Bomba de calor por absorción integrada a un sistema de purificación de efluentesSócrates Santoyo, Javier Siqueiros, Christopher Heard y Edgar Santoyo
Resumen
Se presentan los resultados derivados de la integración de una bomba de calor por absorción a un sistema de purificación de efluentes industriales. Se mencionan las ventajas de este tipo de bombas de calor con respecto a las de calor por compresión mecánica de vapor, así como las ventajas de usar bombas de calor en sistemas de destilación simple. Finalmente, se describe el equipo diseñado y construido, así como los resultados obtenidos de una prueba preliminar.
Introducción
La destilación es una operación unitaria de uso intensivo de energía que requiere desechar grandes cantidades de la misma al medio ambiente. La integración de bombas de calor a sistemas de destilación ha sido propuesta por varios autores con objeto de reducir los consumos de energía [Best, R., et al., 1988; Eisa, M. A. R. et al., 1987; Hodgett, D. L., 1990]. Sin embargo, pocos estudios se han realizado sobre equipos experimentales. Este trabajo presenta la integración de una bomba de calor por absorción a un sistema de purificación de efluentes por destilación simple. El equipo se diseñó y construyó en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) [Santoyo, S., 1995]. Este equipo experimental se evaluará bajo diferentes condiciones de operación en la purificación de efluentes.
Por otra parte, las reglamentaciones para controlar los contaminantes en las descargas industriales serán cada vez más rigurosas. En algunos casos, se puede utilizar la destilación para la recuperación de productos de efluentes, lo cual, además de cumplir con los requerimientos ambientales, permitirá recuperar parte del producto que pueda reciclarse. Un ejemplo de ello son los desechos líquidos de productos de fotografía donde se ha propuesto la utilización de bombas de calor para recuperar parte de productos de los efluentes [Kuroda, S., 1993; Mohanty, B. y Thavalingham, G., 1993]. Otra aplicación puede ser en la obtención de agua destilada a partir de salmuera geotérmica [Frías, J. L., 1991; Siqueiros, J. et al., 1992] y simultáneamente obtener salmuera concentrada, la cual puede utilizarse para recuperar sales [Maloney, N., 1992; Mercado, S., et al., 1979].
El equipo propuesto de integración de una bomba de calor por absorción a un sistema de purificación de efluentes tiene dos propósitos fundamentales: primero, evaluar la bomba de calor a diferentes condiciones de operación con varios pares de fluido de trabajo/absorbente; y segundo, mostrar la factibilidad de utilización en la purificación de efluentes y en la posible recuperación de productos. En el equipo se podrán probar algunos efluentes industriales que requieran recuperar parte de producto del efluente. Con objeto de valuar el equipo en las condiciones mencionadas, su diseño considera mucha flexibilidad para cambio de pares de trabajo, así como de efluentes a tratar.
Bomba de calor
La bomba de calor es un dispositivo que eleva la temperatura de una fuente de energía a un nivel más alto, la cual tiene mayor utilidad. El coeficiente de operación (COP, por sus siglas en inglés coefficient of performance) es un parámetro importante para la evaluación de las bombas de calor; este coeficiente indica cuántas veces la energía de alta calidad suministrada a la bomba de calor se multiplica; por ejemplo, un COP de cuatro indica que por cada 1 kW suministrado se obtienen 4 kW de la bomba de calor. Existen diferentes formas de clasificar las bombas de calor como por el tipo de energía que consuma o por la fuente y el receptor de calor, entre otras. En este trabajo se presenta la descripción de las bombas de calor por compresión que son las más comunes y las bombas de calor por absorción que son de interés en este trabajo.
Las bombas de calor han sido utilizadas para muchos fines [Reay, D. A. y Macmichael, D.B.A., 1988; Hodgett, D. L., 1990], entre ellos, el acondicionamiento de espacios (calefacción en lugares que lo requieren), secado de madera o ladrillos refractarios, calentamiento de albercas, para calefacción y enfriamiento de agua simultáneamente, así como en la destilación de whisky.
Bomba de calor por compresión
Las bombas de calor por compresión mecánica de vapor son el tipo más común. Sus principales componentes son un evaporador, un condensador, un compresor, una válvula de expansión y un fluido de trabajo (figura 1). El funcionamiento de la bomba es el siguiente: el fluido de trabajo se evapora en el evaporador a una temperatura TEV mientras extrae una cantidad de calor QEV de la fuente de calor; subsecuentemente, el fluido de trabajo es comprimido por el compresor; enseguida, se condensa en el condensador a una temperatura TCO donde cede una cantidad de calor QCO, y, finalmente, se expande en la válvula de expansión para reiniciar nuevamente el ciclo.
Ventajas de las bombas de calor por compresión en sistemas de destilación simple
Existen dos ventajas en el uso de una bomba de calor por compresión en sistemas de destilación simple. Una ventaja está asociada con los niveles de temperatura que se utilizan, por lo cual se presenta brevemente la definición del COP Carnot. La otra ventaja se asocia con los intercambiadores de calor utilizados, los cuales presentan altos coeficientes de transferencia de calor.
El coeficiente de operación Carnot para este tipo de bomba de calor es:
en donde:
TCO temperatura absoluta de condensación del fluido de trabajo.
TEV temperatura absoluta de evaporación del fluido de trabajo.
Puede observarse en la ecuación 1 que entre más pequeña sea la diferencia global de temperaturas (TCO - TEV) más altos serán los valores del COP. En un proceso de destilación simple la temperatura de evaporación del efluente y la temperatura de condensación del destilado pueden ser muy parecidas; esto ocasiona que la diferencia global de temperaturas sea pequeña, obteniéndose así altos valores de COP Carnot. Aunque en la práctica no se obtienen valores tan altos del COP como los previstos por el ciclo Carnot, los valores del COP Carnot están relacionados con los COP reales; es decir, entre más altos valores de COP Carnot se tengan, éstos producirán valores más altos de COP reales. En trabajos previos sobre sistemas de purificación de efluentes asistido por bombas de calor por compresión se obtuvieron valores altos de COP Carnot asociados con valores altos de COP reales [Frías, J. L., 1991; Frías, J. L., et al., 1991; Siqueiros, J., et al., 1993; Siqueiros, J., et al., 1995].
Vista frontal de la bomba de calor por absorción
integrada al sistema de purificación de efluentes industriales.Otra ventaja de esta bomba de calor por compresión integrada a sistemas de purificación es que se tienen altos coeficientes de transferencia de calor en el evaporador y condensador de la bomba de calor. El evaporador del fluido de trabajo de la bomba de calor es, simultáneamente, el condensador del destilado obtenido del efluente; el condensador del fluido de trabajo de la bomba de calor es, al mismo tiempo, el evaporador del efluente. En cada uno de estos dos intercambiadores de calor se presenta un cambio de fase en ambas corrientes (fría y caliente), lo cual provoca altos coeficientes de transferencia de calor, por lo que se tienen intercambiadores de calor compactos. Así, los costos iniciales de capital para estos intercambiadores de calor no serán elevados.
Bomba de calor por absorción
Esta bomba de calor tiene los mismos elementos que la bomba de calor por compresión, excepto que el compresor se sustituye por un circuito de generador/absorbedor. La figura 2 muestra un esquema de una bomba de calor por absorción. Las bombas de calor por absorción utilizan un par de trabajo (fluido de trabajo y absorbente). En el generador se recibe calor de alta calidad; la mezcla de fluido de trabajo y absorbente se calienta y se desprende parte de dicho fluido a una temperatura TGE mientras recibe una cantidad de calor QGE. La solución con concentración débil en fluido de trabajo se regresa al absorbedor pasando antes por un economizador. El fluido de trabajo desprendido del generador pasa al condensador donde se condensa a una temperatura TCO mientras proporciona una cantidad de calor QCO al receptor de calor. Posteriormente, pasa por la válvula de expansión antes de llegar al evaporador en donde se evapora a una temperatura TEV mientras recibe una cantidad de calor QEV. Subsecuentemente, pasa al absorbedor donde se absorbe con la solución débil que proviene del generador a una temperatura TAB y proporciona una cantidad de calor QAB al receptor de calor.
Después, la solución rica en fluido de trabajo se bombea al economizador donde cede parte de calor a la solución débil en fluido de trabajo que proviene del generador. Finalmente, la solución concentrada en fluido de trabajo llega al generador para reiniciar el ciclo.
Las principales ventajas de las bombas de calor por absorción sobre las bombas de calor por compresión son [Holland, F. A., 1990]:
a) Emplean poca energía mecánica (en contraste con la cantidad de energía eléctrica al motor del compresor en la mayoría de los casos).
b) Los fluidos de trabajo no tienen efectos adversos sobre el medio ambiente (como los fluorocarbones).
c) No cuentan con compresores que son componentes de alta tecnología, además de que los compresores no están disponibles en el mercado para cualquier fluido, capacidad y condiciones de operación requeridos.
d) Pueden diseñarse con facilidad a partir de datos termofísicos y termodinámicos apropiados.
Las ventajas de las bombas de calor por absorción en sistemas de destilación simple son análogas a las bombas de calor por compresión. La definición del coeficiente de operación Carnot cambia; para una bomba de calor por absorción se tiene:
En este caso, se presentan valores altos de COP cuando la diferencia de temperaturas (Tco-Tev) es pequeña como en los sistemas por compresión.
En este proceso de destilación propuesto se tendrán diferencias de temperatura pequeñas debido a que la presión de vapor del efluente a tratar, agua cruda en este caso es ligeramente más baja que el agua destilada que se obtiene, por lo cual las temperaturas de evaporación del agua cruda y la de condensación del agua destilada serán muy parecidas, lo que dará un coeficiente de operación teórico alto. Aunque en la práctica no se obtienen estos coeficientes teóricos de operación sí están relacionados con los coeficientes reales de operación; es decir, cuando se cuenta con altos COP Carnot se obtienen altos COP reales, como en el caso de las bombas de calor por compresión.
Descripción del equipo
El equipo consta de una bomba de calor por absorción integrada a un sistema de purificación de efluentes. El par de trabajo utilizado es agua/bromuro de litio, donde el agua es el fluido de trabajo y el bromuro de litio es el absorbente. El equipo se diseñó y construyó en las instalaciones del IIE [Santoyo, S., 1995]. La figura 3 muestra un esquema del equipo. En el generador se suministra vapor como medio de calentamiento, la solución rica en refrigerante se calienta y se desprende parte del fluido de trabajo. Después, este fluido de trabajo pasa al condensador donde al condensarse cede calor al efluente. Posteriormente, pasa por una válvula de expansión antes de llegar al evaporador donde al recibir calor del destilado del efluente se evapora; enseguida pasa al absorbedor donde se absorbe con la solución pobre en fluido de trabajo, la cual proviene del generador pasando previamente por el economizador antes de llegar al absorbedor; al absorberse cede calor al efluente. Finalmente, la solución rica en fluido de trabajo se bombea hacia el economizador antes de llegar al generador. Con objeto de balancear las cargas térmicas se incorporó un intercambiador de calor auxiliar, el cual condensa el exceso de destilado que se obtiene y que no condensa el evaporador de la bomba de calor.
El trayecto del efluente es el siguiente (figura 3): la alimentación se divide en dos corrientes, una de ellas va hacia el condensador donde recibe una cantidad de calor QCO mientras se condensa el fluido de trabajo. La otra corriente va hacia el absorbedor donde recibe una cantidad de calor QAB al absorberse el fluido de trabajo con la solución pobre en fluido de trabajo. Luego se juntan las dos corrientes para pasar por un separador donde se separa el vapor y el líquido. El vapor se envía hacia el evaporador donde se condensa mientras el fluido de trabajo se evapora al recibir una cantidad de calor QEV y se obtiene agua destilada. Parte del vapor del efluente pasa al intercambiador de calor auxiliar donde se condensa mientras cede una cantidad de calor QAUX para balancear térmicamente al equipo. El líquido caliente separado reinicia el trayecto del efluente. En el circuito del efluente se va añadiendo la cantidad de destilado obtenida para contar con una operación continua.
Actualmente, se utiliza vapor proveniente de una caldera eléctrica como fuente de calor. Con este vapor se tiene un buen control de la temperatura y de la carga térmica hacia el equipo. Se cuenta también con un circuito de agua de enfriamiento para el intercambiador de calor auxiliar que sirve para balancear térmicamente todo el equipo, debido a que la cantidad de calor que recibe el efluente es mayor que la cantidad de calor que puede ser rechazada en el evaporador.
El balance de calor para una bomba de calor por absorción está dado por [Smith, I. E., 1990]:
QGE + QEV = QCO + QAB
En este caso, se utilizará el calor del condensador y del absorbedor para calentar y evaporar parte el efluente. El vapor producido del efluente suministra calor al evaporador. Sin embargo, se tiene un exceso de calor proporcionado por el vapor, por lo cual se requiere de un intercambiador auxiliar para balancear térmicamente el equipo (figura 4).
QCO + QAB = calor recibido por el efluente (evaporación)
QEV + QAUX = calor rechazado por el efluente (condensación)
QCO + QAB = QEV + QAUX [3]
De la ecuación 3 se requiere que la capacidad del intercambiador de calor auxiliar sea:
QAUX = QGE
En este caso, el intercambiador de calor auxiliar permite balancear las cargas térmicas, además de facilitar la operación y evaluación del equipo. Sin embargo, en un equipo industrial de tratamiento de efluentes, el calor rechazado en el intercambiador de calor auxiliar podría utilizarse para precalentar al efluente.
En cuanto a la operación del equipo y su posterior evaluación se cuenta con instrumentación para monitorear y registrar los parámetros necesarios. Se tienen termopares, transductores de presión, flujómetros, refractómetro, controladores de frecuencia, además, de un adquisitor de datos que permite el registro de las variables con objeto de efectuar la evaluación del equipo.
La fotografía 1 muestra una vista frontal del equipo donde se aprecian los componentes del mismo. La fotografía 2 muestra una vista posterior del equipo. En estas fotografías se aprecia que casi la totalidad del equipo está montado sobre una base, lo que facilitaría su traslado a alguna empresa cuando se requiriera demostrar dicha tecnología.
Vista posterior de la bomba de calor por absorción.Resultados
Las pruebas preliminares con el sistema de purificación de efluentes integrado a la bomba de calor por absorción experimental resultaron satisfactorias, obteniéndose agua destilada a partir del efluente, el cual fue agua cruda en estas pruebas. Las condiciones de estado cuasi estable se alcanzaron luego de 35 a 40 minutos, considerados desde el inicio de la prueba. Además, con objeto de asegurar por completo la obtención de agua destilada se colocó una trampa de líquido a la entrada del evaporador de la bomba de calor.
La figura 5 muestra las variaciones de las temperaturas en el generador, condensador, evaporador y absorbedor, en función del tiempo bajo condiciones cuasi estables. En dicha figura se nota que la variación de la temperatura es pequeña en cada uno de los cuatro componentes de la bomba de calor. También es notorio que las temperaturas de condensación y absorción son muy parecidas. Para incrementar la temperatura de absorción debe mejorarse el proceso de absorción, lo cual incrementará el coeficiente de operación de la bomba de calor.
Por otro lado, la temperatura del evaporador es la que presenta una mayor variación en esta prueba, ya que se tuvieron fluctuaciones en el flujo del efluen-te dentro del sistema. Esta fluctuación fue ocasionada por el flujo en dos fases a la salida del absorbedor y a la entrada del agua fría del circuito del efluente como reposición del destilado obtenido, así como por el control de la presión absoluta en el circuito del efluen-te, la cual presentó ligeras variaciones también. El flujo de agua destilada obtenida fue de 2.1 kg h -1. Los análisis del agua destilada obtenida no se realizaron en estas pruebas, sin embargo en pruebas subsecuentes se llevarán a cabo para comprobar la pureza del destilado obtenido y de este modo completar la evaluación final del sistema. Las demás pruebas preliminares fueron similares a la presentada en la figura 5, se variaron flujos de la solución y del efluente, y de las presiones absolutas.
Conclusiones
Se cuenta con un equipo totalmente diseñado y construido en el IIE que se evaluará con el par de trabajo agua/bromuro de litio y después con otros pares de trabajo. En pruebas preliminares, el equipo operó satisfactoriamente. Se obtuvo agua destilada hasta 2.1 kg/h. Estas pruebas permitieron verificar el buen funcionamiento de todo el equipo, al igual que la adquisición y registro de datos. Se obtuvieron también algunas condiciones límite de operación como presiones absolutas y flujos. Asimismo, se detectaron algunas pequeñas mejoras que serán efectuadas con objeto de incrementar el control de la operación de todo el equipo. Se cuenta con un programa de pruebas para la evaluación del equipo y con un análisis de posibles pares de trabajo a utilizar. En este equipo se podrán utilizar algunos efluentes industriales con objeto de obtener datos experimentales que permitan una evaluación completa del comportamiento del equipo.
Agradecimientos
Los autores agradecen al M. en I. Víctor M. Arellano G. su decidido apoyo para la construcción del equipo. Se agradece también a Jorge Avilés F. por su colaboración técnica.
Referencias
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SÓCRATES SANTOYO GUTIÉRREZ
Ingeniero químico egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Maestro en ingeniería química por la University of Salford, Inglaterra. Desde 1979 es investigador de la hoy Unidad de Geotermia del IIE. Efectuó estudios de especialización sobre fluidos de perforación y cementos para pozos de alta temperatura en el Chemical, Electrical and Mechanical Research Center de Halliburton, en Oklahoma, y en Maurer Engineering, en Texas, Estados Unidos. Ha participado y dirigido proyectos de su especialidad para los principales campos geotérmicos de México. Durante 1984-1986 participó en un proyecto con el ENEL de Italia y la CFE. Ha impartido cursos y participado en foros referentes a su especialidad tanto en el país como en el extranjero. Tiene publicados más de 70 artículos de investigación. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.
JAVIER SIQUEIROS ALATORRE
Ingeniero químico, egresado de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Realizó estudios en la Universidad Tecnológica de Compiegne, Francia, donde obtuvo el diploma de estudios avanzados y el grado de doctor ingeniero en ingeniería química en la especialidad de análisis de procesos industriales. En 1983 ingresó al IIE, a la hoy Unidad de Geotermia, como investigador en el área de aprovechamiento integral de energía; desde 1992 es responsable del Laboratorio Termodinámico de Baja Entalpía de la Unidad de Energías No Convencionales. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores desde 1984.
CHRISTOPHER LIONEL HEARD
Licenciado en estudios de la energía por la Universidad de Sheffield en donde obtuvo también su doc-torado en ingeniería del medio ambiente en edificios. Ha publicado diversos artículos en revistas internacionales con arbitraje y presentado trabajos en conferencias nacionales e internacionales. Ha sido asesor de tesis de licenciatura, maestría y doctorado. En 1983 se incorpora al IIE como investigador de la hoy Unidad de Geotermia. Entre sus actividades actuales destaca el desarrollo y diseño para uso industrial de un refrigerador por absorción/compresión de amoníaco/nitrato de litio, piloto. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores desde 1987.
EDGAR SANTOYO GUTIÉRREZ
Ingeniero químico y maestro en ingeniería química, es-pecialidad en fenómenos de transporte, por la Universidad Autónoma del Estado de Mo-relos (UAEM). Desde 1983 es investigador de la hoy Unidad de Geotermia del IIE. Ha participado en proyectos de investigación relacionados con la simulación de procesos fisicoquímicos en sistemas geotérmicos y en la caracterización química e isotópica de fluidos. Ha publicado más de 50 artículos técnicos y dictado cursos y conferencias de especialización relacionados con la geoquímica tanto en el país como en el extranjero. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.
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