o la

reducción de óxidos de nitrógeno por materiales carbonosos.

Una recopilación para entender los procesos y los materiales que intervienen en el

fenómeno de adsorción, sobre todo por carbones (Martín J. M. 1988), ya que estos

5

materiales se pueden encontrar o realizar por materias del grupo principal de compuestos

orgánicos. Basados en el entendimiento de que los carbones por su estructura de forma

gráfitica posee una gran capacidad de al ser tratado tener un área y volumen de poros

muy alta. La mayor utilización de las materias carbonosas para procesos de adsorción es

la del llamado carbón activado. El carbón activado es el resultado de un tratamiento a

materias carbonizables o carbones minerales por calentamiento para dotarlos de una

estructura porosa. La estructura del carbón activado no es difiere mucho a la del carbón

del que proviene, esta diferencia radica en la eliminación de materia por el proceso de

activación la cual deja su espacio creando poros dentro del carbón.

En los últimos años la investigación y aplicación de sistemas de refrigeración

ambientalmente amigables ha despegado en el mundo. Tratándose de sistemas solares

que utilicen la adsorción como medio para producir frío, las investigaciones se han

expandido a casi cualquier lugar, aunque la mayoría son de forma de modelos, habiendo

menos experimentales.

Así en China, la Universidad de Hong Kong a desarrollado actualmente dos tesis

de modelado para refrigeración por adsorción (King Ho, Y., 2003 y Li Yong, 2004). La

primera trata de un modelo para optimizar un sistema solar híbrido el cual tiene como

objetivo calentar agua para uso domiciliar y junto la creación de frío. Este modelo se

basa en la modificación de un sistema de calentador de agua solar residencial, en el cual

el tanque de almacenamiento de agua caliente es modificado. Esta modificación del

tanque es para permitir colocar un lecho de fibra de carbón activado, el cual es calentado

por el agua del tanque para permitir la desorción. Este modelo utiliza el par de carbón

activado – metanol, pero el carbón activado que proponen utilizar es de tipo fibra lo cual

modifica la forma de colocación, su transferencia de calor y propiedades de adsorción,

por tener una forma más continua.

El segundo es un modelo de sistema de refrigeración un lecho rotatorio múltiple,

que trata de mejorar el rendimiento de los sistemas de refrigeración por adsorción con

energía solar, implementando mayor cantidad de ciclos al día, ya que los sistemas con

solo un lecho son monociclicos al día. Para realizar el modelo el par de trabajo propuesto

para este sistema fue el de carbón activado monolítico – amoniaco. Para convertir el

sistema en multiciclico al día, los lechos de carbón activado rotan, al rotarlos hace que el

6

lecho que previamente estaba expuesto al calentamiento solar se esconda en una sombra

para que inicie el proceso de enfriamiento del mismo para poder iniciar la adsorción,

mientras que el lecho que previamente estaba en sombra, con adsorbente adsorbido, al

colocarse en la parte expuesta al calentamiento solar, inicia la fase de desorción.

Otro estudio, en este caso es experimental con posterior modelamiento para

mejorar rendimientos se llevo a cabo en la Universidad de Burgos (González, M. I.,

2006). Este sistema es de refrigeración solar, el par de trabajo que utiliza es el carbón

activado – metanol, el carbón activado que utiliza es en forma de pellets. El investigador

para mejorar la etapa de desorción, en lugar de utilizar un captador plano, utilizó un

concentrador parabólico compuesto, este es un concentrador que no sigue el sol como los

cilindroparabólicos, sino que aprovecha los rayos que caen dentro de una apertura en una

plancha reflectiva en forma de parábola que concentra el calor a un cilindro que esta

colocado en el foco de la misma. Además de esta modificación en la forma del colector,

el sistema utiliza refrigeración por circulación de agua en el condensador, pero la

circulación de agua se da por un sistema de bombeo eléctrico alimentado por una celda

solar. Esta es una ventaja, ya que los condensadores refrigerados por agua logran

remover más calor que los refrigerados por aire.

Otro ejemplo de la difusión de la necesidad de estudiar este tipo de sistemas es el

de la investigación llevada a cabo en la Universidad An-Najah, en Palestina (Said, W. K.,

2008). La investigación se llevo a cabo también con la pareja de carbón activado –

metanol, utilizando para el calentamiento del colector, energía solar. Este sistema se

caracteriza por no utilizar ninguna válvula para cortar o restringir el paso del refrigerante

dentro de todo el sistema. Las condiciones ambientales y de radiación solar son

comparables con las del país. Igual que el anterior trabajo mencionado, este es

experimental, y el investigador utilizó dos modelos, variando de uno a otro la forma del

colector y el condensador. El colector lo cambio de uno plano realizado con planchas a

uno realizado con tuberías. Y el condensador lo cambio de uno refrigerado por agua y

serpentín a otro refrigerado por aire y aletas.

En Latinoamérica, también se ha desarrollado la investigación de estos sistemas,

realizando modelamientos. Uno de estos es el hecho para predecir el comportamiento de

adsorción y desorción de metanol en lecho de carbón activado, el cual es aplicable para el

7

estudio en sistemas de refrigeración solar intermitente (Cortés, F. B., 2006). Este

modelamiento fue hecho en la Universidad Nacional de Colombia, y se concentra en el

estudio de los intercambios de calor y masa dentro del lecho de un sistema de

refrigeración que utilice carbón activado – metanol como par de trabajo, lo cual nos

ayudaría a predecir el comportamiento de este sistema en su parte más importante.

Otro estudio realizado en el Instituto Politécnico Nacional, Unidad Querétaro,

México (Trujeque, J. G., 2010), la investigadora utiliza varios pares de trabajo, para

encontrar las mejores propiedades para implementar en un sistema de refrigeración por

adsorción para clima cálido húmedo. Tres de los fluidos de trabajo que utilizó para su

investigación fueron el agua, etanol y metanol. Los adsorbentes utilizados fueron las

zeolitas y las sílicas, en combinación con los tres fluidos.

Además de las investigaciones mencionadas se han desarrollado varias más como

la de la Universidad de Ingeniería de Lima, Perú (Ramos, M., et al.). Se mencionan listas

de investigaciones experimentales y modelos, además se mencionan que tipo de energía

utilizan ya sea térmica de desecho, térmica o solar, en González, M. I., King Ho, Y., y Li

Yong.

1.2.2 Justificación del trabajo de investigación

Es una necesidad fundamental la de contar con salud y alimentación adecuadas

para el desarrollo de los habitantes de una población. Considerando lo anterior, estas solo

se pueden cumplir teniendo servicios de calidad. Pero cuando hay regiones del país

aisladas de las vías de comunicación y de las redes de energía eléctrica, es realmente

difícil llevar vacunas y medicamentos, y más aun, poder conservarlos en la comunidad

sin que se deterioren por falta de refrigeración.

En la actualidad el cuidado del ambiente es de real importancia, y debido a las

normativas actuales en el caso de los refrigerantes clorofluorocarbonados en sistemas de

refrigeración por compresión, se ha buscado alternativas con sistemas y máquinas

eficientes y seguras, con refrigerantes que no influyan en el deterioro de la atmósfera y

que sean capaces de funcionar en cualquier ambiente. Un ejemplo es en este caso la

máquina propuesta, un sistema de refrigeración que funciona a base de energías

renovables, energías como la de la leña que ya se usa en la mayoría de las viviendas a

8

nivel nacional, y la solar que tiene una gran incidencia de irradiación en casi cualquier

región del país.

Los sistemas de refrigeración por adsorción pueden utilizar conjuntamente las

fuentes de calor solar y de biomasa en forma de leña, estas dos abundan en nuestro país y

se pretende que se utilicen para potenciar el sistema de refrigeración propuesto.

Al funcionar con una energía gratuita como la solar se logra reducir costos,

además de ser encontrada en cualquier región de Guatemala con gran y muy constante

irradiación, además por ser un sistema híbrido que funcione con leña puede ser operativo

aún en épocas y zonas donde no haya mucha incidencia solar.

El impacto en la sociedad puede ser el de beneficiar a gran parte de la población

que aún no cuenta o no tiene acceso a la refrigeración como lo son las 3422 comunidades

que no están conectadas a la red de energía eléctrica nacional (fuente elperiodico.com.gt,

viernes 23 de octubre del 2009), con lo cual podría mantener por mayor tiempo alimentos

que de otra forma perecerían en poco tiempo, además de poder ayudar a centros de salud

a mantener medicinas y vacunas en mejores condiciones por mayor tiempo. Incluso

aprovechar el gran potencial energético como lo es la fuente solar, y aprovechar de mejor

manera la fuente de energía como lo es la leña que ya se usa en el 82% de las viviendas

del país. Aún en casos de desastres como por ejemplo lo que sucedió en Haití, que

colapso la red de energía, los medicamentos que necesariamente tenían que estar en

refrigeración caducaban o no soportaban mucho tiempo. En estos casos un sistema

independiente de la red de electricidad llegará a ser muy beneficioso.

9

I.3 OBJETIVOS E HIPOTESIS

I.3.1 OBJETIVOS

I.3.1.1 General

Diseñar, construir y evaluar un sistema de refrigeración por adsorción, que trabaje

con par adsorbente – adsorbato de carbón activado – metanol con energía renovable solar

y de biomasa (leña).

I.3.1.2 Específicos

1. Diseñar, construir y evaluar un sistema de refrigeración por adsorción, que trabaje

con par adsorbente – adsorbato de carbón activado – metanol con energía

renovable solar y de biomasa (leña).

2. Establecer y realizar un modelo de refrigeración con un sistema híbrido de energía

para una máquina que trabaje con par adsorbente –adsorbato de carbón activado –

metanol.

3. Realizar un diseño para el refrigerador en base a modelos ya establecidos y

estudios de un sistema híbrido con par adsorbente – adsorbato, como lo es el

carbón activado – metanol.

4. Adquirir los equipos, instrumentos y materiales necesarios para la construcción de

al menos un prototipo de un sistema de refrigeración por adsorción con par

adsorbente – adsorbato de carbón activado y metanol que trabaje con las energías

solar y de biomasa (leña) acorde al diseño propuesto con anterioridad.

5. Evaluar el desempeño del prototipo de refrigeración por adsorción con par

adsorbente – adsorbato de carbón activado – metanol que trabaje con energía solar

y con energía de biomasa (leña) para determinar y medir eficiencias y

rendimientos del sistema de refrigeración.

I.3.2 HIPOTESIS

“Es posible construir un sistema de refrigeración híbrido por adsorción con par

adsorbente – adsorbato de carbón activado – metanol que trabaje con energía solar y

energía de biomasa (leña), funcional y eficiente que sea independiente de la energía

eléctrica.”

10

I.4 METODOLOGIA

I.4.1 LOCALIZACIÓN

La localización de la construcción y pruebas de los sistemas de refrigeración por

adsorción se realizaron en la cabecera departamental de Quetzaltenango, dentro de las

instalaciones del Centro Universitario de Occidente de la Universidad de San Carlos de

Guatemala, con coordenadas obtenidas por Google Earth en una latitud de 14o50’41”

Norte y longitud 91º32’07” oeste a 2,388 metros sobre el nivel del mar (msnm).

Las características propias de la ciudad son las de un clima frío por lo general, gracias a

la altura en que esta ubicada, se tiene una temperatura media de 14º C, temperatura

máxima promedio de 22.6º C y una temperatura mínima promedio de 6.9º C, la humedad

relativa promedio a lo largo del año es de 78 %, y una precipitación pluvial de variable

por año que en 2010 fue de 1379 mm al año.

Fotografía satelital del Centro Universitario de Occidente, Quetzaltenango, Quetzaltenango, Guatemala,

C.A., Fuente Google Earth, © 2,011.

11

Las pruebas del equipo fueron llevadas a cabo dentro del módulo sin finalzar del

Centro, durante las primeras dos semanas del mes de enero. La decisión de realizarlo en

este sitio es la accesibilidad para poder instalarlo, además de al no estar terminado,

solamente el primer nivel, las sombras proyectadas por la estructura del edificio no llegan

a afectar la recepción de la radiación solar por el colector – generador de cobre.

Para el mes de enero las condiciones ambientales según el INSIVUMEH para

Quetzaltenango, por datos de la estación meteorológica situada en la Labor Ovalle son de

una temperatura máxima de 23º C, temperatura mínima de 1.5º C, temperatura promedio

de 13.2º C, humedad relativa 69 %, promedio de nubosidad de 3 octas y horas de brillo

solar de 250 al mes.

I.4.2 VARIABLES

1.4.2.1 VARIABLES INDEPENDIENTES:

Las variables independientes están constituidas por la radiación total incidente, ya

sea directa o difusa que llega a captar el colector – generador del sistema de refrigeración

construido con cobre. Esta es independiente ya que de esta depende los niveles de

calentamiento y desorción del metanol en el lecho de carbón activado.

La energía liberada en forma de calor por parte de la quema de leña en una estufa,

para calentar con los gases residuales que se liberan por la chimenea el colector –

generador del sistema de refrigeración de acero inoxidable. Al igual que con el colector

del sistema de cobre, esta variable es necesaria para poder desorber el metanol dentro del

lecho de carbón activado, para su posterior condensación y luego evaporación.

Y la temperatura ambiente, ya que de esta depende las temperaturas de

condensación, enfriamiento de los lechos en la etapa de adsorción y es muy influyente en

la temperatura del agua a refrigerar dentro del sistema.

1.4.1.2 VARIABLES DEPENDIENTES

Se considera que todas las variables dependientes son las que se ven afectadas por

los estados de las variables anteriormente descritas de modo que se mencionarán todas las

que se consideren y se hayan tomado para realizar el balance del rendimiento de los

sistemas, y estas son las siguientes:

12

Tabla No. 1

Variables dependientes, medidas y calculadas

Variable Descripción

T en generador

(Tengen)

Temperaturas medidas para las condiciones dentro de los

colectores – generadores de los dos sistemas de refrigeración

T fuera generador

(Tfgen)

Temperaturas medidas en el exterior de los tubos que conforman

los colectores – generadores y el lecho de carbón activado.

T en condensador

(Tencon)

Temperaturas obtenidas por medición directa dentro de los tubos

que funcionan para la condensación del metanol desorbido.

T fuera condensador

(Tfcon)

Temperaturas medidas fuera en la superficie exterior de los

condensadores para los dos sistemas.

T en evaporador

(Tenev)

Temperaturas medidas para el metanol dentro de los

evaporadores que se encuentran en el recinto frío.

T fuera evaporador

(Tfev)

Temperaturas medidas en la superficie exterior de los

evaporadores que se encuentran dentro del recinto frío.

T agua

(Ta)

Es la temperatura del agua a refrigerar, se coloca dentro de

cilindros de cobre.

P en generador

(Pgen)

Es la presión medida dentro de los dos elementos colector –

generador durante los ciclos de enfriamiento de los dos sistemas.

P en evaporador

(Pev)

Presión medida dentro de los evaporadores de los dos sistemas

para todas las fases de la refrigeración.

Columna Es la medida directa de la cantidad de metanol evaporado y

condensado, dentro de los evaporadores observada a través de

una manguera visor.

Metanol condensado

(Mcon)

Es el cálculo de metanol condensado según la medida de la

columna en la fase de condensación.

Metanol evaporado

(Mev)

Es el cálculo de metanol evaporado según la medida de la

columna en la fase de evaporación.

Concentración

(x)

Es la cantidad de metanol dentro del lecho de carbón activado,

calculado y dado en unidades de kg de metanol por kg de carbón

13

activado.

Coeficiente de

rendimiento

(COP)

(Coeficient of performance) es el cálculo del rendimiento de los

sistemas de refrigeración según la capacidad de extraer calor por

la cantidad de energía necesaria para extraer ese calor.

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Para todas las variables con T, esta es temperatura y es medida en grados

centígrados (º C), al menos que se mencione lo contrario o cuando se utilizan para los

cálculos de otras variables pueden ser representadas en grados Kelvin. Para todas las

variables con P, esta es la presión y es medida en kilopascales (kPa), y al menos que se

mencione que para los cálculos se necesite la conversión a milibares o milímetros de

mercurio o alguna otra medida de presión. Vale decir que la mayoría de presiones

medidas son presiones menores a la atmosférica por lo que les conoce como presiones de

vacío.

I.4.3 ESTRATEGIA METODOLOGICA

La realización del proyecto se baso en la prueba física del funcionamiento de un

equipo que utilizará energía térmica, seleccionándose dos tipos de energía que abundan y

recursos que se encuentran por todo el país.

Estas dos formas de energía no han sido optimizadas para su uso, en la búsqueda

de reducir la dependencia de la utilización de la energía eléctrica contaminante. La

energía eléctrica contaminante es aquella que utiliza combustibles fósiles para la

generación, lo cual no solo contamina la atmósfera sino todo el ambiente circundante a

aquellas plantas de generación.

En lo que corresponde a la metodología utilizada para poder llevar a cabo este

proyecto, se aplico el método de investigación científica con aplicación experimental,

para realizar determinaciones cualitativas y cuantitativas de valores de interés que se

utilizarán para dar conclusiones sobre este tipo de alternativa para sistemas de

refrigeración, mediante el siguiente procedimiento y diagrama de flujo.

14

Figura No. 1

Diagrama de flujo del procedimiento para el proyecto Evaluación de sistemas de

refrigeración híbridos de energía solar y de biomasa (leña) de adsorción con par

adsorbente – adsorbato de carbón activado - metanol

020-2010, FODECYT-CONCYT

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

El diagrama anterior, es una vista general al desarrollo de la investigación. Los

recursos teóricos no son tan expandidos dentro del país, ya que la adsorción es un tipo de

tecnología no muy estudiada. El diseño de los dos sistemas se realizó según

procedimientos y estudios que se obtuvieron durante la investigación teórica. Contando

con una adaptación propia pues no se pudo encontrar ninguna investigación en la cual se

utilizará directamente estas dos fuentes de energía conjuntamente como lo son la solar y

la de la leña para llevar a cabo refrigeración. Según las especificaciones del diseño

realizado, se llevaron a cabo las compras de todos los materiales e insumos. La

construcción de los equipos se llevo a cabo dentro las instalaciones del Centro

Universitario de Occidente, en el laboratorio de Procesos de Manufactura 1. Este

Investigación de los recursos teóricos que nos

permitan realizar el procedimiento experimental.

Conforme los recursos teóricos estudiados, se

realizó el diseño experimental de los sistemas.

Se compraron los materiales e insumos necesarios

para realizar el equipo experimental.

Se construyeron los dos sistemas de refrigeración

para realizar las pruebas de su funcionamiento.

Se realizaron las pruebas y mediciones sobre los

dos sistemas de refrigeración.

Se presentan los resultados, conclusiones y

recomendaciones de las pruebas experimentales.

15

laboratorio cuenta con vario equipo del necesario para llevar a cabo esta construcción. A

continuación el equipo se traslado a su lugar de pruebas donde se llevaron a cabo durante

varias semanas las pruebas de estanqueidad y vacío, estas dos necesarias, ya que el

equipo funciona en condiciones de vacío y si el sistema no es estanco, la entrada de aire

afecta el desempeño de los sistemas, y si la construcción no soporta el vacío entonces no

se podría llevar a cabo la experimentación. Los resultados obtenidos son bastante

alentadores encaminados hacia el desarrollo de este tipo de tecnología en el país.

I.4.4 BAJO MATERIALES

El desarrollo de la investigación se llevo a cabo en las instalaciones del Centro

Universitario de Occidente. Para la construcción de los sistemas, se utilizó el espacio del

laboratorio de Procesos de manufactura 1, para pruebas de afinidad del metanol y

humedad, se utilizó el laboratorio de Física y finalmente para las pruebas se utilizó el

espacio del módulo sin finalizar. Los materiales utilizados para la construcción del

sistema de refrigeración solar fueron en su mayoría tubería de cobre, de 3, 1 ½, 1 y ½

todas en pulgadas y de diámetro nominal. Todas estas fueron adquiridas en la ciudad

capital, ya que en Quetzaltenango no hay distribuidores de este tipo de tubería. Además

de las tuberías de cobre se utilizó perfiles angulares de acero, para realizar la estructura

de sostén del sistema, madera, plywood, vidrio y un recubrimiento de pintura negro mate

en las tuberías que conforman el colector – generador.

Para el sistema de refrigeración de biomasa, se utilizó tubería de acero inoxidable,

de 3, 1 ½, 1 y ½ todas en pulgadas de diámetro real. Al igual que con las tuberías de

cobre, todas las tuberías de acero inoxidable también fueron adquiridas en la ciudad

Capital. Además de las tuberías para este sistema se utilizaron también perfiles de acero

angular para la estructura sostén, lámina galvanizada y se realizó una estufa de leña para

general el calor.

Además de lo anterior, los dos sistemas cuentan con válvulas de globo y bola para

paso y sellado al hacer el vacío, aislamiento de fibra de vidrio, manuvacuómetros para

medir presiones, termómetros de vástago, en el recinto frío se utilizó aislamiento de

duroport como también en la caja desmontable para enfriamiento del colector – generador

16

de cobre. Se utilizó para unir todas las tuberías de acero inoxidable varillas especiales

para este tipo de aleaciones y para las de cobre varillas de cobre – plata.

La investigación inició en el mes de julio del 2010 y finalizó en el mes de enero

del 2012. El periodo de pruebas fue desde el mes de noviembre del 2011 a enero de

2012, y la toma de datos la semana del 9 al 14 de enero.

La toma de datos se realizó a cada hora toda la semana en que se llevo a cabo. Se

registraron todas las temperaturas y presiones de los sistemas según el tiempo y se

anotaron datos de observaciones importantes en funcionamiento.

Los sistemas fueron llenados de la siguiente manera: los lechos adsorbentes

fueron llenados por 3000 mililitros de carbón activado por tubo, siendo 12 tubos para

cada lecho 36000 ml por una densidad medida de 0.496 gr por mililitro se tiene 17856

gramos de carbón activado por lecho. Esto es casi 18 kilogramos por cada lecho.

Además ambos sistemas fueron dotados en promedio de 3.5 litros de metanol.

La construcción de los sistemas se llevo a cabo con herramientas mecánicas como

lo son, soldadura eléctrica de arco por electrodo, sierras, pulidora, esmeriladoras,

tronzadora y demás herramientas de herrería, además de equipo oxiacetilénico para la

soldadura de los tubos de cobre. La toma de datos se realizó con los manuvacuómetros y

termómetros de que se dotaron a los sistemas, además de termocuplas que se leían gracias

a multímetros dotados de mediciones de temperatura.

I.4.5 BAJO METODO

Antes de armar los sistemas, se hicieron los cortes a las tuberías que se compraron

para los mismos. Se adecuaron, cortaron y realizaron agujeros a aquellas que son las

zonas de transición entre los diferentes elementos, como lo son de condensador a

evaporador o colector a condensador. Para los colectores – generadores se realizaron

cortes a las tuberías en sus extremos para realizar la reducción de 3 pulgadas a media

pulgada; se hicieron las tuberías concéntricas de malla de acero inoxidable para los dos

colectores, para el colector de acero inoxidable el proceso de construcción fue el

siguiente: teniendo las reducciones de las tuberías se soldó en cada uno de los doce tubos

un lado de las dos reducciones, luego se introducía la tubería de malla concéntrica que se

acoplaba a la reducción, en este punto se procedía a llenar de carbón activado las tuberías

17

de tres pulgadas, habiendo llenado se procedía a cerrar el tubo con la otra reducción

soldándolas a cada una de las doce tuberías, al estar todas cerradas se procedió a juntarlas

soldando los tubos que salen de las reducciones a las líneas que traen y llevan el metanol

del condensador. Para el sistema de cobre lo que se realizó fueron las reducciones

soldándolas a la misma vez, previo a esto se ingresaba el tubo de malla que se acopla con

dos tubos de media al extremo de la tubería de tres pulgadas, estos tubos de media

pulgada son los que conectaron el colector a las tuberías que comunican el metanol al

condensador; una vez realizado esto se soldó todo en una unidad. Para el ingreso de

carbón activado se realizó un agujero en uno de los extremos de cada uno de los doce

tubos de tres pulgadas de cobre, ingresando el carbón por un embudo hasta que se llegaba

a la medida establecida, para luego soldar el agujero hecho.

Todo el resto de componentes como lo son: los dos evaporadores y los dos

condensadores se realizaron con las tuberías de 1 ½ y 1 pulgada, previamente cortadas y

también con los agujeros para el paso de metanol. Se soldaron todas para que fuera una

unidad y luego se hicieron los agujeros para los instrumentos de medición, –

manuvacuómetros y termómetros- también los agujeros para las conexiones entre el

evaporador - condensador y condensador – colector, cada una de estas conexiones con

sus válvulas de paso y para finalizar se realizaron las adaptaciones para los tubos visores

y la válvula de ingreso de metanol que también nos sirve para evacuación de aire.

La construcción de los sistemas se llevo a cabo teniendo en cuenta de que estos

funcionarían en presiones menores a la atmosférica, es por esto que se tuvo el cuidado y

la observación para evitar cualquier falla en el sellado de las tuberías, ya que es realmente

complicado verificar cualquier entrada de aire cuando un equipo funciona en vacío. Se

realizaron las pruebas de estanqueidad de los sistemas con aire a presión.

Antes de ingresar el metanol a los sistemas, los dos colectores – generadores se

calentaron y luego se les aplico vacío, esto se hizo para poder desorber la mayor cantidad

de moléculas para tener la mayor cantidad de área de adsorción posible para le metanol.

Luego de este vacío se ingresó el metanol por la misma válvula que permite abrir o cerrar

el sistema para poder hacer el vacío, se utilizó una manguera conectada a un embudo para

poder ingresar el metanol. Luego de esto se realizó nuevamente un vacío para poder

llevar el sistema a la mínima presión posible.

18

Habiendo terminado se procedió a realizar las pruebas de campo y se evaluó el

desempeño de los sistemas durante una semana, haciendo toma de datos a cada hora.

Los datos obtenidos junto con observaciones realizadas durante las pruebas de

funcionamiento se utilizarán de la siguiente forma: se utilizarán gráficas para un análisis

visual del comportamiento de los sistemas, se utilizará el modelo de cálculo de

concentraciones en materiales microporosos de Dubinin – Astakhov para obtener la

temperatura equivalente del lecho adsorbente, además de la utilización de ecuaciones de

balance de energía y transmisión de calor para llegar a obtener el COP.

Todos los datos fueron recabados de manera manual, verificando las lecturas de

los instrumentos colocados en los sistemas y también tomadas por multímetros en

función de medición de temperatura con termocuplas tipo K.

19

PARTE II

II.1 MARCO TEORICO

II.1.1 EL FENÓMENO LLAMADO ADSORCIÓN

El fenómeno de la adsorción es prácticamente un proceso termodinámico en el

cual moléculas de un fluido en fase gaseosa se condensan sobre la superficie de alguna

sustancia en fase sólida. Para ponerlo de una manera en fases, si se tienen las fases 1 y 2

en contacto, va a haber una región en medio de las dos en las que hay un potencial

distinto al homogéneo de las fases cuando no están en contacto. En el caso de la

adsorción las dos fases implicadas son una gaseosa o vapor y otra sólida. En esta región

donde el potencial es distinto suele ser de un grosor definido por la afinidad y varios

diámetros de la molécula en fase gaseosa (López R.H., 2004).

Para nombrar a los participantes en el proceso de adsorción, al sólido que adsorbe

a la molécula gaseosa se le llama adsorbente, a la molécula de gas o vapor sin adsorber en

la superficie del sólido se le llama adsortivo, cuando la molécula de gas ya ha sido

adsorbida y depositada en el sólido se le llama adsorbato. De ahora en adelante no se

distinguirá entre las definiciones de adsortivo y adsorbato, dándole a esta última el papel

de las dos.

Es conveniente señalar en este momento la diferencia de los términos de

adsorción –nuestro caso- y absorción. En el caso de la adsorción, la interacción entre las

dos fases es simplemente por fuerzas superficiales, ninguna de las dos penetra en la otra;

al contrario de la absorción en la cual la interacción de las dos fases es llevada hasta la

penetración de una en la otra lo que lleva al aumento de la masa y volumen de la fase que

absorbe. El termino genérico para los dos procesos es el de sorción –igual que para los

implicados en la sorción, sorbato, sortivo y sorbente- y este se usa siempre y cuando en

un proceso se puedan llevar a cabo ambos fenómenos. En cuanto al proceso inverso en el

cual las moléculas abandonan el adsorbente se le llama desorción o regeneración los

cuales se pueden utilizar indistintamente y eso se hará aquí (Martín J.M., 1988).

La adsorción se da en casi cualquier superficie expuesta a una fase gaseosa o de

vapor, sin embargo ni la superficie, ni la cantidad de adsorbato y ni la cantidad de energía

son lo suficientemente importantes para notar cambios importantes en estas. Esto es

20

debido a que cuando se lleva a cabo el proceso de adsorción, es la superficie libre del

sólido el que dicta la energía que hay disponible para poder adsorber un fluido. Mientras

mayor sea la superficie que tenga la posibilidad de albergar una molécula de una fase

fluida, mayor cantidad de adsorbato puede retener. Es por esto que los mejores

adsorbentes son aquellos con estructura porosa. A diferencia de los sólidos no porosos

donde las moléculas solo pueden adherirse a la superficie exterior, los sólidos porosos

pueden dirigir a las moléculas del adsorbato a su interior en donde se pueden difundir

para llenar la mayor cantidad de espacios en los poros internos (González, M. I., 2006).

Los sólidos porosos se clasifican generalmente según el tamaño de sus poros, los

cuales pueden ser: macro, meso y microporos. De estos los mejores adsorbentes son los

microporosos, ya que estos son los que cuentan con la mayor área superficial. Los

tamaños de los microporos son de radios menores a 2nm, los mesoporos van desde los 2 a

los 50nm y los macroporos con diámetros mayores a los 50nm. Se dice que los sólidos

microporosos pueden llegar a tener superficies de hasta 1000m2 por gramo de material.

Debido al tamaño de los microporos muchos sólidos pueden llegar a acomodarse a

ciertas moléculas ya que el diámetro de estas puede llegar a ser muy cercano al diámetro

de los microporos por lo cual la interacción es mucho más fuerte. Es por esto que

también los sólidos con este tipo de poros son los más complicados para su estudio. La

interacción de cada uno con su adsorbato no es homogénea y tampoco lo son los radios

de los microporos, ni los canales para acceder a los microporos, dado que la molécula

puede pasar por varios caminos para llegar a un poro que lo adsorba. Es muy común en

sólidos microporosos que también se tengan macro y mesoporos, en este caso la molécula

puede llegar a pasar por estos dos últimos para poder caer en su microporo.

El proceso de la adsorción se puede llevar a cabo por dos tipos de fuerzas que son

físicas y químicas. Para describir a las fuerzas físicas se les llama fisisorción y estas son

las fuerzas atractivas y repulsivas que son responsables de la condensación de vapores y

las desviaciones de la idealidad de los gases reales (Dubinin, M.M. et al. 19641). Las

fuerzas químicas se conocen como quimisorción, y esta está gobernada por la formación

de enlaces químicos entre las especies adsorbidas y los átomos –o iones- superficiales del

sólido (Hayward, D.C, et al. 19642), dicho de otra manera la quimisorción es cuando las

moléculas quedan adheridas a la superficie del sólido. Las temperaturas son más altas

1 y 2 extraídos de Martín, J. M., 1988

21

que las de la fisisorción, es un proceso más lento y habitualmente conlleva a la existencia

de energía de activación.

Debido a que en nuestro proceso solo se lleva a cabo la fisisorción, este tipo de

adsorción es un proceso de superficie, este es mayormente determinado por las fuerzas de

van der Waals, y las interacciones pueden ser de tipo dipolo – dipolo, dipolo permanente

dipolo inducido, dipolo – cuadrupolo, y cuadrupolo – cuadrupolo, además de las

interacciones repulsivas de corto alcance. Debido a estas interacciones ciertas moléculas

de adsorbato no son tan compatibles con un sólido adsorbente aunque sus tamaños de

poro y diámetro de molécula sean muy cercanos, ya que si es apolar y el sólido es de

cierta interacción polar, las fuerzas repulsivas pueden dominar la adsorción.

La adsorción primariamente se utilizó en procesos de limpieza y purificación.

Actualmente se sigue utilizando para estos procesos además de ser utilizados en la

descontaminación ambiental, eliminación de contaminantes orgánicos de aguas, remoción

de color en fluentes de la industria textil, difusión intraparticular de metales pesados,

reducción de óxidos de nitrógeno, control de sistemas de liberación de plaguicidas,

dispersión de hidrocarburos pesados y muchas más, contando con la aplicación en

refrigeración (CYTED, Red Iberoamericana de adsorbentes para la protección ambiental,

2004).

Los tipos de adsorbentes más difundidos para la refrigeración son los siguientes:

carbón activado, zeolitas, el gel de sílice y alúminas. Las zeolitas están formadas por una

familia de minerales compuestos por silicatos alumínicos hidratados de metales alcalinos

y alcalinotérreos. Estructuralmente poseen una armazón que encierra cavidades

interconectadas ocupadas por cationes metálicos y moléculas de agua. En estas

cavidades es donde tiene lugar la deshidratación reversible que las convierte en

adsorbente ideal para el agua. Sus aplicaciones comercialmente pueden ser la separación

de hidrocarburos en el refinado de crudo, secado de gases y líquidos y filtrado de

contaminantes. En refrigeración se utiliza en combinación con el agua. La sílice o gel de

sílice es una sustancia porosa y amorfa, se realiza en base a la eliminación del agua en un

precipitado gelatinoso de ácido silícico, el cual se obtiene añadiendo ácido clorhídrico a

una disolución de silicato de sodio. El gel de sílice es incoloro y absorbe agua y otras

22

sustancias y se usa principalmente como agente desecante y decolorante. En

refrigeración se puede utilizar ya sea con agua o metanol (González, M. I. 2006).

Las alúminas son alúminas activadas que se producen por alúmina hidratada,

deshidratándola bajo condiciones controladas cuidadosamente cerca de 6% de nivel de

humedad. Este es un material comúnmente blanco o canela, opaco con apariencia

arenosa que tiene superficies entre los 150 y 500 m2g

-1 y poros de tamaño de 1.5 a 6 nm.

Usualmente útil como agente desecante para sustancias orgánicas polares (Yeung, K. H.,

2003).

Ya que trataremos con la pareja de carbón activado – metanol, se pondrá

importancia a las propiedades de las estructuras grafíticas y de cómo conforman con el

proceso de activación la gran porosidad de estos sólidos. Los carbones se basan en la

estructura del grafito. Los carbones se distinguen entre sí por cuatro parámetros: a) el

tamaño de sus moléculas constituyentes, ya sea capas o láminas, b) la perfección de la

disposición hexagonal de los átomos de carbono en cada capa, c) la planalidad de las

moléculas constituyentes del carbón y d) la distancia entre las láminas.

Los carbones activados –o activos- se consideran carbones amorfos porque no

posen el ordenamiento de las formas de carbono como lo son el grafito y el diamante,

aunque no es totalmente cierto ya que este tipo de carbones posee una estructura

microcristalina, que dependiendo del grado y forma de activación se parece en mayor o

menor medida a la estructura del grafito, a esta estructura se le conoce como

turbostrática. Es posible decir que el carbón activado tiene la estructura de microcristles

en los planos hexagonales, similar al grafito, pero que estos planos no están bien

orientados, esta falta de orientación respeto de un plano a otro representa un desorden que

crea espacios mayores o menores de lámina a lámina. Este espacio es generalmente de

menor tamaño a los 2 nm, y es esto lo que crea que sus superficies internas sean mucho

más accesibles a los gases que el diamante o el grafito. Esto también se debe a que el

proceso de activación implica la desaparición de carbono, que hace que se forme un gran

número de poros a dejar su espacio mientras crea un camino para salir de la estructura.

Hay que tener en cuenta que las propiedades de un carbón activado se deben

principalmente al material biológico de partida, que es la base para la estructura final que

tendrá el carbón.

23

El proceso de un carbón activo se inicia por un proceso de carbonización que

consigue un carbón de baja superficie específica, porque aquí se eliminan elementos

como oxígeno e hidrógeno, por descomposición del material de partid en atmósfera inerte

–de nitrógeno usualmente-. Para aumentar la cantidad de poros del carbón obtenido se

debe eliminar los alquitranes y residuos de la carbonización y esto se logra oxidándolos

con algún elemento, y esto es la activación. Para la oxidación se suele utilizar vapor de

agua o dióxido de carbono. Se pueden diferenciar dos etapas: una, en la que se quema

todo el material desorganizado, y luego en la que se abren los poros, y el resultado es un

material con una superficie específica elevada.

Figura No. 2

Representación esquemática de una estructura de carbón activado

Fuente: Martín, J. M., 1988

Se utiliza primordialmente en: a) industria química para la recuperación de

disolventes, desodorización del aire, mascarillas de gas, desulfuración de gases

industriales, tratamiento de aguas potables, catálisis, etc., b) industria farmacéutica como

vehículo excipiente en fármacos, tratamientos contra intoxicaciones, adsorbente de uso

general, etc., c) industria alimenticia para el tratamiento de bebidas alcohólicas,

decolorización y desodorización de alimentos, tratamiento de aguas, etc. Además de uso

como tamiz molecular y refrigeración (Martín, J. M. 1988).

24

Figura No. 3

Estructura jerárquica de carbón activado en una columna de adsorción

Fuente: CYTED, Red Iberoamericana de adsorbentes para la protección ambiental, 2004.

Tipos de adsorbatos más utilizados para los procesos de refrigeración son el agua,

amoníaco, metanol y etanol. Para el agua es una sustancia con el mayor calor latente de

los mencionados de 2490 kJ/kg a 5º C, que es una ventaja para la refrigeración. El agua

tiene sus combinaciones de adsorbentes en la zeolita en esta no es muy sensible a las

variaciones de temperatura. El problema del agua es cuando las temperaturas bajan de 0º

C. Las ventajas son que es económica y se encuentra disponible con mayor facilidad que

los otros líquidos.

El amoníaco es un buen refrigeran también debido a su alto calor latente que es de

1250 kJ/kg a los 5º C, se forma parte de una pequeña porción de la atmósfera, y se

encuentra en gases volcánicos y productos de descomposición de materia orgánica. Sus

desventajas son que es ligeramente tóxica, tiene características corrosivas y olor

penetrante.

El metanol –de importancia ya que es el utilizado en esta investigación- tiene una

molécula muy simple y corresponde a una familia de compuestos llamados alcoholes, su

fórmula molecular es CH4OH. Era obtenida por la destilación destructiva de la madera,

ahora es basada en la combinación directa de gas monóxido de carbono e hidrógeno en la

presencia de un catalítico. Es incoloro, completamente miscible en agua y solventes

25

orgánicos. Sus desventajas son que se descompone cuando es expuesto a temperaturas

mayores a los 150º C, es peligroso al ingerirse, dañino al contacto o inhalación. Sus

propiedades se muestran en la tabla siguiente.

Tabla No. 2

Resumen de las principales propiedades físicas del metanol

Fuente: González, M. I., 2006

Los modelos de equilibrio de adsorción se basan en la concentración, que es el

cociente de la masa adsorbida y la masa adsorbente. Se mide en kg de adsorbato por kg

de adsorbente. Para conocer la concentración las variables que gobiernan las ecuaciones

de estado son la presión y la temperatura.

x = x(P,T), (Ecuación 1)

Varios modelos experimentales se han propuesto, como el de Langmuir y BET,

que se basan en la suposición de que se crean ya sea una monocapa o multicapas sobre

una superficie específica.

El método más recomendado para materiales porosos y más para materiales

microporosos es el descrito por Dubinin, donde se basa en una teoría del llenado de los

microporos. La ecuación obtenida por el modelo original se llama ecuación Dubinin –

Radustkhevich o simplemente D – R, y se puede presentar de la siguiente forma:

x(P,T) = Wo·(T)·exp[-D(T·ln(/P)], (Ecuación 2)

donde (T) es la densidad del adsorbato en estado líquido, Wo representa la máxima

capacidad de adsorción –en unidades de volumen de adsorbato por unidad de masa de

adsorbente- y D, el llamado coeficiente de afinidad, depende tanto de las características

del adsorbente como de las del adsorbato. Wo y D se suelen considerar como parámetros

Fuente: González, M. I., 2006

26

y sus valores se pueden obtener fácilmente mediante ajuste a partir de medidas

experimentales de adsorción.

La ecuación fue modificada para poder ser mejor adaptada y se conoce como la

ecuación Dubinin – Astakhov, o D – A, y es:

x(P,T) = Wo·(T)·exp[-D(T·ln(/P)n], (Ecuación 3)

que debido a su término n es más conveniente para la adsorción es sólidos microporosos.

Es por esto que esta es la ecuación más utilizada para caracterizar este tipo de fenómenos

en aplicaciones de refrigeración.

Previamente al modelamiento con ecuaciones se utilizaban las isotermas de

adsorción, que son representaciones en diagramas de las concentraciones en función de la

presión y temperatura fijadas de antemano. Si estos diagramas se representan en una

escala basada en la ecuación de Clapeyron que relaciona el calor latente de vaporización

de un líquido con la pendiente de su curva de saturación o aproximada:

(T) = exp(A – B/T), (Ecuación 4)

se obtiene una recta pendiente positiva y si se representa en una gráfica en la cual la

coordinada horizontal sea -1/T y las ordenadas sean lnP se obtendrán rectas.

Figura No. 4

Esquema de isósteras. Incluye la curva de saturación de un adsorbato puro

Fuente: González, M. I., 2006

II.1.2 EL RECURSO DE RADIACIÓN SOLAR

Energéticamente el sol es la fuente con mayor energía más próxima a la tierra, el

irradia al espació aproximadamente 5,6 x1025

GeV en forma de partículas de alta energía

y radiación. La tierra en su caso recibe de toda la energía liberada por el sol un total de

27

1.73x1014

kW, o 1.353 kW/m2, en el exterior de la atmósfera. Esta energía se conoce

como constante solar, y varía dependiendo la cercanía de la tierra al sol en un +3%. Esta

variación de la distancia se debe a que la trayectoria de la tierra alrededor del sol es una

elipse, aunque se aproxima cercanamente a una trayectoria circular, debido a la diferencia

de masas. Ya que el sol se encuentra en uno de los focos de la elipse, la tierra se

encuentra más cercana a él, el 15 de enero –esta distancia mínima se llama perihelio- y la

más lejana en junio –llamada afelio-.

La energía que llega a la tierra es repartida así:

Energía reflejada por la atmósfera hacia el espacio exterior: 30%, 0.52x1014

kW

Energía utilizada para calentar la atmósfera: 47%, 0.80x1014

kW

Energía utilizada en evaporación de los océanos: 23%, 0.40x1014

kW

Energía utilizada en generar perturbaciones atmosféricas: 0.0037x1014

kW

Energía utilizada en fotosíntesis: 0.0004x1014

kW

El 47% de la energía solar incidente alcanza la superficie terrestre, de forma que el

31% lo hace directamente y el otro 16% después de ser difundida por el polvo, vapor de

agua y moléculas de aire.

Figura No. 5

Balance de radiación solar y radiación terrestre

Fuente: Diez, P. F.

Se puede considerar al sol como un cuerpo negro que irradia energía a la temperatura

de 5762 K, ya que la distribución de energía para cada longitud de onda aprovechable por

28

los procesos térmicos y fototérmicos, es básicamente la misma que la de dicho cuerpo

negro. Es importante conocer la distribución espectral de la radiación solar, ya que la

interacción de la misma con los distintos medios materiales es función de la longitud de

onda de la radiación incidente. La radiación en el ultravioleta es de < 0.38 m, visible

0.38 < < 0.78 m e infrarrojo, > 0.78 m, de esto se obtiene que el 7% de la energía –

igual a 95 W/m2-, corresponde al intervalo de longitudes de onda inferiores a los 0.38

m; el 47.3% -igual a 640 W/m2-, corresponde a longitudes de onda entre 0.38 y 0.78 m

y el 45.7% corresponde a longitudes superiores a 0.78 m.

La radiación incidente normal recibida sobre la superficie terrestre varía debido

mayormente los siguientes factores: distancia al sol, difusión por las moléculas de aire,

vapor de agua y polvo y en la absorción de la atmósfera –O3, H2O y CO2-.

Figura No. 6

Distribución espectral de la radiación solar

Fuente: Trujeque, J. G., 2010

Los dispositivos para medir la observancia del flujo solar van desde los que miden la

cantidad de horas de sol al día, radiación directa, radiación difusa y la diferencia entre las

dos. Los heliómetros, son los instrumentos utilizados para medir la duración de la

radiación solar sobre un plano. Los heliógrafos comienzan a medir la radiación solar

hasta que la radiación directa es superior a un cierto valor, que es dependiente de la

sensibilidad de cada aparato. Hay dos tipos muy reconocidos de heliómetros el de

29

Campbell – Stokes y el de Denis – Jordan. El primero concentra la radiación directa con

la ayuda de un lente esférico sobre un papel normado, para que la luz concentrada

decolore el papel por la quemadura de este, siendo manual. El segundo es de una fibra

óptica, accionada por un motor de corriente continua, la fibra recibe la radiación y la

traslada a una célula fotoeléctrica la cual manda una señal conforme la intensidad de la

radiación recibida.

Figura No. 7

Heliógrafos

Fuente: Diez, P. F., Procesos termosolares en baja, media y alta temperatura

Los pirheliometros miden la radiación solar directa. Está conformado por una cámara

con una abertura, que siempre tiene que estar siguiendo al sol, al recibir la radiación un

disco de plata –de Abbot- dentro de la cámara se calienta y las mediciones se hacen de

lecturas termométricas para la intensidad.

Figura No. 8

Pirheliómetro de disco de plata de Abbot

Fuente: Diez, P. F., Procesos termosolares en baja, media y alta temperatura

30

Los piranómetros miden la radiación total –global, directa más difusa- que se recibe

sobre una superficie en todas las direcciones. Los piranómetros usualmente se basan en

diferencia de temperaturas entre una superficie negra y una blanca y estas alimentan unas

termopilas o células fotoeléctricas. El conjunto debe estar aislado para que el ambiente

exterior no modifique las temperaturas registradas. Este es el dispositivo de mayor uso

en instalaciones meteorológicas.

Figura No. 9

Piranómetro de Kipp y Zonen

Fuente: Diez, P. F., Procesos termosolares en baja, media y alta temperatura

El albedómetro mide la radiación difusa, o del cielo, este se obtiene al adaptarle a un

piranómetro una pantalla destinada a ocultar la radiación solar directa. Este también debe

seguir la trayectoria solar.

El pirradiómetro diferencial o bilanmetro son dispositivos de los más sensibles, ya

que miden la diferencia entre las radiaciones dirigidas hacia el suelo y hacia el espacio y

permiten establecer dos balances radiativos. Poseen doble superficie de captura, una

viendo hacia el suelo y la otra contraria.

Figura No. 10

Albedómetro y bilanmetro ventilado de Gier y Dunkle

Fuente: Diez, P. F., Procesos termosolares en baja, media y alta temperatura

31

El modelo geométrico para determinar la dirección en que llegan a la superficie los

rayos solares, en término de las coordenadas geográficas del lugar de observación, la

fecha y la hora del día. Se inicia por dar la orientación de los rayos solares especificando

dos ángulos: cenital qz y el acimut solar gs. El primero es el ángulo que forman los

rayos del sol con la vertical del lugar, y esta dado por:

cos z = cos cos cos + sen sen , (Ecuación 5)

Donde es la latitud geográfica del lugar, es la declinación del sol en la fecha de

cálculo y es el ángulo horario en el momento de cálculo. Para la declinación se puede

aplicar la fórmula de Cooper, calculada en términos del número ordinal N del día del año

y es:

= 23.45º sen [360(284 + N)/365], (Ecuación 6)

El ángulo horario w está relacionado con la hora solar H a través de:

= 15(H – 12), (Ecuación 7)

Siempre que se exprese H en horas y en grados.

Por su parte el acimut solar s se mide con respecto a la dirección sur. Es

conveniente tomar que es positivo después del mediodía solar y es:

Tan s = cos sen (Ecuación 8)

cos sen sen – sen cos

Figura No. 11

Ángulos de la orientación de los rayos solares

Fuente: González, M. I., 2006

32

Lamentablemente en el país la toma de datos y la importancia de la radiación solar

no ha sido muy tomada en cuenta, ya que solo una estación meteorológica de todas las

instaladas por el INSIVUMEH solamente cuenta con la medición de la radiación global

con piranómetro, y como es usual este se encuentra instalado en la central de la

institución en la Ciudad Capital.

Utilizaremos para este proyecto las mediciones de los mapas solares establecidos

por organizaciones internacionales que monitorean las áreas de incidencia globalmente.

Infortunadamente los mapas adquiridos son de Centroamérica por lo cual su definición no

es la más alta para el país. Se utilizará el mapa de la radiación promedio mensual en

enero. Este mapa fue realizado para su toma en el año del 2003.

Figura No. 12

Mapa de radiación solar global horizontal, mes de enero

Fuente: http://www.nrel.gov/, 2011

33

II.1.3 EL RECURSO DE LA LEÑA

Los bosques en Guatemala ocupan un estimado de 4046419 hectáreas del

territorio nacional. Esto es importante porque los incentivos forestales son importantes

para el desarrollo del ambiente, así como en la economía como fuente de bienes y

servicios, proveedora de fuentes de empleo y desarrollo económico y social. Se tiene que

tener bien pendiente que la explotación forestal como tal afecta la superficie cubierta de

los bosques, lo cual aporta al deterioro de la calidad ambiental. Los datos que se obtienen

de la cobertura boscosa son estimativos ya que no hay forma de medir exactamente esta

misma. Un programa de incentivos forestales debe ser fortalecido y los controles en la

tala de bosques energéticos debe ser llevada a cabo para poder controlar la deforestación.

Tabla No. 3

Estimación de la cobertura forestal 1991 – 2008 en hectáreas

Fuente: UVG, INAB, CONAP

En cuanto a la capacidad de las personas en relación a la cobertura de la red de energía

eléctrica, en Guatemala hay instalada según dato del ministerio de energía y minas en el

2007 el 85.4% de cobertura. Este dato aunque dice mucho de cómo la red del fluido

eléctrico ha empezado a llegar a las regiones más lejanas a las ciudades no refleja la

34

realidad del uso de la misma. Los costos de la energía y el tipo de servicio aún no

permiten que las poblaciones con mayor índice de pobreza puedan llegar a beneficiarse o

aprovechar todo el potencial y el desarrollo que pudieran alcanzar ya que no pueden

costear las tarifas.

Tabla No. 4

Número de usuarios e índice de cobertura eléctrica 1991 - 2007

Fuente: Ministerio de Energía y Minas, Dirección General de Energía

Esto puede verificarse viendo la distancia de hogares con energía eléctrica en las

ciudades y en las áreas rurales –ver anexo-, sin contar el 14.6% de población sin acceso a

la energía eléctrica. Además de tomar en cuenta estos datos se debe ver que la mayor

cantidad de generación de energía eléctrica se produce con combustibles fósiles ya que

las turbinas de vapor, de gas y los motores reciprocantes necesitan de estos para poder

funcionar.

Tabla No. 5

Generación de electricidad por tipo de central 2001 – 2007 (Gigavatios hora)

Fuente: Ministerio de Energía y Minas, Dirección General de Energía

35

Por esto es que la mayoría de hogares aún utiliza la leña como su fuente principal

de energía, y esta es mayormente utilizada para cocinar. Las indicaciones muestran que

el 65.8% de los hogares utiliza leña para cocinar, con Totonicapán y el Quiche con un

índice mayor al 95%.

El problema es ver que este uso de leña sea controlado, y que las fuentes de esta

sean de bosques energéticos que no afecten la cobertura forestal nacional. Se sabe que a

nivel nacional el 45.42% de los hogares que usan la leña la obtienen comprada, siendo

muy equilibrada en el área urbana -23.68%- y el área rural -21.73%-. El resto es por

recolección u otras formas de adquisición, por recolección -45-17%- si se muestra una

diferencia entre el área urbana -9.11%- y el área rural -36.06%-.

Por lo conocido, el mayor uso de leña se da en el área rural, lo cual es congruente,

porque las comunidades del área rural son las que tienen los mayores índices de pobreza,

por lo cual esta es la mejor alternativa en cuanto a recursos energéticos se refiere –ver

anexo para la relación de hogares que utilizan leña para cocinar-.

Tabla No. 6

Guatemala: número de viviendas que utilizan leña para cocinar 2006

Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE), Encuesta Nacional de Condiciones de Vida (ENCOVI)

36

La madera o leña es uno de los recursos naturales usados como biocombustibles

que mayor contenido energético tiene sin sufrir ninguna transformación –como el carbón

vegetal-, por lo que su uso esta muy justificado.

Tabla No. 7

Contenido energético para varios tipos de biocombustibles en MJ/kg

Tipo de

Biomasa

Contenido

de cenizas

(%)

Contenido de humedad (%)

Bh 100 80 60 40 20 15 10 0

Bs 50 44 38 29 17 13 9 0

Madera 1 8.2 9.4 10.7 12.6 15.1 16 16.8 18.7

Residuos

de

cultivos

5 7.2 8.3 9.5 11.2 13.5 14.2 15.0 16.7

10 6.7 7.8 8.9 10.6 12.7 13.5 14.2 15.8

20 5.8 6.8 7.8 9.3 11.3 11.9 12.5 14.1

20 7.3 8.5 9.7 11.4 13.7 14.5 15.8 17.0

Estiércol

animal

25 6.8 7.9 9.0 10.6 12.8 13.6 14.8 16.0

Bh = base húmeda

Bs = base seca

Bh 10 7.5 5.0 0

Bs 9 7.0 5.0 0

Carbón

vegetal

2 29.9 30.6 31.4 33.1

4 29.3 30.0 30.8 32.4

Carbón

residuos

agrícolas

10 27.4 28.1 28.9 30.4

20 24.4 25.0 25.6 27.0

30 21.3 21.8 22.4 23.7

Fuente: Cocinas eficientes de leña 2011, OLADE

II.1.4 REFRIGERACIÓN POR ADSORCIÓN

El funcionamiento de ciclos de refrigeración que utilicen el fenómeno de la

adsorción se pueden llevar a cabo mediante la propiedad de este ya que: al aumentar la

temperatura del lecho donde se encuentra el adsorbente, se reduce la cantidad de

adsorbato dentro de este o dicho de otra forma se produce una desorción. Ahora si

invertimos el flujo de calor, haciendo que se reduzca la temperatura del lecho, este llama

a los vapores del adsorbato. El proceso de desorción debe ser acompañado por la

condensación del adsorbato, pues si no la fase de adsorción no implicará la evaporación

de este y en este caso no podrá retirar calor latente, aquí es preciso señalar que se utiliza

el adsorbato como refrigerante en todo el ciclo. Es por esto que las máquinas con este

tipo de refrigeración cuentan con tres componentes básicos que son: a) colector –

37

generador, en el cual se encuentra el lecho adsorbente y al cual se le aporta la energía –en

este caso en forma de calor- para llevar a cabo la desorción, b) condensador para

transformar los vapores de desorción en líquido y c) un evaporador que sea el que lleve a

cabo el intercambio de calor para refrigerar cuando el adsorbato se evapore. Una

afirmación realizada por Guilleminot1 dice que el adsorbente se comporta como una

superesponja ya que tiene la propiedad de bombear gran cantidad de vapor de adsorbato

hacia sus cavidades a baja temperatura y expulsarlo cuando ésta crece, actuando como

una especie de compresor térmico cuyo émbolo se desplaza al compás de la temperatura a

la que se encuentra el adsorbente.

El ciclo termodinámico que sigue este tipo de refrigeración es por fases definidas

por el adsorbato que esta presente en el sistema. Las fases son:

Fase de calentamiento isostérico: conforme se aporta energía en forma de calor al

lecho adsorbente, la temperatura y la presión se incrementan, pero como su

nombre lo indica –isostera es la representación de una concentración invariable

para ciertas temperaturas y presiones- no hay cambio de concentración en el lecho

y esta es elevada pues previo se ha llevado a cabo la adsorción.

Fase de desorción – condensación: cuando la presión llega al valor de saturación

del adsorbato puro a la temperatura a la que se encuentra en el condensador, el

adsorbato en fase gaseosa se ve forzado a condensarse. Al volverse líquido este

tiende a caer por la gravedad a un depósito que puede ser directamente el

evaporador, a la vez el adsorbato va abandonando los poros del material

adsorbente –desorción- y pasa a fase gaseosa. Este proceso se prolonga, siempre

a una presión dictada por la temperatura a la que se encuentra el condensador, a

esto la energía térmica que es dada al generador se invierte en aumentar la

temperatura de este y también para el calor de desorción. Es en esta fase donde la

temperatura del colector – generador es máxima y la concentración del adsorbato

en el lecho es la menor.

Fase de enfriamiento isostérico: al terminar la fase en la que se aporta energía al

generador, decrecen la temperatura y la presión en el sistema, y es aquí cuando el

adsorbente empieza a intentar adsorber el adsorbato, pero la concentración es baja

aún porque la presión aún no es lo suficientemente baja.

1 Extraído de Gonzáles, M. I., 2006

38

Fase de adsorción – evaporación – producción de frío: al reducirse la presión

hasta el valor de saturación correspondiente a la temperatura a la que se encuentra

el evaporador, es en este instante en el que el adsorbente reclama para sí el

adsorbato, ya que por estar lo suficientemente frío favorece la evaporación por la

energía de adsorción. Y es aquí donde se produce el fenómeno de la

refrigeración, a una presión constante dirigida por la temperatura a la que se

encuentre el evaporador. Hay que mencionar que se debe liberar la mayor

cantidad de calor del generador, para que el lecho este lo más frío para favorecer

la adsorción.

Figura No. 13

Representación del ciclo de producción de frío (diagrama -1/T, ln P)

Fuente: González, M. I., 2006

De la gráfica se pueden ver las cuatro fases de la refrigeración, en AB se produce

la fase del calentamiento isostérico, BC es la fase de desorción – condensación, CD es la

fase del enfriamiento isostérico y DA’ es la fase de adsorción – evaporación – producción

de frío. Las líneas con x1, x2 y x3 son representativas de la concentración del adsorbato

en el adsorbente, la línea punteada de saturación es la de la saturación del adsorbato puro,

(DA’) es la temperatura de evaporación, (BC) es la temperatura de condensación, T(A)

es la temperatura mínima del ciclo y T(C) es la temperatura máxima del ciclo.

Las propiedades de este tipo de refrigeración son las siguientes:

Pueden funcionar exclusivamente con energía térmica con temperaturas de

regeneración menores a las de la absorción -100º C en comparación a los 150 o

39

170º C de la absorción- por lo cual es posible alimentar estos sistemas con energía

solar con captadores planos o energía residual.

Utilizan parejas de trabajo de nula o poca toxicidad y amigables al ambiente que

no infringen las restricciones de los protocolos de Montreal y Kyoto.

Se puede utilizar sin la necesidad de estar conectado a la red eléctrica, sin partes

móviles o muy pocas. Muy fácil de mantener –a excepción de la aplicación del

vacío- o de mantenimiento casi nulo.

La producción de frío si es sensiblemente variable debido a la cantidad de oferta

de la energía térmica.

Tienen un bajo rendimiento global, en comparación a otros tipos de sistemas de

refrigeración, por lo cual debido a esto y su relación peso – producción de frío aún

no es viable para comercialización.

En relación al último inciso se expondrá parte de los factores que limitan la mejora en

la eficiencia del ciclo y estos pueden ser sin intención de definir que sean todos, pero si

son los más importantes debido que en varios trabajos son señalados:

Termodinámicamente se asume que los intercambios en los focos térmicos se

realiza a temperatura constante, lo cual en una máquina real esto no se lleva a

cabo, por lo que esta se aumenta hasta llegar a su valor máximo cerca del final del

calentamiento, entonces este es el punto en donde se lleva a cabo la mayor

cantidad de desorción, pero no es en todo el calentamiento. Lo mismo en la etapa

de enfriamiento del lecho, la temperatura más baja solo se da al final de esta fase.

Además de lo anterior, las pérdidas térmicas que en las máquinas reales es difícil

de eliminar. Primero las pérdidas de calor sensible por la estructura de los

sistemas, además de necesitar parte del frío producido en la cámara de

refrigeración para enfriar el mismo adsorbato a la temperatura de evaporación ya

que este llega a esta a la temperatura de condensación. Y las perdidas en los

generadores ya que ellos no pueden conservar el 100% de la energía que llega a

ellos.

La condensación se debe llevar a cabo a la menor temperatura posible y esto no es

siempre posible ya que en épocas de calor la temperatura ambiente influye en la

alta temperatura de condensación, y de aquí que se aumente la fase de

40

calentamiento isostérico reduciendo el tiempo para las fases de regeneración, y

también se reduce la cantidad de adsorbato condensado – evaporado.

Uno de los factores más importantes del bajo rendimiento de estos sistemas es el

mismo que le da su forma, ya que al utilizar materiales microporosos para la

adsorción, estos son aislantes naturales, ya que su porosidad los hace muy poco

conductores de calor. Este fenómeno se aumenta debido a que los equipos

comúnmente funcionan a presiones de vacío, por lo cual se disminuye aún más la

conducción de calor debido a la falta de aire como fluido conductor de calor, por

lo cual solo cuando el adsorbato tiene su mayor concentración la conducción de

un fluido puede aparecer.

Se mencionará en este punto que el par de trabajo para este proyecto se seleccionó el

de carbón activado – metanol y entonces se darán los criterios para la selección del par de

trabajo.

Para el adsorbato, se debe tener el punto de fusión más bajo posible, para que se

puedan aplicar en refrigeración en la que se requiera congelamiento de agua. La

molécula debe ser pequeña para que pueda facilitar la adsorción sobre los

microporos del adsorbente. Tener un elevado calor latente de vaporización.

Estabilidad térmica y química junto con el adsorbente en el rango de temperaturas

de utilización. No ser tóxico, corrosivo, inflamable y contaminante.

Para el adsorbente se tiene que tener buena afinidad con el adsorbato, que se

entiende por la gran capacidad de adsorberlo a bajas temperaturas. También tiene

que ser capaz de desorber la mayor cantidad de adsorbato a las temperaturas de la

fase de desorción. El calor sensible acumulado durante la fase de calentamiento

debe ser pequeño, en términos relativos, en comparación con el calor de desorción

– adsorción. Que no sufra deterioro con el uso, no ser tóxico, corrosivo, de bajo

costo y gran disponibilidad.

Ahora se citarán las partes más importantes de la máquina para especificar su función

dentro de los sistemas.

1. Generador: conocido también como colector o captador. Funciona como la parte

que alberga al lecho adsorbente, además de ser el que reciba el calor para iniciar

la fase de desorción. Hay muchos diseños, desde los de placa plana, a los que

41

utilizan coberturas o planchas para concentrar el calor recibido, o el aplicado en

este proyecto el de tuberías alineadas, con un tubo concéntrico que es el que

permite el flujo del adsorbato.

Figura No. 14

Colector – generador de cobre y acero inoxidable utilizados

Fuente: Modelo por computadora de los generadores construidos, Proyecto FODECYT 020-2010

Los intercambios térmicos que estas partes del sistema sufren son distintos en la

fase de calentamiento y en la fase de enfriamiento, pero se pueden calcular con las

mismas fórmulas con las debidas temperaturas. Para el calor sensible del carbón

activado

Q(g)ca = mcacca (dT

(g)/dt) (Ecuación 9)

Para el calor sensible de las partes metálicas, cobre y acero inoxidable

Q(g)cu = m

(g)cuccu (dT

(g)/dt) (Ecuación 10)

Por aportes del refrigerante que en cada momento contiene el lecho adsorbente.

Como el calor sensible y el calor de desorción.

Q(g)me = xmcacme (dT

(g)/dt) – Hmemca(dx/dt) (Ecuación 11)

Donde DH es:

H = L + RTln(/P) + (RTd/dT)/(nD)[Tln(/P)]1-n (Ecuación 12)

Para la fase de enfriamiento se utilizan estos resultados para dar el coeficiente de

conductancia térmica del generador:

K(g)

= Q(g)

, (Ecuación 13)

T(g)

– T(a)

.

.

.

.

42

2. Condensador: esta parte puede ser enfriada de dos formas, por el aire del

ambiente circundante o por agua, por lo menos estas son las dos modalidades que

se han encontrado en varios autores. Las configuraciones varían, y no hay un

modelo que se haya presentado como el más conveniente.

Figura No. 15

Condensadores de cobre y acero inoxidable utilizados

Fuente: Modelo por computadora de los condensadores construidos, Proyecto FODECYT 020-2010

Para el intercambio del condensador se puede evaluar con:

Q(c)me = -Lmemca (dx/dt) (Ecuación 14)

Y a partir de esta se puede definir la conductancia global de nuestro condensador, con

la siguiente expresión:

K(c) = Q(c)

me , (Ecuación 15)

-Tamb

3. Evaporador: este es uno de los más variados en cuanto a forma y tamaño, no hay

en la literatura un estudio de la forma y como esta afecta a la evaporación. Lo que

si es conocimiento común entre los autores es, que este debe estar rodeado de

paredes aislantes gruesas, para poder conservar la mayor cantidad de frío y evitar

el aumento de temperatura por la ganancia de calor del ambiente. Sabemos que la

un área grande favorece la transferencia de calor del recinto refrigerado al

refrigerante evaporado. En este proyecto por tener la configuración de dos

evaporadores el contacto con el líquido a enfriar no era directo, por lo que parte

.

.

43

de la carga de calor extraída también era la del aire circundante a los depósitos de

agua a refrigerar. Se utilizó una configuración de tubos verticales, para poder

medir la columna de evaporación.

Figura No. 16

Evaporadores de cobre y acero inoxidable utilizados

Fuente: Modelo por computadora de los evaporadores construidos, Proyecto FODECYT 020-2010

El balance térmico de los evaporadores y el recinto frío se puede determinar con:

Q(r)

= Q(r)

ag + Q(r)

cu + Q(r)

me + Q(r)

per ,

(Ecuación 16)

Donde Q(r)

es el calor global extraído del recinto frío y los términos contribuyentes

son los siguientes:

Q(r)

= Lmemca (dx/dt) (Ecuación 17)

Q(r)

ag = - m(r)

ag cag (dT(r)

/dt), (Ecuación 18)

Q(r)

cu = -m(r)

cuccu(dT(r)

/dt), (Ecuación 19)

Q(r)

me = -m(r)

me cme(d/dt), (Ecuación 20)

El COP –coeficiente de rendimiento- es el parámetro con el cual se mide el

rendimiento de los sistemas de adsorción para refrigeración, y este viene definido por el

cociente del calor extraído del foco frío por la energía aportada al sistema, ya sea en

forma de trabajo o calor. Este factor en el caso de esta investigación viene dado para dos

formas de energía que son aportadas al sistema para ulteriormente conseguir el efecto de

. . . . .

.

.

.

.

.

Fórmulas del generador, condensador y evaporador extraídas de González, M. I 2006

44

refrigeración, ya que uno es por radiación solar y el otro es en forma de calentamiento

por gases de combustión de la leña. Es por esto que el total de la energía que entra en el

sistema, se tomarán estas dos fuentes. Se tomarán para calcular el factor las siguientes

ecuaciones:

Para la incidencia solar:

Qsol = GAcol , (Ecuación 21)

Donde G es la incidencia solar por el día –en kWh/día- y A es el área del colector –

generador. Para obtener la energía -en kJ- multiplicaremos la incidencia por el

equivalente de la hora:

Q = Gx3600 , (Ecuación 22)

Para el enfriamiento producido útil se tomará el calor extraído del agua para enfriar

en el recinto frío:

Qc = mag cag Tag, (Ecuación 23)

Al final el coeficiente de rendimiento COP será:

COP = Qc/Qsol,

(Ecuación 24)

.

.

. .

Fórmulas de COP extraídas de Said, W. K., 2008

45

II.2 RESULTADOS

II.2.1 MEDIDAS DE RADIACIÓN

Usando la ecuación 5 obtenemos el ángulo que forman los rayos del sol con la

vertical del lugar

cos z = 0.785

Donde z es:

z = 38º16’6.43”

Para el anterior primero se obtiene la latitud geográfica del lugar y la declinación del

sol en la fecha de cálculo, estos utilizando es el ángulo horario en el momento de

cálculo. Para la declinación con la ecuación 6 para el día del ciclo de a utilizar referencia

del 13 de enero se tiene:

= -23º25’25.43”,

La declinación negativa indica que el sol sale por debajo de la línea del ecuador. El

ángulo horario se tomará como el medio día es por esto que por la ecuación 7:

= 0

Por su parte el acimut solar s la ecuación 8 se tiene:

Tan s = 0

Y s es:

s = 0

Figura No. 17

Cambio de la declinación solar al año

Fuente: Radiación solar en la superficie terrestre, Diez, P. F.

46

De aquí que se le diera un pequeño ángulo de 20º a el colector – generador solar

para poder tener la mayor incidencia directa de los rayos sobre el plano que forma con la

horizontal del lugar. Se colocó viendo al sur pues la salida del sol es en el oeste y la

entrada en el este, sin sombras en el lugar es la mejor ubicación para que reciba la mayor

cantidad de radiación al día.

38º16’6.43” – 20º = 18º16’6.43”

Del mapa de radiación se ve que en el área de Quetzaltenango la radiación incidente

diaria es de 5.5 a 6 kWh/m2 día. Por lo que se utilizará el promedio de 5.75 kWh/m

2 día.

De donde

5.75 kWh/m2 día* 3600s/1h = 20.7 MJ/m

2

II.2.2 ENERGÍA UTILIZADA DE LA LEÑA

La madera o leña es como biocombustible como se vio en la tabla 7 desarrolla su mayor

potencial energético cuando más seca esta, y se cálculo que la leña que se obtuvo tiene un

contenido de humedad cerca del 15% por lo que se utilizará para los cálculos que la

energía de la leña es de:

16 MJ/kg

Y dado que para el ciclo de referencia se utilizaron 3.5 kg por 3 horas de leña para

calentar el colector – generador de acero inoxidable tenemos una energía total de

16MJ/kg * 3.5 kg/3h = 18.67 MJ

II.2.3 DISEÑO FINAL POR COMPUTADORA

El diseño final de los sistemas de refrigeración por adsorción se mostrará a

continuación. Se realizó cada uno con sus especificaciones y se le agregaron los

instrumentos de medida y las válvulas. En la construcción se variaron un poco las

dimensiones, sobre todo de las tuberías que conectan las diferentes partes de los sistemas

como las del evaporador a condensador y condensador a generador, esto para poder

adaptarlas de mejor forma al momento de juntar los sistemas para las pruebas. Se

ilustraran los dos sistemas el de cobre y acero inoxidable en ese orden:

47

Figura No. 18

Sistemas de refrigeración por adsorción, solar y biomasa respectivamente

Fuente: Modelo por computadora de los sistemas construidos, Proyecto FODECYT 020-2010

La configuración final quedó como se muestra:

Figura No. 19

Sistemas de refrigeración por adsorción, conjunto

Fuente: Modelo por computadora de los sistemas construidos, Proyecto FODECYT 020-2010

Al final la construcción de los sistemas se llevo a cabo como se había modelado

quedando de la siguiente manera:

48

Figura No. 20

Sistemas de refrigeración por adsorción en el lugar de aplicación de las pruebas

Fuente: Sistemas construidos de refrigeración en funcionamiento, Proyecto FODECYT 020-2010

II.2.4 CICLO DE REFERENCIA

A continuación se darán los datos para el ciclo de referencia el cual se va a estudiar. La

temperatura ambiente solo esta apuntada en los datos del sistema de cobre, pero esta es la

misma para los dos sistemas, al igual que la temperatura del agua a refrigerar. Primero se

el del sistema de refrigeración de cobre:

Tabla No. 8

Datos medidos para el sistema de refrigeración solar –cobre-

Sistema cobre

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Tamb Pgen Pev Tag Col

13 d

e e

nero

de 2

012

6 13 6 8,33 7 7 -60 -60 9 11

7 13 7 8,33 6 7 -60 -60 8 11

8 14 6 7,78 7 8 -60 -60 8 11

9 19 8 8,33 8 11 -59 -60 9 11

10 36 11 8,89 13 15 -58 -60 12 11

11 53 16 11,67 15 20 -55 -55 15 10

12 69 22 11,67 18 25 -50 -49 16 10

13 84 22 11,67 20 26 -48 -42 19 9

49

14 100 21 11,67 22 23 -43 -38 20 9

15 102 19 11,67 21 22 -40 -38 22 8

16 83 19 11,67 20 18 -45 -40 20 9

17 70 18 11,67 19 15 -48 -40 20 9

18 50 18 16,67 17 13 -50 -45 19 10

19 24 18 16,11 14 13 -50 -45 17 10

20 21 18 15,56 16 12 -50 -45 16 10

21 19 13 14,44 15 12 -55 -45 16 10

22 17 12 13,89 15 12 -60 -45 15 10

23 16 11 13,33 12 10 -60 -50 15 10

14 d

e e

nero

de 2

012

0 15 10 13,33 11 8 -60 -60 15 10

1 15 10 12,78 11 8 -65 -60 14 11

2 15 10 11,67 11 8 -60 -60 13 11

3 15 12 10,00 10 9 -60 -60 12 11

4 15 10 8,89 9 9 -60 -60 11 11

5 15 10 7,78 8 9 -60 -60 9 11

6 15 11 6,67 7 9 -60 -60 8 11

7 15 11 5,56 5 10 -60 -60 6 11

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

Ahora el ciclo de referencia para el sistema de refrigeración por biomasa, construido de

acero inoxidable:

Tabla No. 9

Datos medidos para el sistema de refrigeración de biomasa (leña) –acero inoxidable-

Sistema inox

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Pgen Pev Col

13 d

e e

nero

de 2

012

6 8 9 5 6 7 7 -60 -55 4

7 8 8 6 7 8 7 -60 -55 4

8 8 8 6 6 6 6 -60 -55 5

9 10 10 8 8 7 7 -60 -54 5

10 11 13 9 10 8 9 -60 -53 5

11 16 15 13 13 11 12 -60 -53 4

12 22 20 18 19 13 13 -60 -51 4

13 28 24 20 20 16 17 -58 -50 3

14 26 26 22 21 19 19 -58 -50 3

15 26 26 22 21 21 21 -55 -48 3

16 24 26 17 17 23 23 -50 -45 3

17 18 19 15 15 19 18 -50 -45 2

18 15 15 13 14 17 17 -50 -45 2

19 26 23 12 12 16 14 -50 -45 2

20 42 160 12 14 15 16 -40 -30 3

21 58 89 11 13 14 15 -36 -20 3

22 37 48 10 13 13 15 -32 -25 3

23 24 28 10 10 12 12 -40 -30 3

50

14 d

e e

nero

de 2

012

0 54 52 10 10 12 11 -50 -40 3

1 40 40 10 10 10 11 -50 -45 3

2 30 38 10 12 9 9 -50 -45 3

3 16 20 10 11 8 8 -60 -50 3

4 15 18 10 11 7 7 -60 -50 3

5 14 16 11 11 6 6 -60 -50 4

6 14 13 11 11 5 5 -60 -50 5

7 14 13 12 12 4 4 -60 -50 5

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

II.2.5 ÁREAS Y VOLUMENES DE LOS SISTEMAS

Se han calculado las áreas y volúmenes de los elementos constitutivos de los

sistemas, como lo son colector – generador, condensador y evaporador, de ambos

cobre y acero inoxidable. Al comprarse las tuberías de cobre y acero inoxidable,

estas no tienen las mismas dimensiones, ya que las dimensiones de las tuberías de

cobre como lo son 3”, 1.5”, 1” y ½”, son los diámetros inferiores, mientras que en las

de acero inoxidable, estas dimensiones son los diámetros exteriores. A continuación

se dan los diferentes datos obtenidos.

4. Colector – generador de cobre: Se tiene un área de captación solar de:

800 mm*952.5 mm = 762000 mm2 = 0.762 m

2 .

Una masa total de cobre utilizando su densidad como 8960 kg/m3 de:

49.8152 kg de cobre.

5. Colector – generador de acero inoxidable: Se tiene un área de captación de:

725 mm*914.4 mm = 662940 mm2 = 0.663 m

2 .

Una masa total utilizando su densidad como 8000 kg/m3 de:

25.2795 kg de acero inoxidable.

6. Condensador de cobre: Se tiene un área de condensación de:

0.98718 m2 = 987181 mm

2 .

7. Condensador de acero inoxidable: Se tiene un área de condensación de:

0.877760 m2 = 877760 mm

2 .

8. Evaporador de cobre: Se tiene un área de evaporación de:

642361 mm2 = 0.64236 m

2 .

Una masa total de cobre utilizando su densidad como 8960 kg/m3 de:

9.1369 kg de cobre.

51

Un volumen de metanol introducido al sistema de:

0.00369 m3 = 3.698 litros

9. Evaporador de acero inoxidable: Se tiene un área de evaporación de:

574534 mm2 = 0.574534 m

2 .

Una masa total de acero inoxidable utilizando su densidad como 8000 kg/m3 de:

7.2966 kg de acero inoxidable.

Un volumen de metanol introducido al sistema de:

0.003186 m3 = 3.186 litros

II.2.6 TEMPERATURA EQUIVALENTE DEL LECHO DEL SISTEMA DE

COBRE

La temperatura dentro del lecho de carbón activado en el colector – generador de

cobre para el sistema solar no se pudo encontrar un termómetro que se acoplara a este.

Es muy necesaria la temperatura de este lecho, pues con esta se puede llevar a cabo un

análisis del comportamiento de las etapas de adsorción y desorción del sistema. Para

poder estimar la temperatura del lecho se utilizará la ecuación de estado para isotermas de

adsorción de Dubinin – Astakhov, -ecuación D – A- con los datos del carbón activado

AC35, que es un carbón activado granular muy similar al que se uso en este proyecto –

cabón activado Carbo Activ de Clarimex-. Se darán a continuación sus datos:

n = 2.15

D = 5.0x10-7

Wo = 0.43 (L/kg)

Con la ecuación 3 se calculará la temperatura equivalente:

0 = x - Wo·(T)·exp[-D(T·ln(/P)n],

Con (T) siendo:

(T) = 1/(1.22592x10-3

+1.88273x10-6

T), (Ecuación 25)

Y con siendo:

exp(18.67-3473T-167800T2), (Presión de vapor saturante tabla 2)

Se despeja para T y obtenemos según la siguiente gráfica las temperaturas:

Constantes de la ecuación D – A extraídas de González, M. I., 2006

52

Gráfico No. 1

Comparación entre temperaturas, equivalente del lecho, del generador y ambiente

0

20

40

60

80

100

120

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7

Hora

Tem

pera

tura

Tegen

Tfgen

Tamb

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

II.2.7 COMPORTAMIENTO DEL CICLO DE REFERENCIA

Ahora se mostrará el comportamiento de las concentraciones de metanol como

refrigerante en los sistemas. Se dará el gráfico de los dos sistemas individual. La forma

de los gráficos se debe a la discretización de los datos los cuales fueron tomados de

instrumentos de medida con muy poca sensibilidad a los cambios tan finos de los estados

de los sistemas.

Gráfico No. 2

Comportamiento de la concentración en el lecho adsorbente del generador de cobre

5,8

5,9

6

6,1

6,2

6,3

6,4

6,5

80 82 84 86 88 90 92 94 96

Temperatura

lnP

(m

bar

)

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

53

Como se ve la gráfica tiende a seguir el camino esperado, pero debido a que las

medidas no son continúas no se puede ver el desarrollo real, además de que estamos

utilizando la temperatura equivalente del lecho adsorbente.

La siguiente es del comportamiento de las concentraciones en el lecho adsorbente

del sistema de acero inoxidable.

Gráfico No. 3

Comportamiento de la concentración en el lecho adsorbente del generador de acero

inoxidable

5,9

6

6,1

6,2

6,3

6,4

6,5

6,6

0 10 20 30 40 50 60 70

Temperatura

ln P

(m

bar

)

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

Al igual que la anterior se nota la tendencia a seguir el ciclo, pero también como los

datos no son continuos no podemos ver la forma correcta de la gráfica.

II.2.8 COMPORTAMIENTO DE LOS COLECTORES - GENERADORES

Para analizar los intercambios de calor en los colectores – generadores se tiene

que entender que hay dos fases para analizarlos, la primera es cuando el equipo solo

recibe el calor para llevar a cabo el calentamiento en la estructura, lecho y metanol, en

este último el calor para calentar el fluido y el calor de desorción. Esta fase se lleva

desde el momento en que se calienta por la radiación solar –sistema de cobre- hasta que

se quita la cobertura inferior para enfriar el generador lo cual va desde las 7 horas en la

mañana hasta las 17 horas por la tarde. Para el sistema de acero inoxidable esta se da en

las tres horas de calentamiento que son desde las 19 horas a las 22 horas.

54

La segunda fase es la del enfriamiento, en la cual los colectores – generadores se

deshacen del calor para permitir la reducción en la temperatura y la presión para la etapa

de adsorción. Para el sistema de cobre esta se da desde las 18 horas hasta las 6 horas en

la mañana del siguiente día. Par el sistema de acero inoxidable esta se da el resto del día

aparte de las tres horas de calentamiento.

Para esto utilizaremos la temperatura equivalente del lecho adsorbente encontrada

en el lecho de carbón activado en el sistema de cobre. Se darán los siguientes gráficos

calculados con las ecuaciones 9 a 12 para la primera fase y la 13 para la segunda para el

sistema de cobre:

Gráfico No. 4

Evolución de los intercambios térmicos en el generador de cobre fase diurna

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

Para el gráfico 5 que es la evolución de los intercambios térmicos en el colector –

generador de cobre en la fase nocturna del ciclo de referencia, las potencias son

negativas ya que es el generador el que entrega calor al ambiente, sin embargo

para efectos de la gráfica y facilitar la observación se han puesto como positivas,

excepto aquellas en las que se nota el cambio de la fase nocturna a la diurna. Para

obtener el resultado del coeficiente de conductancia térmica del generador en la

fase nocturna se han utilizado los promedios de los intercambios térmicos,

temperatura del lecho adsorbente y temperatura ambiente.

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Hora

Po

ten

cia

Tér

mic

a (W

/m2)

Calor de desorción Calor Sensible Metanol

Calor Sensible Carbón Activado Calor Sensible Cobre

55

Gráfico No. 5

Evolución de los intercambios térmicos en el generador de acero inox fase nocturna

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

La conductancia térmica del generador es:

K(g)

= Q(g)

= 40.1/(84 – 10 ) = 0,5466 W/º C

T(g)

– T(a)

Ahora se darán las gráficas del comportamiento del colector – generador de acero

inoxidable:

Gráfico No. 6

Evolución de intercambios térmicos en el generador de acero inoxidable fase calentamiento

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

.

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7

Hora

Pote

ncia

s Té

rmic

as (W

/m2)

Calor de desorción Calor Sensible Metanol

Calor Sensible Carbón Activado Calor Sensible A. I.

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7

Hora

Pot

enci

as T

érm

icas

(W/m

2)

Adsorción Calor Sensible Metanol

Calor Sensible Carbón Activado Calor Sensible Cobre

56

Gráfico No. 7

Evolución de intercambios térmicos en el generador de acero inoxidable fase enfriamiento

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

La conductancia térmica del generador es:

K(g)

= Q(g)

= 10.84/(17.28 – 14.6 ) = 3.9822 W/º C

T(g)

– T(a)

II.2.9 COMPORTAMIENTO DE LOS CONDENSADORES

Para los condensadores se dará la información de los intercambios de calor para la

etapa de condensación. Esta etapa para el sistema de refrigeración solar es cerca de las 9

horas a las 15 horas. Además de los intercambios se dará también la conductancia para

cada uno de los sistemas.

Gráfico No. 8

Evolución de intercambios térmicos en el condensador de cobre

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

8 9 10 11 12 13 14 15 16Hora

Pote

ncia

Tér

mic

a (W

)

Calor de condensación

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

.

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Hora

Pote

ncia

s Té

rmic

as (W

/m2)

Adsorción Calor Sensible Metanol

Calor Sensible Carbón Activado Calor Sensible A. I.

57

Las potencias térmicas son negativas pero para la lectura de la gráfica se

presentan como positivas. Ahora la conductancia en el condensador es de:

K(c) = Q(c)

me = (-0.43)/(16-18.67) = 0.016 W/º C

-T(d)amb

Para el sistema de acero inoxidable se tiene:

Gráfico No. 9

Evolución de intercambios térmicos en el condensador de acero inoxidable

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19Hora

Pote

ncia

Tér

mic

a (W

)

Calor de condensación

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

Las potencias térmicas son negativas pero para la lectura de la gráfica se presentan

como positivas. Ahora la conductancia en el condensador es de:

K(c) = Q(c)

me = (-0.4831)/(14.7-17.42) = 0.176 W/º C

-T(d)amb

II.2.10 COMPORTAMIENTO DE LOS EVAPORADORES

El balance térmico de los evaporadores también se mostrará en gráficas, dándose

todas sus potencias para comparación. En el recinto frío se colocaron dos litros de agua

para refrigerar, esta será la masa del agua para cuestiones de cálculos. Se darán en una

58

sola gráfica todas las potencias las de cobre y de acero inoxidable ya que la refrigeración

se realiza sobre la misma masa de agua para los dos.

Gráfico No. 10

Evolución de intercambios térmicos en el recinto frío

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7

Hora

Pot

enci

as T

érm

icas

Qrtot Qper Qmeco Qmeai

Qai Qcu Qag

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

II.2.11 COP DEL CICLO

El COP que obtuvo el equipo en su conjunto es de:

Qc = mag cag Tag = 2(kg)* 4.1813(kJ/kg·K)*16(K) = 133.80 kJ

Al final el coeficiente de rendimiento COP será:

COP = Qc/(Qsol+ Qleña) = 133.80/(16394 + 18667) = 0.003816

. .

59

II.3 DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Se argumentaran los resultados en el orden en que se presentaron, esto es para dar

los puntos de vista del comportamiento del equipo y las observaciones que se llegaron a

hacer al realizar las pruebas.

La radiación que recibe Quetzaltenango es de forma que su ángulo es muy

conveniente para colocar un plano con poca inclinación y recibir la mayor cantidad de luz

solar durante el tiempo que esta dure en el día. La colocación del equipo se ajusto al

espacio en donde se realizaron las pruebas, lo que es la necesidad de evitar las sombras

de construcciones aledañas, además del ángulo que se le dio al colector – generador solar

para acomodarse al ángulo de incidencia del sol.

La cantidad de radiación es suficiente para llevar a cabo procesos en donde se

pueda utilizar la energía del sol, solamente ligeramente atrás de los promedios más altos a

nivel mundial –de 7.0 a 7.5 kWh/m2 día- por lo que es un recurso explotable en el país.

En cuanto a la energía de la biomasa en forma de leña, se ve que en el país esta

forma de energía es muy utilizada. La mayoría de las viviendas utiliza las estufas de leña

para sus alimentos, lo cual genera un gran potencial de energía no utilizada en forma de

calor de desecho.

Se observa que para poco tiempo de utilización de la leña, esta tiene una energía

total comparable a la que se obtiene por el sol en todo el día. Esto quiere decir que con

un control y ayuda para el desarrollo de esta tecnología se podría crear sistemas de

refrigeración de más de un ciclo de enfriamiento al día, al utilizar más de una cocina para

llevar a cabo los procesos de calentamiento.

Los diseños que se lograron obtener para realizar este proyecto fueron realizados

por computadora, y esto nos dio la idea de la capacidad de los sistemas. Esto se refiere a

que siguiendo los esquemas modelados se considero la cantidad de carbón activado y

metanol que el sistema podría llevar. Se pudo ver previo a la construcción en dónde los

diferentes sistemas de medición y válvulas irían colocados. Esto nos ayudo a prevenir un

cambio físico cuando cualquiera de los sistemas estuviera siendo construido al no

acoplarse cierta parte con el resto de la estructura. Además también ha servido para el

cálculo de las áreas de captación –solar y de biomasa-, de condensadores y evaporadores.

60

El tamaño de los sistemas es de cerca de un metro cuadrado de superficie, por lo cual

también sirvió para buscar el área que mejor se acomodara para poder colocar el equipo

para realizar las pruebas. Lo más importante fue jugar con las diferentes configuraciones

de los sistemas para encontrar la manera más apropiada para colocar los evaporadores,

esto es porque esta es la parte en la que la refrigeración se llevará a cabo, por lo que una

mala configuración puede dar lugar a pérdidas innecesarias y reducir el rendimiento del

equipo. Por esto último se llego a la conclusión de que la configuración ideal era la de

colocar los dos evaporadores paralelamente, entonces se eligió realizar el equipo con los

generadores viendo a lados opuestos para ayudar a que los condensadores quedaran

cercanos para aprovechar la sombra creada por el generador solar de cobre. Al terminar

el modelamiento por computadora la construcción se llevo a cabo, y siguiendo casi por

completo la configuración exceptuando algunas modificaciones en las tuberías de

conexión de elemento a elemento para acomodarlo para las pruebas.

El ciclo de referencia fue seleccionado como el ciclo con el mejor

comportamiento del sistema, ya que este demuestra la posible capacidad del equipo para

utilizar los recursos energéticos propuestos para la refrigeración. Se observa que en el

equipo de refrigeración solar no se pudo contar con lecturas directas de las temperaturas

del generador y el condensador, esto fue debido a que no se pudo conseguir los

termómetros que se acoplaran a este sistema. El sistema se comportó de buena manera

una vez se completarán ciertos ciclos, ya que los anteriores provocaron que las

condiciones en que funcionaría el equipo se acoplaran para y se llegará a las

concentraciones iniciales. También se eligió este ciclo ya que las temperaturas ambiente

registradas son las más altas, lo cual demuestra la capacidad de este tipo de sistemas de

refrigeración es un potencial que realmente puede explorarse y mejorarse con la debida

investigación. Al se las temperaturas ambiente las más altas registradas se vio la

diferencia entre esta y el frío producido por el equipo. Se anotará que las fechas en que

se realizaron las pruebas -9 al 14 de enero-, son las fechas en las que la tierra esta más

cercanas al sol, pero también es la época de temperaturas más baja en Quetzaltenango, es

decir enero es el mes en que la temperatura ambiente tiende a bajar más llegando hasta el

mínimo registrado por el INSIVUMEH de 10 grados bajo cero.

61

Se presentaron los dos ciclos de referencia por separado, esto es para que se

observe de mejor manera el como los dos tipos de calentamiento afectan a sus respectivos

equipos, y para que se note mejor las variaciones en las etapas de la refrigeración.

Las áreas y volúmenes de los elementos de los sistemas, son necesarias en el

cálculo de los intercambios de energía térmica, además de ser un gran indicador de las

dimensiones del equipo, lo cual deja ver que estos todavía no son viables para

considerarse comercialmente, además se deja ver la masa de los generadores, la cual es

muy alta –la de cobre cerca de 50 kg o 110 libras solo el generador- esto hace que el peso

del sistema sea otra consideración a tomar en cuenta, esta se debe reducir para poder

además de ser más adecuada para su traslado, también para reducir las pérdidas de

energía útil para calentamiento en el momento de la desorción, reduciendo la inercia

térmica de la estructura total del sistema.

Debido a lo mencionado anteriormente de los sistemas de medida sobre todo en el

lecho adsorbente del sistema de refrigeración solar de cobre, se tuvo que llevar a cabo un

cálculo de la temperatura equivalente del lecho. Este es importante debido a que sin este

el comportamiento de las etapas de adsorción y desorción no se vería muy claro. Para

esto se utilizaron los datos de las constantes del carbón activado AC35, un carbón

granulado muy similar al utilizado. Esto nos genera un inconveniente ya que a menos

que se lleve un estudio cuidadoso para saber la interacción del par de trabajo utilizado en

este proyecto no se podrá saber la dispersión que esta tiene de los valores reales.

Como se muestra en el gráfico las temperaturas equivalentes del lecho adsorbente

se mantienen muy constantes durante todo el ciclo de referencia. Hay muchas razones

para este comportamiento. Primero físicamente el carbón activado utilizado es granular

sin aglutinante entre sus partículas, esto es un problema en cuanto a la transmisión de

calor –ya sea recibiendo o emitiendo calor del lecho-, debido a que la porosidad no solo

de los gránulos sino también de los espacios que dejan entre uno y otro crea un ambiente

de muy poca conductividad térmica. Aumentando la dificultad térmica está que al

funcionar en vacío el sistema, no hay aire que pueda conducir calor a las partículas de

carbón, el único fluido que puede conducir calor es el metanol, pero sin la desorción –

adsorción adecuadas las concentraciones de este en el lecho son muy pequeñas como para

influenciar esta misma. Esto fue notorio, ya que en las pruebas en la realización de vacío

62

para el equipo de acero inoxidable, se estaba calentando el lecho adsorbente, este había

llegado a una temperatura de cerca de los 78º C, pero al hacer el vacío, sin dejar de

calentarlo, la temperatura tuvo un descenso abrupto que llegó a los 50º C, lo que quiere

decir que el aire dentro del sistema se calentó, calentando el lecho pero al extraerlo el

lecho perdió el calor acumulado en el aire.

También se debe considerar que la consistencia en la temperatura equivalente se

debe a que debido a la falta de eficiencia en la transmisión de calor, una ves el lecho llegó

a la temperatura promedio, ni el calentamiento ni el enfriamiento pudieron modificarla de

manera sustancia, lo cual hace imperante investigar las formas de mejorar la transmisión

de calor dentro de los lechos adsorbentes.

Segundo al no utilizar los datos específicos para nuestro par de trabajo, estos pudo

afectar la distribución de los datos haciendo estos más insensibles a los cambios en las

propiedades del sistema.

Tercero la falta de datos continuos para revisar los cambios en las condiciones del

sistema pudieron hacer que los cambios no fueran notorios al ingresarlos a la fórmula, ya

que se utilizó la lectura de datos a cada hora, un tiempo en el cual las variaciones pueden

llegar a ser considerables.

Teniendo en cuenta los resultados de las temperaturas en los lechos, se llevo a

cabo el verificar como se comporta el metanol en su ciclo en el lecho adsorbente.

Primero se observa que el comportamiento del sistema de refrigeración solar,

sigue una ruta, el ciclo ideal es un romboide, y es posible que esa sea la forma del ciclo

estudiado, pero la falta de continuidad en la toma de los datos provocan unos vértices y

cambios bruscos en la gráfica, es por esto que no se puede verificar la forma exacta del

ciclo del metanol en el lecho adsorbente. Otro dato importante que se puede observar en

este punto es la de las altas presiones a las cuales se lleva a cabo todo el proceso en el

sistema. Las presiones consideradas como promedio para este tipo de sistemas es de los

50 a los 400 milibares de fondo de escala –quiere decir desde el vacío absoluto-, y las

presiones en las que funcionaba el sistema van desde los 400 a los 750 milibares,

presiones que se acercan a la presión atmosférica cuando se lleva a cabo el calentamiento.

Para el comportamiento del metanol en lecho adsorbente de acero inoxidable se nota

una doble distribución de concentraciones. La superior se muestra como un ciclo

63

esperado del comportamiento del metanol, mientras la inferior también llega a tener

cierta forma de este comportamiento. Las razones de esto es que primero la continuidad

de los datos no nos permite ver bien el como se lleva a cabo el ciclo sin tener

discontinuidades bruscas, segundo, este equipo además del calentamiento por la biomasa

en la estufa, no cuenta con el aislamiento al ambiente, esto es importante ya que aunque

se colocó debajo de la pestaña del módulo no terminado, aún estaba sujeto en el tiempo

de radiación solar al calentamiento por esta, lo cual explica la forma inferior de la gráfica,

pues también se llevaba un calentamiento –de menor energía- en las mañanas. También

se tiene que notar que como en el sistema de refrigeración solar, las presiones no son las

más adecuadas, esto es debido a que la bomba de vacío que se utilizó no podía llegar a las

presiones adecuadas debido a su tamaño y volumen de aire extraído por ciclo.

Siguiendo el comportamiento individual de los elementos constitutivos de los dos

sistemas empezaremos por los colectores – generadores. Iniciando con el

comportamiento de las dos formas de intercambio de calor que existen, que son los de

calentamiento – desorción y enfriamiento – adsorción en el generador de cobre.

Para analizar este generador se utilizó la temperatura equivalente encontrada

anteriormente. Se analizaron los intercambios térmicos dados en potencia –W/m2-. Se

logra ver que la mayor influencia y gasto de calor esta en la utilizada para la desorción,

aunque las potencias utilizadas para los diferentes elementos constitutivos son

considerables, también se observa cuando a potencia cambia de calentamiento a

enfriamiento en la última hora.

En la evolución de los intercambios en la etapa de enfriamiento – adsorción se

observa la constancia de las inercias térmicas de los elementos del generador, la variación

más notable es la del calor de adsorción, donde se llega a notar que el flujo es mayor en

las primeras horas del enfriamiento, esto es debido a que aquí radica el mayor potencial

de adsorción ya que es cuando la concentración en el generador es menor, conforme pasa

el tiempo la concentración aumenta, disminuyendo el potencial de adsorción.

Finalmente la conductancia térmica del generador es relativamente baja, esto se debe

a la alta inercia térmica de los componentes del mismo, además de la baja conductancia

del carbón activado, que impide que se reduzca la temperatura de mejor forma –visto en

el comportamiento de la temperatura equivalente del lecho- y al aislamiento que tiene

64

para poder conservar el calor de la irradiación solar, lo que solo deja al área inferior para

el enfriamiento, mientras que las leyes de la densidad de aire dicen que es el aire caliente

el que sube por lo que le cuesta más al aire frío de la noche enfriar el generador.

Para el comportamiento del intercambio de la etapa de calentamiento del colector –

generador de acero inoxidable se nota que hay un comportamiento muy variado en lo que

es el calor del carbón activado y el calor del acero inoxidable, esto se debe a lo mismo

mencionado anteriormente, este cuerpo se calienta no solo con los gases de combustión

de la leña sino que en las horas de la mañana recibe parte de la irradiación solar. Además

de la falta de sensibilidad del instrumento de medida y la posición de este en el cuerpo

del generador. Esto es que el termómetro instalado en el lecho se encuentra en una

esquina de uno de los tubos del generador, por lo cual esta sujeto a una discrepancia

importante hacia el centro del lecho que es donde se recibe la mayor cantidad de energía

térmica y esta más susceptible a cambios de temperatura por incidencia de la temperatura

ambiente. Aunque se nota que el calor de desorción sigue una línea similar a la del

generador de cobre.

Para la etapa de adsorción se nota como en la de calentamiento el comportamiento

irregular de las inercias del carbón activado y el acero inoxidable, se puede atribuir

además de las consideraciones anteriores a la falta de aislamiento de este generador lo

cual hace que sea muy dependiente de la temperatura ambiente.

La conductancia de este generador en contraposición al del cobre es mayor, esto es

debido a que este se encuentra mucho menor aislado que el de cobre, lo cual aumenta su

potencia disipada al ambiente, y además lo hace con más tiempo de enfriamiento ya que

el calentamiento solo es de unas pocas horas comparado con el calentamiento del lecho

de cobre.

Para los intercambios térmicos de los condensadores se tiene un comportamiento que

se explicará individualmente por cada uno.

El condensador de cobre funciona en el tiempo de calentamiento, por lo que la

temperatura ambiente es la más alta en el día, se ve que conforme pasa el tiempo se crea

mayor disipación de calor, debido a que en los primero instantes de la mañana, no hay

mucho metanol a condensar, mientras pasa el tiempo la temperatura ambiente aumenta y

también el metanol, en las últimas horas de la tarde, la temperatura ambiente baja y el

65

metanol a condensar esta más caliente lo cual proporciona mejores condiciones para

deshacerse de ese calor en el condensador. Su conductancia promedio es baja, debido al

poco calor de condensación que hay en el metanol al llegar a él y a la baja área de

intercambio térmico, en comparación a los generadores.

Para el condensador de acero inoxidable, se nota también la influencia de la falta de

aislamiento en el generador ya que la temperatura ambiente y el mayor tiempo repercuten

en los intercambios de este condensador. Su conductancia térmica es mayor debido a los

intercambios de temperatura por mayor tiempo que el condensador de cobre.

Para los evaporadores el análisis es conjunto, ya que los dos funcionan en un solo

recinto frío. Lo que se observa es que la mayor cantidad de frío generado se pierde en el

ambiente. Esto genera la necesidad de aislar de mejor manera el recinto frío para mejorar

la eficiencia del ciclo y de los sistemas de refrigeración. Se nota que las otras cargas

térmicas tienen una constancia, debido al poco cambio de la masa de metanol líquido en

los evaporadores y la masa constante de los mismos y del agua dentro del recinto frío.

Finalmente se obtuvo el COP del sistema en total. Se cuenta el efecto que los

evaporadores de los dos sistemas tienen en el agua a refrigerar. Se hace notar que la

energía de la leña es mayor que la solar. Esto es porque es de aplicación más directa.

Este COP es mejorable de muchas maneras. Las más importantes son, investigar

carbones activados para mejorar la relación entre el par de trabajo para mejorar las

concentraciones, además de utilizar metanol puro, ya que el utilizado en este proyecto es

de grado industrial lo cual lo hace requerir mayor energía para su evaporación. Mejorar

el vacío del sistema hasta las presiones consideradas como correctas para el correcto

funcionamiento del equipo, esto mejorará la temperatura de saturación del metanol y la

hará más baja, lo cual mejorará la evaporación. Aislar es recinto frío de mejor manera.

Mejorar la conducción de calor del carbón activado. Disminuir las pérdidas de calor en la

chimenea del colector – generador de biomasa, y aislarlo mejor para evitar calentamiento

no deseado por otra fuente de calor. Mejorar el contacto de los evaporadores con el

fluido a enfriar, y aumentar las áreas de intercambio de calor en evaporadores y

condensadores.

66

PARTE III

III.1 CONCLUSIONES

1. Se diseñó, construyó y evalúo un sistema de refrigeración por adsorción,

haciéndolo trabajar con un par de trabajo de adsorbente como lo es el carbón

activado y de adsorbato el metanol. Se hizo y se probó este mismo con dos tipos

de energía. Para esto se construyeron dos sistemas, uno con captación de

radiación solar fabricado de cobre y otro fabricado de acero inoxidable para la

utilización de energía de calor residual de un tipo de biomasa como lo es la leña.

2. Se establecieron las ecuaciones de transferencia de calor para cada uno de los

componentes de los dos sistemas de refrigeración, para observar como se

comportaba cada uno y analizarlos. Además se utilizó la ecuación de estado de

Dubinin – Astakhov para modelar la temperatura equivalente del lecho adsorbente

en el colector – generador de cobre para captación solar, ya que no se pudo contar

con un instrumento que registrara esta temperatura directamente. Finalmente se

utilizó un modelo de cálculo del coeficiente de rendimiento del sistema –COP-.

3. Se realizó el modelo del sistema de refrigeración en base a modelos por

computadora, estos se llevaron a cabo recabando la información de sistemas

encontrados en la bibliografía, ya fueran con modelos matemáticos o modelos

experimentales para encontrar una configuración adecuada para probar este tipo

de sistemas. El diseño final fue resultado de la modificación de varios de los

elementos de los sistemas, esto se realizó para poder acoplarlos en la forma final

para la mejor distribución en el recinto frío. Se presentan los dos sistemas por

separado, el de colección de radiación solar de cobre y el de energía de los gases

residuales de combustión de acero inoxidable.

4. Se adquirieron los equipos, instrumentos y materiales necesarios al contar con los

diseños de cada una de las partes de los dos sistemas y la forma final de ellos, se

realizaron las compras de los materiales, equipos e insumos para llevar a cabo la

construcción física de este tipo de refrigeración. La mayoría de las compras

fueron las tuberías que son la base para la formación de cada uno de los elementos

del sistema. Se adquirieron los sistemas de medición colocados en los dos

67

sistemas, se compró parte del equipo que nos ayudo a realizar la estructura y los

equipos de seguridad necesarios para hacerlo. Por último se menciona que

también se consiguieron los insumos para poder armar toda la estructura como lo

son tornillos, soldadura, remaches, etc.

5. Se evaluó el sistema de refrigeración al haber construido los dos sistemas. El

equipo de refrigeración por adsorción se llevo a un espacio adecuado para realizar

las pruebas, en este se pudo llevar las mediciones y observaciones que sirven

como base para realizar los cálculos del funcionamiento de este sistema híbrido.

Obteniendo los datos necesarios se realizaron los cálculos del desempeño

individual de cada una de las partes de los sistemas y global del equipo dándonos

resultados satisfactorios.

6. Para el caso de la comprobación de la hipótesis, se puede afirmar de manera

contundente que es muy posible construir un sistema de refrigeración híbrido por

adsorción con par adsorbente – adsorbato de carbón activado – metanol que

trabaje con energía solar y energía de biomasa (leña), este fue totalmente

funcional con posibilidades de mejoras y que cuando trabajo, este fue

independiente del recurso de la red de energía eléctrica.

68

III.2 RECOMENDACIONES

Es importante llevar a cabo más estudios sobre medios porosos para adsorción, ya

que estos no solo se ha visto que pueden ser una alternativa de refrigeración, sino

que son importantes en muchas de las actividades de descontaminación del medio

ambiente. Además en el caso de la refrigeración, es muy importante realizar estos

estudios para buscar pares de trabajo con mejores características para la adsorción

de metanol, u otro fluido que se utilice, que pueda generar más concentración de

adsorbato, y tener un muy necesario mejor coeficiente de transmisión de calor

para poder calentar o disipar cuando sea el caso la energía para poder realizar

mejor las etapas de adsorción – desorción.

Ver en el potencial energético no utilizado de la energía solar y la biomasa una

forma de energía que puede disminuir la dependencia de la red de energía

eléctrica sobre todo en comunidades del país las cuales no tienen acceso o es muy

cara a comparación de los ingresos de las familias que las habitan.

La utilización de metanol puro grado reactivo (99.9%) para poder evitar cualquier

disolución, ya que estas afectan el rendimiento de los sistemas de refrigeración

aumentando la temperatura de saturación del metanol, utilizando más energía para

evaporarlo y perdiendo frío útil.

Mejorar el aislamiento del colector – generador de acero inoxidable, para aislar la

incidencia de una energía que modifique el comportamiento de las etapas de

adsorción – desorción, y comprobar la forma de utilizar este tipo de sistema de

captación para realizar ciclos más continuos de refrigeración.

Para evitar mayor cantidad de pérdidas de frío útil, se advierte una mejor forma de

aislamiento del recinto frío, además de una mejor forma de contacto al fluido a

refrigerar en los evaporadores, disminuyendo la inercia térmica de objetos en el

interior del recinto, para concentrar la mayor cantidad del frío en la refrigeración.

Comprobar el funcionamiento de los sistemas con una mejor relación de presión

de vacío. Esto es importante porque a mayor presión la eficiencia del ciclo de

refrigeración tiende a disminuir de manera considerable.

Seguir la investigación en cuanto a sistemas que utilicen energía no contaminante.

69

III.3 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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73

III.4 ANEXOS

74

III.4.1 ANEXO 1. DATOS OBTENIDOS POR LA MEDICIÓN

Tabla No. 10

Datos medidos para el sistema de refrigeración

Sistema cobre

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Tamb Pgen Pev Tag Col

10

de

ener

o d

e 20

12

0 10 10 11,67 11 10 -60 -50 15 10

1 12 10 11,67 11 10 -60 -60 14 10

2 11 10 11,11 11 8 -60 -60 14 10

3 10 8 10,00 11 8 -60 -60 13 10

4 9 8 10,00 10 8 -60 -60 12 10

5 8 8 10,00 10 9 -60 -60 12 10

6 10 9 10,00 10 9 -60 -60 11 10

7 11 10 10,56 10 9 -60 -60 11 10

8 19 11 11,11 10 11 -57 -60 11 9

9 35 15 11,67 13 15 -55 -60 12 9

10 43 19 11,67 15 18 -55 -55 13 9

11 57 20 11,67 18 23 -50 -49 14 9

12 69 21 11,67 20 25 -48 -42 15 9

13 78 19 11,67 22 25 -43 -38 16 9

14 83 19 11,67 21 24 -40 -35 17 9

15 92 18 11,67 20 22 -45 -38 18 9

16 80 18 16,67 19 20 -45 -40 19 9

17 69 18 16,11 17 18 -48 -40 20 9

18 55 18 20,56 18 16 -48 -45 18 9

19 33 18 16,67 17 16 -53 -50 17 9

20 25 18 16,67 16 12 -57 -59 16 9

21 21 13 15,56 14 12 -59 -60 15 10

22 19 12 14,44 13 11 -60 -60 15 10

23 18 11 13,33 11 9 -60 -60 15 10

Sistema inox

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Pgen Pev Col

10

de

ener

o d

e 20

12

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Fuente: FODECYT 020-2010

75

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

Este día no se puso a funcionar el equipo de acero inoxidable debido a una entrada de aire

que lo hacia ganar presión.

Sistema cobre

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Tamb Pgen Pev Tag Col

11

de

ener

o d

e 20

12

0 16 11 12,78 13 10 -60 -60 15 10

1 15 8 11,67 11 8 -60 -60 15 10

2 15 7 10,00 10 8 -60 -60 13 10

3 13 6 9,44 9 7 -60 -60 12 10

4 12 6 8,89 8 7 -60 -60 12 10

5 11 5 8,33 7 5 -60 -60 11 11

6 10 5 7,78 6 4 -60 -60 11 11

7 10 6 7,78 7 5 -60 -60 9 11

8 10 7 7,22 8 5 -57 -60 10 11

9 24 9 8,89 13 15 -55 -60 12 11

10 40 13 11,67 15 16 -50 -55 13 10

11 57 18 11,67 16 19 -50 -49 14 10

12 80 18 11,67 16 20 -45 -42 15 9

13 91 19 11,67 17 21 -43 -38 19 9

14 90 17 11,67 17 20 -40 -38 19 9

15 83 16 11,67 15 18 -45 -40 17 9

16 70 16 15,56 15 18 -48 -40 16 9

17 50 15 16,67 15 16 -50 -45 16 9

18 33 15 15,56 15 16 -50 -40 16 9

19 27 14 15,56 14 16 -50 -45 16 9

20 24 13 15,56 14 15 -50 -50 15 9

21 21 13 15,56 14 13 -55 -50 15 10

22 19 12 14,44 13 12 -58 -50 15 10

23 17 11 13,89 13 9 -60 -53 15 10

Sistema inox

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Pgen Pev Col

11

de

ener

o d

e 20

12

0 11 11 10 11 11 13 -45 -40 0

1 10 10 8 9 10 11 -50 -42 0

2 10 10 7 7 10 10 -50 -42 0

3 9 8 6 6 10 9 -50 -40 0

4 9 8 6 6 9 8 -50 -40 0

5 8 7 4 6 8 7 -50 -40 0

6 8 7 4 5 8 6 -45 -40 0

Fuente: FODECYT 020-2010

Continuación anexo 1

76

7 9 6 3 5 6 6 -45 -40 0

8 10 6 3 5 7 8 -40 -40 0

9 16 15 12 14 11 10 -40 -40 0

10 17 16 18 17 12 13 -40 -35 0

11 18 18 20 20 15 15 -40 -35 0

12 20 22 20 20 16 16 -40 -35 0

13 22 23 20 19 17 17 -40 -35 0

14 21 23 17 17 17 17 -40 -35 0

15 19 19 15 15 16 17 -40 -35 0

16 14 15 13 14 16 17 -40 -35 0

17 13 23 12 12 16 16 -40 -40 0

18 17 15 14 13 15 16 -40 -30 0

19 38 52 14 14 15 15 -20 -15 0

20 70 78 13 16 15 15 -10 0 0

21 50 78 12 17 14 16 -40 -40 0

22 40 55 10 12 14 13 -45 -40 0

23 26 32 15 13 10 11 -50 -40 0

Sistema cobre

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Tamb Pgen Pev Tag Col

12

de

ener

o d

e 20

12

0 14 10 12,22 12 10 -60 -45 15 10

1 14 11 11,67 12 8 -60 -50 14 10

2 13 9 11,67 12 8 -60 -50 14 11

3 13 8 11,11 12 8 -60 -50 13 11

4 13 8 10,56 11 7 -60 -50 13 11

5 12 7 10,00 10 7 -60 -50 12 11

6 11 7 8,89 8 6 -60 -50 12 11

7 11 6 8,89 8 9 -60 -50 10 11

8 12 9 7,22 8 11 -60 -50 8 11

9 19 11 8,33 8 14 -59 -50 7 11

10 36 13 8,89 12 15 -58 -50 12 11

11 54 18 11,67 15 20 -55 -55 14 10

12 63 21 11,67 18 25 -50 -50 16 10

13 90 22 11,67 20 26 -40 -40 19 9

14 99 25 11,67 23 26 -40 -38 21 9

15 106 25 12,78 21 22 -40 -38 23 9

16 83 19 12,78 20 18 -45 -40 20 9

17 72 18 12,78 19 17 -48 -40 20 9

18 66 18 15,56 17 14 -50 -40 19 10

19 40 18 16,11 14 13 -50 -40 17 10

20 30 15 16,67 14 13 -50 -40 16 10

21 28 13 15,00 14 13 -50 -40 16 10

22 22 13 14,44 12 11 -50 -53 15 10

23 17 12 13,89 12 11 -60 -60 15 10

Sistema inox

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Pgen Pev Col

12

de

ener

o d

e

20

12 0 18 18 9 10 12 12 -40 -30 3

1 16 25 8 10 12 12 -45 -40 3

2 14 20 8 9 11 12 -47 -40 3

Continuación anexo 1

Fuente: FODECYT 020-2010

77

3 12 18 8 8 10 12 -50 -40 3

4 10 16 7 8 9 10 -50 -40 4

5 9 13 7 7 8 8 -50 -40 4

6 9 12 6 6 9 8 -50 -40 4

7 11 10 9 9 8 8 -50 -40 5

8 8 8 6 6 6 6 -50 -55 5

9 10 10 8 8 8 9 -50 -55 5

10 11 13 9 10 9 9 -50 -55 5

11 16 15 14 15 11 12 -55 -50 4

12 17 16 17 18 13 13 -55 -50 4

13 18 18 20 20 15 17 -55 -50 3

14 21 24 21 21 18 19 -60 -50 3

15 23 26 21 21 21 21 -55 -48 3

16 22 20 17 17 22 23 -50 -45 3

17 18 19 15 15 17 19 -50 -45 3

18 15 15 13 14 17 17 -50 -45 3

19 26 23 12 12 16 14 -50 -45 3

20 42 160 12 14 15 16 -40 -30 3

21 14 15 11 13 14 14 -40 -30 3

22 30 57 11 14 14 12 -30 -20 3

23 49 69 10 13 14 12 -60 -50 2

Sistema cobre

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Tamb Pgen Pev Tag Col

13

de

ener

o d

e 20

12

0 16 10 12,22 12 8 -60 -50 14 11

1 15 8 11,11 10 8 -60 -60 14 11

2 14 8 10,00 11 7 -60 -60 13 11

3 14 6 9,44 8 7 -60 -60 13 11

4 13 6 9,44 8 7 -60 -60 11 11

5 13 7 8,89 7 7 -60 -60 10 11

6 13 6 8,33 7 7 -60 -60 9 11

7 13 7 8,33 6 7 -60 -60 8 11

8 14 6 7,78 7 8 -60 -60 8 11

9 19 8 8,33 8 11 -59 -60 9 11

10 36 11 8,89 13 15 -58 -60 12 11

11 53 16 11,67 15 20 -55 -55 15 10

12 69 22 11,67 18 25 -50 -49 16 10

13 84 22 11,67 20 26 -48 -42 19 9

14 100 21 11,67 22 23 -43 -38 20 9

15 102 19 11,67 21 22 -40 -38 22 8

16 83 19 11,67 20 18 -45 -40 20 9

17 70 18 11,67 19 15 -48 -40 20 9

18 50 18 16,67 17 13 -50 -45 19 10

19 24 18 16,11 14 13 -50 -45 17 10

20 21 18 15,56 16 12 -50 -45 16 10

21 19 13 14,44 15 12 -55 -45 16 10

22 17 12 13,89 15 12 -60 -45 15 10

23 16 11 13,33 12 10 -60 -50 15 10

Sistema inox

Continuación anexo 1

Fuente: FODECYT 020-2010

78

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Pgen Pev Col 1

3 d

e en

ero

de

20

12

0 22 25 11 11 8 12 -60 -50 3

1 20 19 10 9 8 10 -60 -55 4

2 17 18 8 8 8 11 -60 -55 4

3 10 12 6 6 8 8 -60 -55 4

4 10 11 6 7 7 7 -60 -55 4

5 10 11 6 7 7 7 -60 -55 4

6 8 9 5 6 7 7 -60 -55 4

7 8 8 6 7 8 7 -60 -55 4

8 8 8 6 6 6 6 -60 -55 5

9 10 10 8 8 7 7 -60 -54 5

10 11 13 9 10 8 9 -60 -53 5

11 16 15 13 13 11 12 -60 -53 4

12 22 20 18 19 13 13 -60 -51 4

13 28 24 20 20 16 17 -58 -50 3

14 26 26 22 21 19 19 -58 -50 3

15 26 26 22 21 21 21 -55 -48 3

16 24 26 17 17 23 23 -50 -45 3

17 18 19 15 15 19 18 -50 -45 2

18 15 15 13 14 17 17 -50 -45 2

19 26 23 12 12 16 14 -50 -45 2

20 42 160 12 14 15 16 -40 -30 3

21 58 89 11 13 14 15 -36 -20 3

22 37 48 10 13 13 15 -32 -25 3

23 24 28 10 10 12 12 -40 -30 3

Sistema cobre

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Tamb Pgen Pev Tag Col

14

de

ener

o d

e 20

12

0 15 10 13,33 11 8 -60 -60 15 10

1 15 10 12,78 11 8 -65 -60 14 11

2 15 10 11,67 11 8 -60 -60 13 11

3 15 12 10,00 10 9 -60 -60 12 11

4 15 10 8,89 9 9 -60 -60 11 11

5 15 10 7,78 8 9 -60 -60 9 11

6 15 11 6,67 7 9 -60 -60 8 11

7 15 11 5,56 5 10 -60 -60 6 11

8 16 13 7,78 6 13 -50 -60 6 10

9 30 14 8,89 8 14 -55 -60 8 10

10 51 17 10,00 10 18 -45 -60 8 10

11 66 20 12,78 11 22 -40 -50 9 9

12 75 22 15,56 14 24 -30 -35 10 9

13

14

15

16

17

18

19

20

Continuación anexo 1

Fuente: FODECYT 020-2010

79

21

22

23

Sistema inox

Fecha Hora Tegen Tfgen Tecon Tfcon Teev Tfev Pgen Pev Col

14

de

ener

o d

e 20

12

0 54 52 10 10 12 11 -50 -40 3

1 40 40 10 10 10 11 -50 -45 3

2 30 38 10 12 9 9 -50 -45 3

3 16 20 10 11 8 8 -60 -50 3

4 15 18 10 11 7 7 -60 -50 3

5 14 16 11 11 6 6 -60 -50 4

6 14 13 11 11 5 5 -60 -50 5

7 14 13 12 12 4 4 -60 -50 5

8 14 13 12 13 5 5 -60 -50 4

9 17 19 14 14 5 6 -55 -50 3

10 20 22 15 17 7 8 -55 -50 2

11 26 29 18 20 9 10 -50 -45 1

12 32 30 21 22 13 13 -50 -40 1

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

Fuente: Proyecto FODECYT 020-2010

Continuación anexo 1

80

III.4.2 ANEXO 2. MAPAS

Figura No. 21

Relación de hogares que cuentan con energía eléctrica –urbanos – rurales-

Fuente: Extraído del Anuario Estadístico Ambiental de Guatemala 2008

81

Figura No. 22

Relación de hogares que utilizan leña para cocinar 2006

Fuente: Extraído del Anuario Estadístico Ambiental de Guatemala 2008

82

III.4.3 ANEXO 3. FOTOGRAFÍAS DEL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE

LOS SISTEMAS.

Figura No. 23

Tuberías para la construcción de los

sistemas

Figura No. 24

Tuberías cortadas para el sistema de

acero inoxidable

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 25

Construcción del evaporador acero

inoxidable

Figura No. 26

Construcción condensador acero

inoxidable

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 27

Construcción del evaporador cobre

Figura No. 28

Construcción condensador cobre

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

83

Figura No. 29

Construcción del colector - generador

cobre

Figura No. 30

Construcción del colector - generador

acero inoxidable

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 31

Acoplamiento sistema de acero

inoxidable

Figura No. 32

Acoplamiento sistema de acero

inoxidable

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 33

Acoplamiento sistema de cobre

Figura No. 34

Acoplamiento sistema de cobre a su

estructura

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

84

Figura No. 35

Acoplamiento de sistema de cobre

Figura No. 36

Cubriendo de capa de negro mate a

colector de cobre

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 37

Construcción del recinto frío del sistema

de refrigeración

Figura No. 38

Acoplamiento de los dos sistemas de

refrigeración

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 39

Construcción de la estufa para la

generación de calor de biomasa

Figura No. 40

Instalación del sistema de refrigeración

en el lugar de pruebas

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

85

Figura No. 41

Calentamiento del colector – generador

de acero inoxidable

Figura No. 42

Realización de vacío en los sistemas de

refrigeración

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 43

Vista del sistema de refrigeración en el

lugar de instalación

Figura No. 44

Alrededores del lugar de instalación del

equipo de refrigeración

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 45

Llenado de los equipos con el metanol

Figura No. 46

Investigador principal revisando el

sistema de refrigeración

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

86

Figura No. 47

Manuvacuómetro en el colector -

generador de acero inoxidable

Figura No. 48

Termómetro en el condensador de

acero inoxidable

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 49

Manuvacuómetros en evaporadores

Figura No. 50

Termómetros en los evaporadores

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

Figura No. 51

Termómetro en el agua para enfriar en

el recinto frío

Figura No. 52

Multímetro utilizado con termocupla

para las mediciones de temperatura

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

87

Figura No. 53

Recinto Frío

Figura No. 54

Cenizas de la combustión de la leña

Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT Fuente: Proyecto 020-2010, FODECYT-CONCYT

88

PARTE IV

IV.1 INFORME FINANCIERO