Página Nº. 1

Comportamiento Experimental de un Refrigerador por Adsorción

Miguel Ramos y Manfred Horn

Centro de Energías Renovables, Universidad Nacional de IngenieríaLima, Perú. Tel/Fáx * 51-1-3821058

mramos@uni.edu.pe mhorn@uni.edu.pe

RESUMEN

El Centro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería, CER-UNI,inició un proyecto para desarrollar una refrigeradora para el medio rural, donde no existedisponibilidad de una red eléctrica. El funcionamiento de la refrigeradora se basa en un ciclotermodinámico de adsorción, utilizando como refrigerante agua y como adsorbente el mineralzeolita. El prototipo de esta refrigeradora fue desarrollado por EG-Solar (Altötting,Alemania) y donado a la UNI.Se presenta aquí los primeros resultados experimentales obtenidos con el prototipo. Estaevaluación conllevará luego a presentar modificaciones adecuadas para mejorar suoperatividad, además de adaptarla a la realidad peruana.

ABSTRACT

At the Renewable Energy Center of the National Engineering University in Lima, Peru, CER-UNI, started a project to develop a refrigerator for rural areas where doesn't exist an electricalgrid. This refrigerator is based on a thermodynamical cycle of adsorption, using water asrefrigerant and zeolithe as adsorber. The prototype refrigerator was developed at EG-Solar(Altötting, Germany) and donated to UNI.First experimental results obtained with the prototype refrigerator are presented. These resultsare leading us to modifications and adaptations to the reality in Peruvian rural areas.

1. INTRODUCCION

La refrigeración es la extracción de calor de una sustancia o espacio produciendo en ella una

temperatura inferior a la de sus alrededores [1]. El proceso de refrigeración es importante

para el hombre desde hace muchos años. El hombre la utiliza para la conservación de

alimentos, medicinas u otros productos, así como para la producción de hielo, etc.

Existen diversos métodos para obtener una refrigeración, pero la mayoría de las refrigeradoras

usan hoy en día un ciclo termodinámico que incluye la compresión de un vapor refrigerante,

para lo cual se utiliza un compresor con motor eléctrico. Esto limita el uso de esas

refrigeradoras en regiones rurales sin red eléctrica, requiriendo una generación de electricidad

Página Nº. 2

local, sea con un grupo electrógeno o sea con paneles fotovoltaicos, lo que es sumamente

costoso.

Por otro lado, en el sistema de refrigeración por absorción o adsorción se requiere solamente

una cantidad pequeña de trabajo (o electricidad) en relación a lo requerido en sistemas de

compresión de vapor, pero se requiere un suministro de calor muchas veces mayor que el

trabajo requerido por el ciclo de compresión de vapor. Si el calor es suficientemente barato,

el ciclo de refrigeración por absorción o adsorción será atractivo económicamente, lo que

lleva a pensar en refrigeradoras “solares”, que usan la radiación solar para producir el calor

requerido en un ciclo termodinámico por adsorción [2].

2. CONCEPTOS FISICOS BÁSICOS

2.1. El fenómeno de adsorción.

Cuando una partícula gaseosa choca contra una superficie sólida (como por ejemplo la

superficie que lo contiene), puede ocurrir que simplemente rebote o que quede retenida

temporalmente en la superficie y se desprenda después de un tiempo. Es decir las partículas

gaseosas quedan adheridas al sólido por un tiempo y posteriormente se desprenden, volviendo

a la fase gaseosa. En consecuencia, existe una mayor concentración de partículas gaseosas en

la superficie del sólido que en el centro del volumen gaseoso. Este fenómeno recibe el

nombre de “adsorción”. Si la partícula retenida ingresa al volumen del sólido el fenómeno se

llama “absorción”.

Debemos además mencionar que los distintos valores del tiempo de adsorción sugieren la

existencia de diferentes grados de interacción entre las partículas gaseosas y la superficie del

sólido, estas son la fisisorción o adsorción física y la quimisorción o adsorción química.

La fisisorción corresponde a una interacción de naturaleza puramente electrostática entre la

partícula gaseosa y los átomos superficiales del sólido. Se origina por la atracción entre

dipolos permanentes o inducidos, sin alteración de los orbitales atómicos o moleculares de las

especies comprometidas. Recibe también el nombre de “adsorción de van der Waals” y puede

considerarse como la condensación del gas en la superficie del sólido, semejante a la

condensación de un vapor.

Página Nº. 3

La quimisorción en cambio corresponde a una interacción de tipo químico, en la que los

electrones de enlace entre el gas y el sólido experimentan un reordenamiento y los orbitales

respectivos cambian de forma o grado de ocupación, de modo semejante a una reacción

química.

Para distinguir entre fisisorción y quimisorción se aplican distintos criterios experimentales.

Entre estos, el más utilizado es el del calor de adsorción, cuya magnitud permite discriminar

entre los dos tipos. Se reconoce como fisisorción aquella cuyo calor de adsorción es inferior a

41.8 kJ/mol. La quimisorción libera sobre los 83,7 kJ/mol. En la zona intermedia la

identificación es incierta[3].

2.2. Zeolitas.

Las zeolitas fueron descritas por primera vez como grupo de minerales por el mineralogista

sueco Axel Cronstedt en 1756. Son una clase de aluminosilicatos cristalinos basados en un

esqueleto estructural aniónico rígido, con canales y cavidades bien definidas (Na+, K+, etc.) y

pueden también retener moléculas huéspedes removibles y reemplazables (agua en las zeolitas

naturales). Su nombre proviene de su capacidad para perder agua por calentamiento.

La fórmula general de la composición de las zeolitas es Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O, donde

los cationes M de valencia n neutralizan las cargas negativas del esqueleto estructural del

aluminosilicato y m es coeficiente molar de agua presente en la zeolita. Existen muchas

zeolitas naturales como también artificiales [4].

Entre las aplicaciones que se le da a las zeolitas tenemos:

a) Como agentes deshidratantes

b) Como intercambiadores de iones

c) Como adsorbentes

Página Nº. 4

2.3. La evaporación y su efecto de enfriamiento.

La evaporación de un líquido normalmente toma lugar en forma permanente. Esta

evaporación solamente se paraliza si la presión parcial del vapor en el medio es igual a la

presión de saturación del vapor correspondiente a la temperatura del líquido. En el aire, de

hecho, el agua se evapora en los lagos, ríos, charcos, ropa, etc., lo cual constituye una

evidencia de que puede ocurrir a temperaturas menores a la temperatura de ebullición.

Debido a que las moléculas que escapan de un líquido al evaporarse son las que tienen mayor

velocidad (aquellas que tienen la mas alta energía), la energía promedio de las moléculas

restantes en el líquido se ve disminuida, es decir, se disminuya su temperatura. Cada vez que

se vaporiza una parte de un líquido, una cantidad igual a su calor latente de vaporización

deberá ser proporcionado, ya sea por el líquido o el medio adyacente. Por lo tanto se reduce

la temperatura del líquido cuando esto suministra el calor latente de vaporización.

Normalmente la temperatura del líquido se reduce hasta un punto ligeramente menor a la del

medio que la rodea y, esta diferencia de temperatura causará un flujo de calor entre el medio y

la masa del liquido. De esta manera se recuperará la energía perdida por la masa durante la

vaporización, volviéndose la evaporación un proceso continuo, tan prolongado como líquido

se tenga o la presión del vapor no alcanza la presión de saturación.

En nuestro caso, el vapor resultante de la evaporación de agua es adsorbido por la zeolita,

impidiendo que la presión del vapor de agua alcanza su saturación, originándose así un

proceso de enfriamiento [5].

3. DESCRIPCION DEL SISTEMA DE REFRIGERACION

3.1. Refrigerador.

El prototipo de refrigerador fue construido por EG-Solar de Altötting en Alemania y donado

a la Universidad Nacional de Ingeniería. El refrigerador está compuesto de una caja térmica

de poliuretano de una capacidad de 44 litros (usado por la Organización Mundial de la Salud

– OMS, para mantener vacunas en frío) y en su tapa se encuentra integrado el evaporador,

consistente de un recipiente de acero inoxidable con una capacidad de 1 litro de agua. El

Página Nº. 5

evaporador puede conectarse por una manguera de vacío con un comportamiento externo

que contiene a un recipiente con la zeolita. Una vez introducido el recipiente con la zeolita

seca en el comportamiento, conectado este herméticamente al evaporador con el agua, se

puede eliminar el aire del sistema con ayuda de una bomba manual de vacío.

Medidas externas de la caja térmica = 0.71m x 0.56m x 0.49 m; Volumen interno de la

cámara de frío = 44 litros; Peso total = 18 kg

El refrigerador cuenta con dos recipientes metálicas con zeolita, con un peso total (recipiente

más zeolita) de 6,320 kg (peso de zeolita: 4,350 kg) y 6,520 kg (peso de zeolita: 4,550 kg)

respectivamente. Ambos envases están cerrados para impedir que zeolita escapa, pero con

orificios que permiten el ingreso y salida de aire (y vapor de agua).

La bomba manual suministrado con el prototipo presentó dificultades insuperables para

obtener el vacío requerido (menos de 2 mbar). Posteriormente hemos podido contar con dos

pequeñas bombas de vacío eléctricas, que operan a 12 VDC (para ser usados con una batería),

permitiendo llegar a una presión final menor de 1 mbar (prueba realizada sin agua en el

evaporador).

Las características de esta bomba de vacío son las siguientes:

Marca: Zeo-Tech.; 93 W, 12 VDC, 10,8 A, 3300 litros/min, Presión de vacío máxima: 1 mbar

3.2. Operación y funcionamiento.

Se coloca agua en el evaporador (máximo 1 litro), luego se baja la presión a aproximadamente

2 mbar (extrayendo así todo el aire). Esto hará que el agua se evapore rápidamente,

absorbiendo calor latente de los alrededores realizando el proceso descrito en 2.3. La zeolita

comienza a adsorber el vapor de agua lo que impide que la presión parcial del vapor de agua

se incremente, este proceso continúa ocasionando un descenso en la temperatura del

evaporador hasta que la zeolita se sature y deje de adsorber el vapor de agua o hasta que ya no

haya agua.

En pruebas experimentales la temperatura en el evaporador llegó hasta los – 7ºC,

obteniéndose en el interior del refrigerador (caja térmica) una temperatura de – 3ºC (prueba

Página Nº. 6

realizada en septiembre del 2000). Sin embargo en pruebas realizadas en 1998 se obtuvieron

temperaturas de –15ºC en la placa del evaporador.

Según información de EG-Solar de Alemania, el costo aproximado de este prototipo de

refrigerador por adsorción es de US$ 3 000.00, incluyendo un concentrador parabólico solar

(cocina solar SK 14).

La bomba de vacío utilizada es de 12 VDC, consume una potencia de 92 W, y una corriente

de aproximadamente 7,6 A. El tiempo de uso de esta bomba, para obtener el vacío requerido

en el sistema como se observa en la figura Nº 7, no excede de los 10 minutos, es decir se

requiere 1,9 Ah. Además podemos mencionar que, utilizando el refrigerador en forma

continua, la bomba trabajaría cada dos o tres días, es decir un sistema fotovoltaico de pequeña

potencia (5Wp) sería suficiente para abastecer de energía eléctrica a la bomba de vacío.

3.3 Esquema de los procesos y de la instalación

Evaporador conteniendoagua (presión 1 mbar)

Calor absorbido abaja temperatura

Calor entregado almedio ambiente

Cámara fría, térmicamenteaislada (refrigerador)

Zeolita seca adsorbevapor de agua

Fig. 1.- Proceso de enfriamiento

Calor a altatemperatura

Vapor de agua alexterior

Zeolitasecándose

Fig. 2.- Proceso de regeneración

Z : Recipiente de ZeolitaT: Trampa de vapor de aguaS: Sensor del medidor de presiónBV: Bomba de vacío

Cámara fría,térmicamente aislada

(refrigerador)

Z

Evaporador

BV

S

T

Fig 3.- Esquema de instalación para pruebas

experimentales

REFRIGERADOR

Página Nº. 7

4. RESULTADOS EXPERIMENTALES

4.1 Pruebas de adsorción y desorción.

La zeolita utilizada es artificial de la firma Zeo – Tech. Es importante para nosotros conocer

el comportamiento de la zeolita como adsorbente, para ello se realizaron en los laboratorios de

la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería (FC-UNI) diferentes pruebas

de adsorción y desorción una de ellas se muestra en la figura Nº 4, en ella se observa que el

grado de adsorción de la zeolita es de aproximadamente 30% de su masa es decir si

trabajamos con una muestra de alrededor de 4,250 kg. (masa contenida en uno de los

recipientes utilizados) podemos afirmar que adsorberá aproximadamente 1,275 kg de agua

(aprox. 1,275 litros).

En cuanto al proceso de desorción mostrado en la figura Nº 4, se observa que es

recomendable extraer de 30% a 12% de humedad ya que continuar el secado resultaría un

gasto de energía alto, teniendo como consideración que la humedad relativa es baja (menos

del 20%). Por ello la temperatura apropiada de regeneración de la zeolita es de 250ºC (como

se muestra en la figura Nº 5) en ella se obtiene 5% de humedad (extracción de 84% de masa

de agua contenida) en aproximadamente 2.5 horas; si trabajamos a una menor temperatura

200ºC se obtiene 10% de humedad (extracción de 66% de masa de agua contenida) en 6 horas

lo que resulta inapropiado para nuestro fin; de la misma forma para una temperatura de 300ºC

obtenemos un producto casi seco de 0,01% (con extracción de 97% de masa de agua

contenida) en aproximadamente 3,5 horas y finalmente a una temperatura de 350ºC

obtenemos un producto seco en 2,5 horas, claro que los dos últimos escenarios se producen a

un costo de energía alto debido a lo ya explicado anteriormente y mostrado en la gráfica Nº 4.

Para las pruebas experimentales el proceso de regeneración de la zeolita la realizamos en un

horno refractario cuyas características son: Marca Thermolyne, 52 A, 60 ciclos, 220 VAC, 1

fase de 0 – 2000ºC. La temperatura de regeneración es de 350ºC y el tiempo de permanencia

en el horno es de 2,5 horas.

Página Nº. 8

4.2 Pruebas de enfriamiento.

Prueba realizada en la FC-UNI, el 19/03/2001;

Condiciones iniciales: Tamb = 30ºC; Patm = 1026 mbar; masa de agua en el evaporador =

400 g. Peso de la zeolita seca + recipiente = 6,250 kg; Peso de la zeolita saturada + recipiente

= 6,650 kg.

Como se puede observar en la figura Nº 6 la temperatura mínima obtenida en el evaporador es

de –5ºC, después de aproximadamente 4.5 horas de iniciarse, a 0ºC se llega en 1 hora.

Asimismo las pérdidas por conducción y convección a través de las paredes de la cámara de

frío hacen que en aproximadamente 1 día se eleve la temperatura en el evaporador a 0ºC,

(temperatura medida teniendo como temperatura ambiente 30ºC durante el día y 26ºC durante

la noche) la presión de trabajo obtenida en las pruebas experimentales ha sido de 3,5 mbar,

debemos mencionar que la prueba mostrada no es la mejor obtenida experimentalmente.

En relación a la caída de presión que se puede observar en la figura Nº 7, el punto de inicio

(encendido de la bomba) es de 1026 mbar, cayendo esta presión al punto b en 5 minutos

(mínimo valor obtenido en esta prueba 3,5 mbar), antes de llegar al mínimo valor se observa

el punto “a”, que simplemente es el cambio de la bomba (debido a que las bombas utilizadas

no deben elevar demasiado su temperatura superficial), luego en el punto “b” es apagada la

bomba (cerrando antes la válvula de ingreso a la línea para evitar pérdidas de presión), el

proceso de evaporación brusca se inicia a aproximadamente a 45 mbar (a 30ºC), lógicamente

a la presión del punto “b” la evaporación es aún mas violenta, al apagar la bomba se observa

un incremento en la presión, esto debido a que la presión parcial del vapor de agua comienza

a incrementarse y el proceso de adsorción (que se inicia a aproximadamente 45 mbar) es aún

lento, luego del punto “c” la presión parcial del vapor de agua comienza a decrecer debido a

que el proceso de adsorción continua, esta presión cesará cuando la adsorción se detenga. La

temperatura en el evaporador lógicamente decrece mientras exista un decrecimiento en la

presión del sistema.

Página Nº. 9

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Humedad Relativa %

Co

nte

nid

o d

e H

um

edad

(X

)

Adsorción Desorción

Fig. 5 Proceso de regeneración (secado) de la zeolita: contenido de humedad en función deltiempo, a diferentes temperaturas

Fig. 4 Curvas de adsorción y desorción de zeolita: contenido de humedad X de la zeolitavs humedad relativa del aire , a 24 ºC.

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tiempo (min)

Co

nte

nid

o d

e H

um

edad

(X

)

200ºC 250ºC 300ºC 350ºC

Página Nº.10

CONCLUSIONES Y COMENTARIOS

1. El presente trabajo muestra los resultados experimentales de un prototipo de refrigeración

por adsorción; este prototipo ha sufrido durante la experimentación algunas

modificaciones, como:

Instalación de una válvula en el ingreso del evaporador. Con la finalidad de poder aislar

el evaporador para realizar pruebas de pérdida de presión, además de poder controlar con

la apertura y cierre de la válvula el proceso de adsorción. Un problema presentado con

Fig 7.- Proceso de enfriamiento, variación de presión y temperatura en función del tiempo (primeros 50

Fig 6.- Proceso de enfriamiento: variación de presión y temperatura en función deltiempo

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300

Tiempo (min)

Tem

per

atu

ra (

ºC)

1

10

100

1000

Presió

n (m

bar)

Tº evaporador (TE) Tº envase zeolita (TZ) Presión (PS)

TZ

PS

TE

Página Nº.11

esta modificación fue que la válvula utilizada para gas por ser del tipo aguja ocasionaba

que el proceso de adsorción sea mas lento.

Sustitución de la bomba manual por una bomba eléctrica. Debido a que la bomba manual

presentó problemas en su operación (no se alcanzó las presiones bajas requeridas), se

utiliza actualmente una bomba eléctrica, que se abastece de energía mediante una batería

d 12 V.

Modificación de uno de los recipientes de zeolita, este fue abierto con la finalidad de

cambiar la zeolita, para descartar la posible obstrucción de los poros.

Estas modificaciones han sido realizas en camino a obtener mejores resultados, evaluando

el comportamiento de este prototipo el que nos servirá para el diseño de un refrigerador

con el mismo principio termodinámico de adsorción pero que facilite su operatividad.

Este nuevo diseño consistirá de un refrigerador que trabaje en ciclo cerrado. Obviamente

el ciclo seguirá siendo intermitente, es decir ambos proceso de evaporación y

condensación se realizarán en tiempos diferentes. El nuevo prototipo trabajará a presiones

bajas, se eliminará el uso de una bomba eléctrica de vacío (se realizará vacío una sola vez

y luego se sellará el sistema) además se evitará el estar cambiando el refrigerante (agua)

cada vez que se requiera realizar el proceso de enfriamiento.

Otra etapa importante es la regeneración de la zeolita (condensación del refrigerante): esta

se realizará mediante un proceso de aprovechamiento de energía calorífica. Entre las

alternativas se encuentra el diseño de un horno cuyo combustible a utilizar sea la leña o

carbón (u otro apropiado para la zona de utilización, p. ej. en la selva), y la segunda

alternativa es la energía solar, la cuál sería captada mediante un colector solar tipo CPC.

2. Los problemas presentados en este prototipo son los siguientes:

Durante el proceso de evaporación y condensación del refrigerante este se pierde, es decir

utilizamos “agua nueva” para cada vez que se utilice el refrigerador; esto origina tener al

alcance agua sin residuos sólidos que puedan obstruir los poros de la zeolita, este

escenario que aparentemente no es grave resulta serlo si nos situamos en un escenario

rural (lugares a donde se orienta el uso este equipo).

Página Nº.12

3. Otro defecto es el proceso de regeneración, actualmente y para el desarrollo de nuestras

pruebas experimentales la realizamos en un horno eléctrico, obviamente esto no sería

posible en el escenario rural, este equipo esta diseñado para utilizar en la etapa de

regeneración una cocina tipo parabólica, SK14 sin embargo, experimentos preliminares

con esta cocina solar no permitieron llegar a la temperatura necesaria para regenerar a la

zeolita, además por el diseño de los recipientes de zeolita la transferencia de calor hacia el

grano resulta inapropiado presentándose perdidas considerables por convección por lo

cuál, por el momento, se descarta el uso del concentrador parabólico solar.

AGRADECIMIENTOS

1. Agradecemos al Sr. Nikolaus Himmelstoss (de Altöttingen, Alemania), quien nos donó

dos bombas de vacío 92 W, además de zeolita artificial.

2 . Al Ing. Ricardo Campos quien realizó y obtuvo los valores experimentales para la

construcción de las figuras 6 y 7.

3. Al Estudiante Jafet Camacho Vargas quien realizó y obtuvo los valores experimentales

para la construcción de las figuras 5 y 6.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1]. W.F. Stoecker, “Refrigeración y acondicionamiento de aire”, editorial McGraw-Hill

(1978)

[2]. Threlkeld J.L, “Ingeniería del Ambito Térmico, editorial Prentice Hall internacional

(1973).

[3]. Sergio E. Droguett “Elementos de catálisis heterogénea”, Secretaría General de la

OEA (1983)

[4]. Smart L, Moore E. "Química del estado sólido", Addison Wesley Iberoamericana

(1995).

[5]. Dossat R.J, “Principios de Refrigeración”, decimaquinta reimpresión, compañía

editorial continental, S.A. de CV - México (1995).

Página Nº.13

Página Nº.14

9.- ANEXO FOTOGRAFICO

A6. En la vista se observa la bomba manual y la eléctrica utilizada ensu reemplazo.

A4. Refrigeradora, inicialmente la refrigeradora funcionaba con unabomba manual la que se observa frente al recipiente de zeolita.

A1. Zeolita artificial, posee como porcentaje máximo de adsorción 30 %

A2. Vista de la refrigeradora, se observa el compartimiento hermético, elevaporador en la cubierta y el recipiente de zeolita al lado derecho.

A5. Depósito metálico, contiene 6,250 kg. de zeolita

A3. Vista de la refrigeradora, observese la tapa del recipientedonde va ubicada la zeolita, la tapa se cierra herméticamente paraevitar pérdidas de presión