Diseño y optimización de procesos de refrigeración por absorción y de sistema híbridos compresión-absorción usando fuentes de energía renovables o calor residual de procesos

Importancia – Un desafío continuo de la comunidad científico-tecnológica es promover el desarrollo de procesos más eficientes para reducir los impactos ambientales causados por las actividades de la sociedad. La creciente demanda energética y el comportamiento fluctuante de las reservas de recursos energéticos de origen fósil imponen ahorrar tales recursos tanto como sea posible. Se procuran sistemas que suministren energía más eficientemente y aprovechen fuentes de energía alternativas o calor excedente/residual de procesos en todos los sectores y escalas, desde instalaciones industriales hasta edificios comerciales, públicos y residenciales.
Los sistemas de refrigeración se incluyen entre los procesos demandantes de energía. La refrigeración a temperaturas ‘moderadamente bajas’ y el acondicionamiento de aire tienen un papel importante en la vida humana, que abarca desde la conservación de alimentos hasta el confort térmico (ambientes residenciales, laborales, públicos y hospitalarios). Por su parte, los procesos de enfriamiento a ‘muy bajas temperaturas’ y a ‘extremadamente bajas’ temperaturas (criogénicos) encuentran aplicaciones con fines médicos, especialmente en criobiología y criocirugía, tecnología espacial, refrigeración de electrónica de baja temperatura y, tradicionalmente, en la separación de aire y procesamiento de gas natural. La demanda energética para enfriamiento, refrigeración, acondicionamiento de aire y bombas de calor representa aproximadamente el 30%, lo que contribuye significativamente a la degradación del ambiente y al calentamiento global.

Problemática – La compresión de vapor y la absorción de vapor son los ciclos más utilizados para refrigeración, cada uno con sus ventajas y desventajas. Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor (VCRS) permiten alcanzar los niveles de temperatura de enfriamiento más bajos pero requieren energía de alto grado, como trabajo mecánico obtenido usualmente de fuentes de energía no renovables. Además, estudios han mostrado que los fluidos de trabajo convencionales usados en VCRSs disminuyen el espesor de la capa de ozono y contribuyen al calentamiento global a través del efecto invernadero. Estas dos desventajas de los VCRS han motivado esfuerzos de investigación para mejorar el rendimiento de sistemas de refrigeración por absorción de vapor (ARS) cuando no se requieren niveles de temperatura de enfriamiento muy o extremadamente bajos. Éstos últimos, los ARS, son sistemas impulsados térmicamente que pueden utilizar: calor residual de muy bajo costo, energía solar, biomasa, biogás y energía geotérmica, entre otras fuentes renovables de energía que, en muchos casos, se suministra a costo despreciable. Por otro lado, los fluidos de trabajo empleados en los ARSs no perjudican al medio ambiente, cumpliendo con los Protocolos de Montreal de 1989 y de Kyoto de 1997. Las desventajas de los ARS son sus bajos coeficientes de rendimiento (COP) comparados con VCRSs. Sin embargo, la fluctuación coyuntural de los precios del petróleo y gas, la disponibilidad de calor residual de procesos, la posibilidad de utilizar energía de bajo grado de fuentes alternativas a costo cada vez más bajo (ej., colectores solares más baratos) y consideraciones ambientales, determinan que los ARS sean una alternativa más atractiva que compite cada vez más con los VCRS convencionales (cuando se requieren temperaturas de refrigeración moderadamente bajas o para confort).
Recientemente se comenzaron a estudiar sistemas híbridos de enfriamiento para temperaturas bajas que combinan ciclos de compresión con ciclos de absorción, aprovechando las ventajas comparativas de cada uno. Entre las bondades que presentan estos sistemas híbridos, se destaca la posibilidad de usar una fuente caliente que aproveche energía renovable o calor residual en el ARS (parte superior del ciclo) y que su evaporador actué como condensador en el VCRS (ciclo inferior), además de otras oportunidades de integración térmica de las corrientes de procesos si se diseñan sistemas con múltiple efectos.

Objetivos – Se propone al becario abordar el modelado matemático para síntesis, diseño y operación óptimos de sistemas enfriamiento/refrigeración/acondicionamiento de aire, tanto convencionales como híbridos, que empleen pares de trabajo refrigerante/absorbente en el ciclo de absorción no perjudiciales para el ambiente y que sean impulsados por fuentes de energía renovables de bajo grado o por calor residual o excedente de procesos industriales. El interés abarca distintas escalas y requerimientos de servicios. Metodológicamente, el estudio se abordará desde la perspectiva y métodos de la ingeniería de sistemas de procesos (Process System Engineering), más específicamente, mediante la técnica de formulación y resolución de problemas de Programación Matemática, en base a modelos matemáticos fenomenológicos de las operaciones y procesos unitarios (basados en primeros principios).

Contacto: Dr. Miguel C. Mussati (ra.vo1603862435g.tec1603862435inoc-1603862435efatn1603862435as@ra1603862435gnIsa1603862435ceb1603862435)