Ciclos combinados: Introducción y cálculo de rendimiento

Funcionamiento del ciclo de absorción reversible en bombas de calor con solución de amoniaco y agua, a llama directa de gas combustible.

El ciclo que se describe a continuación es el empleado por las unidades de la serie GAHP de la marca ROBUR distribuidas por ABSORSISTEM y que utilizan como energía combustibles gaseosos (gas natural o GLP). El ciclo que se describe en este apartado es el que corresponde al modelo GAHP AR que ofrece la peculiaridad de ser el único reversible con tecnología de absorción y que por lo tanto permite suministrar agua refrigerada para climatización en verano o agua caliente con una elevadísima eficiencia térmica para calefacción. En este apartado solo se explica el ciclo termodinámico reversible, por lo que se recomienda navegar por los apartados específicos de ROBUR en este mismo portal para acceder a las especificaciones del producto.
El fluido utilizado en este ciclo de refrigeración, es una solución de agua y amoniaco (NH₃), siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el absorbente. Una importante ventaja es que los agentes utilizados en la solución son totalmente inocuos para el medio ambiente.  El ciclo aprovecha la gran afinidad del amoniaco con el agua, utilizado aquel como agente frigorífico dado que es fácilmente absorbido por esta.  El NH₃ es el más tradicional de los refrigerantes inorgánicos conociéndose como tal con la denominación de R-717.
Para explicar el funcionamiento del ciclo de refrigeración, seguiremos el curso de los fluidos y sus cambios de estado en el gráfico de la figura 1.  Empezando el proceso en el  generador, situado en el lado izquierdo del gráfico, vemos que éste es un recipiente de acero en cuyo interior se encuentra la solución de agua y amoniaco la cual recibe el calor aportado por el quemador de gas alcanzando una presión entre 14 y 24 bar y una temperatura del orden de 180ºC. En estas condiciones, la solución hierve separándose vapor con un elevada concentración de amoniaco (denominada solución concentrada o fuerte) mientras el resto de la solución permanece en estado líquido pero con baja concentración de amoniaco puesto que la mayor parte de este se ha evaporado. Esta es la llamada solución diluida o pobre.

Figura 1 [Clic para ampliar]

El vapor pasa a través del rectificador donde el contenido de agua es separado del amoniaco  por condensación al contacto del serpentín por cuyo interior circula solución a una temperatura inferior al punto de rocío del vapor de agua en estas condiciones. El vapor de amoniaco depurado del agua, sale del rectificador a  una temperatura aproximada de 75ºC y a una presión de unos 19 bar, dirigiéndose ahora hacia la válvula de 14 vías de inversión de ciclo, que dirigirá el fluido hacia donde corresponda según esté en modo de refrigeración o de calefacción.
Desde este punto seguiremos en primer lugar el recorrido del amoniaco y la solución en modo de refrigeración (ver figura 1) y posteriormente se seguirá el que corresponde en modo de calefacción (ver figura 3).
En modo de refrigeración, el vapor de amoniaco entra en la válvula inversora por la boca 1 (ver figura 2) y es conducido hacia la boca 2 que lo envía al condensador consistente en una  batería de tubo aleteado por cuya superficie circula aire del ambiente exterior forzado por un ventilador situado en la parte superior del espacio delimitado por la batería, lo que provoca el enfriamiento y condensación del amoniaco. A la salida del condensador, el amoniaco líquido accede a la válvula inversora a través de la boca 3 siendo conducido a la boca de salida 4.  Desde este punto, atraviesa por el espacio exterior de un intercambiador de calor del tipo tubo en tubo, cediendo calor al flujo de vapor de amoniaco que circula en contracorriente por el tubo interno del intercambiador, procedente del evaporador como veremos más adelante. Una vez efectuado este intercambio térmico, accede de nuevo a la válvula inversora por la boca 5 para salir simultáneamente por las bocas 6 y 7 para entrar en los circuitos del evaporador a través de unos restrictotes que reducen su presión a 4 bar lo que provoca su evaporación a una temperatura de 4°C obteniendo el calor latente de evaporación del líquido que circula por el lado secundario del evaporador y que se distribuirá por la instalación del usuario.  Este líquido, generalmente agua, sale a una temperatura nominal de 7°C entrando a 12°C.  A la salida del evaporador, el amoniaco de nuevo en fase gaseosa, entra en la válvula inversora por las bocas 8 y 9 para ser conducido a la salida por la boca 10 atravesando a continuación el lado interno del intercambiador tubo en tubo al que nos referíamos anteriormente, obteniendo el calor cedido por el amoniaco líquido y elevando su temperatura a unos 32°C.
En estas condiciones el vapor de amoniaco entra en el pre-absorbedor al que llega también la solución acuosa (la que denominamos diluida o pobre) procedente directamente del generador después de atravesar un restrictor de manera a reducir su presión a 4 bar, igual a la del vapor de amoniaco.  En éste dispositivo, en el cual se halla también un serpentín por el que circula solución rica a una temperatura de unos 105ºC como veremos más adelante, el vapor de amoniaco empieza a ser absorbido por el agua debido a su afinidad y calentado a unos 85ºC para dirigirse seguidamente hacia la boca 11 de la válvula de inversión, saliendo de ésta por la boca 12 hacia el absorbedor propiamente dicho. Este último está formado, al igual que el condensador, por una batería de tubos aleteados por cuyo interior circula la solución rica y por el exterior el aire ambiente forzado por el ventilador.  A lo largo del recorrido por el interior del absorbedor, el amoniaco es íntegramente absorbido por el agua y el excedente de calor a sustraer para permitir el proceso de absorción, es disipado en el aire exterior.  Restablecido el estado líquido de la solución rica, esta pasa a través de las bocas 13 y 14 de la válvula de inversión, para ser aspirada por la bomba de solución a una temperatura de 44ºC.  A esta temperatura, es impulsado por la bomba de solución hacia el serpentín del rectificador donde, como hemos visto, provoca la condensación del agua y al mismo tiempo obtiene calor de ella y del vapor de amoniaco caliente que procede del generador aumentando su temperatura hasta 105ºC.  El próximo paso es circular por el interior del serpentín del pre-absorbedor al que nos hemos referido anteriormente, para volver finalmente al generador donde el ciclo empieza de nuevo.
En modo de calefacción (ver figura 3),

Figura 3 [Clic para ampliar]

el vapor de amoniaco procedente del generador y el rectificador, entra en la válvula inversora por la boca 1 (ver figura 4) y es conducido hacia la boca 2 que lo envía hacia el intercambiador de calor que antes actuaba como evaporador pero que ahora  trabaja como condensador.  El agua de la instalación que circula por el lado secundario de dicho intercambiador de calor, enfría el vapor de amoniaco lo que provoca su condensación y el calor adquirido en este intercambio térmico eleva la temperatura del agua para que pueda ser utilizada en el circuito de calefacción del usuario. A continuación, el amoniaco líquido traspasa la válvula de inversión entrando en ella por la boca 3 para salir por la 4 para dirigirse al intercambiador de calor del tipo tubo en tubo, donde cede calor al flujo de vapor de amoniaco frío que circula en contracorriente por el tubo interior del intercambiador. Acto seguido, el líquido enfriado entra de nuevo en la válvula de inversión por la boca 5 dividiéndose el flujo hacia las bocas 6 y 7 que lo conducen a las dos baterías exteriores de tubo aleteado que antes servían de condensador y absorbedor respectivamente y que ahora trabajaran ambas como evaporador ya que es donde se evaporará el amoniaco al ser reducida su presión al entrar en ellas.  El calor necesario para pasar del estado líquido al de vapor, lo obtendrá del aire de la atmósfera exterior que barre las baterías por la acción del ventilador.  Este calor gratuito se incorpora al ciclo y es lo que permite elevar drásticamente la eficiencia del equipo. El vapor de amoniaco a la salida de las baterías evaporadoras, se reunirá de nuevo al acceder a la válvula inversora por las bocas 8 y 9 para salir de ella por la 10.  Este vapor frío procedente del evaporador pasará a continuación por el tubo interior del intercambiador de calor tubo en tubo, enfriando el líquido que circula por el exterior de aquel como hemos visto anteriormente y por lo tanto incorporando su calor  al vapor cuya temperatura se eleva hasta aproximadamente 32°C. 
En estas condiciones el vapor de amoniaco, al igual que en el modo de refrigeración, entra en el pre-absorbedor al cual llega también la solución acuosa (la que denominamos diluida o pobre) procedente directamente del generador después de atravesar un restrictor de manera a reducir su presión a 4 bar, igual a la del vapor de amoniaco.  En éste dispositivo, en el cual hay el serpentín por el que circula solución rica a una temperatura de unos 105ºC, el vapor de amoniaco empieza a ser absorbido por el agua debido a su afinidad y calentado a unos 85ºC para dirigirse seguidamente hacia la boca 11 de la válvula de inversión, saliendo de ésta por la boca 12 hacia el segundo circuito primario del intercambiador de calor donde parte del calor contenido en la solución líquida procedente del pre-absorbedor y también el generado al completarse el ciclo de absorción del amoniaco por parte del agua, es transmitido al agua del circuito de utilización para calefacción.  Así pues, el agua de la instalación de calefacción recibe en este recipiente, que en verano sirve de evaporador, primero el calor obtenido de la combustión del gas transportado hasta él como vapor y cedido por condensación del mismo y  ahora en este segundo circuito, el calor gratuito del aire exterior adquirido en las baterías evaporadoras y transmitido aquí por la solución rica en fase de absorción.  Esto permite alcanzar una eficiencia energética muy elevada que alcanza, en condiciones nominales de temperatura exterior de 7°C, el 143% respecto a la energía del gas consumido.
A la salida de este circuito absorbedor, con el amoniaco ya totalmente absorbido por el agua, la solución rica traspasa de nuevo la válvula inversora por las bocas 13 y 14 para dirigirse, al igual que en el modo de refrigeración, hacia la bomba de solución que la enviará al rectificador para provocar la condensación del vapor de amoniaco, para pasar luego por el serpentín interno del preabsorbedor y desde él volver a iniciar el ciclo en el generador.
Por otra parte, cuando en funcionamiento invernal se forma hielo en la batería evaporadora exterior, una válvula de oportunamente situada en el circuito permite aportar vapor de amoniaco caliente a la línea de líquido para asegurar el desescarche sin apoyos externos ni inversiones de ciclo como sucede con el ciclo de compresión, lo que permite el funcionamiento continuo de la unidad con temperaturas exteriores de hasta -20°C.