Uso de pares de sustancia de trabajo para bombas de calor de absorción, máquinas frigoríficas de absorción y transformadores de calor.

Uso de un par de sustancia de trabajo, que contiene

A) una sustancia de trabajo,

seleccionada de agua, metanol o amoniaco

B) al menos un líquido iónico,

siendo el líquido iónico una sal de fórmulas generales I, I o III

B1)[A]n+ [Y]n- (I)

en la que n representa 1, 2, 3 ó 4, [A]+ representa un catión de amonio cuaternario, un catión de oxonio, uncatión de sulfonio o un catión de fosfonio e [Y]n- representa un anión mono-, di-, tri- o tetravalente;

B2) sales mixtas de fórmulas generales (II)

[A1]+[A2]+ [Y]2- (IIa);

[A1]+[A2]+[A3]+ [Y]3- (IIb);

o

[A1]+[A2]+[A3]+[A4]+ [Y]4- (IIc),

en las que [A1]+, [A2]+, [A3]+ y [A4]+ se seleccionan independientemente entre sí de los grupos mencionadospara [A]+ e [Y]n- tiene el significado mencionado en B1); o

B3) sales mixtas de fórmulas generales (III)

[A+]+[A2]+[A3]+[M1]+ [Y]4- (IIIa);

[A1]+[A2]+[M1]+[M2]+[Y]4- (IIIb);

[A1]+[M1]+[M2]+[M3]+ [Y]4- (IIIc);

[A1]+[A2]+[M1]+ [Y]3- (IIId);

[A1]+[M1]+[M2]+ [Y]3- (IIIe);

[A1]+[M1]+ [Y]2- (IIIf);

[A1]+[A2]+[M4]2+ [Y]4- (IIIg);

[A1]+[M1]+[M4]2+ [Y]4- (IIIh);

[A1]+[M5]3+ [Y]4- (IIIi);

o

[A1]+[M4]2+ [Y]3- (IIIj)

en las que [A1]+, [A2]+ y [A3]+ se seleccionan independientemente entre sí de los grupos mencionados para[A]+, [Y]n- tiene el significado mencionado en B1) y [M1]+, [M2]+, [M3]+ significan cationes metálicosmonovalentes, [M4]2+ cationes metálicos bivalentes y [M5]3+ cationes metálicos trivalentes;

o mezclas de los mismos

en bombas de calor de absorción, máquinas frigoríficas de absorción y transformadores de calor basadosen absorción.

Uso de pares de sustancia de trabajo para bombas de calor de absorción, máquinas frigoríficas de absorción y transformadores de calor

La presente invención se refiere a véanse 1a - 1b.

Los circuitos de absorción ofrecen en principio posibilidades excelentes para el aprovechamiento energético racional en el calentamiento y enfriamiento así como en la recuperación de calor, siendo necesario sólo una utilización mínima de energía eléctrica de alta calidad para hacer funcionar bombas de líquidos.

Usos especialmente útiles y prometedores de esta técnica se encuentra en la climatización de edificios por medio de energías regenerativas tales como energía solar o geotermia y en el aprovechamiento o la recuperación de calor de escape de una pluralidad de procesos técnicos.

Pueden diferenciarse dos variantes de circuitos:

1. bombas de calor de absorción (AWP, del alemán Absorptionswärmepumpen) y máquinas frigoríficas de absorción (AKM, del alemán Absorptionskältemaschinen) . En esta variante de procedimiento se suministra calor a un nivel de temperatura elevado (calor de accionamiento) al proceso cíclico, se emite calor a un nivel de temperatura medio (calor de calentamiento) y se toma calor del entorno en el caso de un nivel de temperatura bajo (enfriamiento del entorno) . Las AWP y AKM se diferencian sólo por los diferentes niveles de temperatura a los que se toma calor del entorno y por consiguiente se produce un enfriamiento en el entorno, es decir se genera “frío”.

2. Transformador de calor de absorción (AWT) . En esta variante de procedimiento se acopla un calor que se produce a un nivel de temperatura medio en el proceso cíclico, transformándose una parte del mismo a un nivel de temperatura superior y emitirse como calor útil. La otra parte del calor suministrado se emite en un nivel de temperatura al entorno.

Los niveles de temperatura típicos para procesos de absorción pueden calcularse de la siguiente manera:

- temperatura superior 80 - 150ºC

- temperatura media 50 - 80ºC

- temperatura inferior -20 - 20ºC (temperaturas inferiores a los 0ºC sólo en el caso de los AWP) . Los procesos de absorción para la transformación de calor se conocen desde hace más de 100 años y se han realizado a nivel industrial (por ejemplo documentos US 3.638.452, US 3.626.716, DE 101 003 95) . A pesar de ello

no se ha conseguido hasta la fecha el éxito para esta técnica, aunque el uso de un par de sustancia de trabajo, que contiene A) una sustancia de trabajo, seleccionada de agua, metanol o amoniaco B) al menos un líquido iónico, siendo el líquido iónico una sal de fórmulas generales I, I o III B1)

[A]n+[Y]n- (I)

en la que n representa 1, 2, 3 ó 4, [A]+ representa un catión de amonio cuaternario, un catión de oxonio, un catión de sulfonio o un catión de fosfonio e [Y]n- representa un anión mono-, di-, tri- o tetravalente; B2) sales mixtas de fórmulas generales (II)

[A1]+[A2]+ [Y]2- (IIa) ;

[A1]+[A2]+[A3]+ [Y]3- (IIb) ; o [A1]+[A2]+[A3]+[A4]+ [Y]4- (IIc) , en las que [A1]+ [A2]+ [A3]+ y [A4]+ se seleccionan independientemente entre sí de los grupos mencionados para [A]+ e [Y]n- tiene el significado mencionado en B1) ; o B3) sales mixtas de fórmulas generales (III)

[A+]+[A2]+[A3]+[M1]+ [Y]4- (IIIa) ;

[A1]+[A2]+[M1]+[M2]+ [Y]4- (IIIb) ;

[A1]+[M1]+[M2]+[M3]+ [Y]4- (IIIc) ;

[A1]+[A2]+[M1]+ [Y]3- (IIId) ;

[A1]+[M1]+[M2]+ [Y]3- (IIIe) ;

[A1]+[M1]+ [Y]2- (IIIf) ;

[A1]+[A2]+[M4]2+ [Y]4- (IIIg) ;

[A1]+[M1]+[M4]2+ [Y]4- (IIIh) ;

[A1]+[M5]3+ [Y]4- (IIIi) ; o [A1]+[M4]2+ [Y]3- (IIIj) en las que [A1]+ [A2]+ y [A3]+ se seleccionan independientemente entre sí de los grupos mencionados para [A]+, [Y]ntiene el significado mencionado en B1) y [M1]+, [M2]+, [M3]+ significan cationes metálicos monovalentes, [M4]2+ cationes metálicos bivalentes y [M5]3+ cationes metálicos trivalentes;

o mezclas de los mismos en bombas de calor de absorción, máquinas frigoríficas de absorción y transformadores de calor basados en absorción precisamente como consecuencia de la creciente discusión de la problemática de la energía y del clima se busca de manera reforzada según métodos útiles del insumo energético racional.

El motivo principal para ello es la ausencia de pares de sustancia de trabajo (sustancia de trabajo fácilmente volátil – medio de absorción) eficaces desde el punto de vista técnico, inofensivos y con seguridad de funcionamiento para este tipo de procesos.

En una pluralidad de trabajos de investigación se han estudiado experimentalmente una y otra vez nuevos posibles pares de sustancia de trabajo así como se han modelizado y simulado procesos con los datos de mezcla determinados (véanse para ello D. Seher, Forschungsberichte des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins, n.º 16, 1985; R. Hengerer, Dissertation Universität Stuttgart, 1991; A.O. Genssle, Fortschritt-Berichte VDI, serie 19, n.º 130, VDI Verlag 2001; A.D. Lucas et al., Int. Journal of Refrigeration 27 (2004) 324 - 330) .

Los criterios para pares de sustancia de trabajo óptimos para bombas de calor de absorción, máquinas frigoríficas de absorción y transformadores de calor pueden formularse según la bibliografía mencionada anteriormente de la siguiente manera:

- no tóxico y no explosivo

- resistencia química hasta aproximadamente 150ºC

- elevada entalpía de evaporación del agente de trabajo, tal como por ejemplo agua

- elevada solubilidad del agente de trabajo en el medio de absorción

- clara reducción de la presión de vapor del agente de trabajo al disolverlo en el medio de absorción

- presión de vapor muy reducida del medio de absorción

- miscibilidad lo más completa posible del agente de trabajo y del medio de absorción

- buena conductividad térmica del agente de trabajo y del medio de absorción

- viscosidad reducida del medio de absorción y de la mezcla de agente de trabajo y medio de absorción

- ni el agente de trabajo ni el medio de absorción pueden ser corrosivos.

Para el funcionamiento práctico de instalaciones de absorción hasta la fecha sólo han tenido éxito en última instancia dos sistemas de sustancias (pares de sustancia de trabajo) , concretamente bromuro de litio - agua tal como se da a conocer en el documento EP 0012856, y amoniaco - agua, usándose este último principalmente en AKM. Todos los pares de sustancias con componentes orgánicos estudiados hasta la fecha se descartaron por motivos técnicos, ecológicos o relevantes para la seguridad. El documento DE 3623680 da a conocer otro medio de absorción no iónico.

Sin embargo, los dos sistemas de sustancias usados principalmente tienen también desventajas graves.

Así en el circuito de absorción en el caso del sistema de sustancias amoniaco-agua debido a la volatilidad del medio de absorción agua es necesario un rectificador para la separación casi completa de ambas sustancias, que reduce la eficacia global del proceso. Además la presión necesaria para condensar el amoniaco es relativamente elevada, de modo que la instalación debe diseñarse correspondientemente de manera estable a la presión.

El par de sustancia de trabajo bromuro de litio - agua presenta, como todos los sistemas que contienen sales inorgánicas, una laguna de miscibilidad marcada. En el caso de niveles de temperatura inferiores demasiados bajos la sal puede cristalizar a partir de la disolución y dañar la instalación mediante la obstrucción de conductos, válvulas y bombas. Para evitar este caso, sólo se toma poca agua de la disolución, para no aumentar demasiado la concentración del bromuro de litio. De este modo disminuye la amplitud de emisión de gas y reduce de este modo la eficacia de la instalación. Además de este efecto el rendimiento del aparato se reduce adicionalmente porque debe transportarse y enfriarse relativamente mucha agua como disolvente para el medio de absorción entre el eyector y el absorbedor. Además la disolución acuosa concentrada de bromuro de litio es muy corrosiva a temperaturas elevadas, lo que obliga al uso de materiales de construcción especiales. A.D. Lucas et al. (Int. Journal of Refrigeration 27 (2004) 324 - 330) proponen por tanto el uso de una mezcla de sales de bromuro de litio y formiato de potasio para reducir este problema. Sin embargo, con esto sólo pueden reducirse dichos problemas en unos límites estrechos. Este sistema tampoco ha tenido éxito en la práctica.

Las desventajas de los pares de sustancia de trabajo estudiados hasta la fecha consisten esencialmente en una absorción escasa... [Seguir leyendo]

1. Uso de un par de sustancia de trabajo, que contiene A) una sustancia de trabajo, seleccionada de agua, metanol o amoniaco B) al menos un líquido iónico, siendo el líquido iónico una sal de fórmulas generales I, I o III B1)

[A]n+ [Y]n- (I)

en la que n representa 1, 2, 3 ó 4, [A]+ representa un catión de amonio cuaternario, un catión de oxonio, un catión de sulfonio o un catión de fosfonio e [Y]n- representa un anión mono-, di-, tri- o tetravalente; B2) sales mixtas de fórmulas generales (II)

[A1]+[A2]+ [Y]2- (IIa) ;

[A1]+[A2]+[A3]+ [Y]3- (IIb) ; o [A1]+[A2]+[A3]+[A4]+ [Y]4- (IIc) ,

en las que [A1]+, [A2]+, [A3]+ y [A4]+ se seleccionan independientemente entre sí de los grupos mencionados para [A]+ e [Y]n- tiene el significado mencionado en B1) ; o B3) sales mixtas de fórmulas generales (III)

[A+]+[A2]+[A3]+[M1]+ [Y]4- (IIIa) ;

[A1]+[A2]+[M1]+[M2]+[Y]4- (IIIb) ;

[A1]+[M1]+[M2]+[M3]+ [Y]4- (IIIc) ;

[A1]+[A2]+[M1]+ [Y]3- (IIId) ;

[A1]+[M1]+[M2]+ [Y]3- (IIIe) ;

[A1]+[M1]+ [Y]2- (IIIf) ;

[A1]+[A2]+[M4]2+ [Y]4- (IIIg) ;

[A1]+[M1]+[M4]2+ [Y]4- (IIIh) ;

[A1]+[M5]3+ [Y]4- (IIIi) ; o [A1]+[M4]2+ [Y]3- (IIIj) en las que [A1]+, [A2]+ y [A3]+ se seleccionan independientemente entre sí de los grupos mencionados para [A]+, [Y]n-tiene el significado mencionado en B1) y [M1]+, [M2]+, [M3]+ significan cationes metálicos monovalentes, [M4]2+ cationes metálicos bivalentes y [M5]3+ cationes metálicos trivalentes;

o mezclas de los mismos en bombas de calor de absorción, máquinas frigoríficas de absorción y transformadores de calor basados en absorción.

2. Uso según la reivindicación 1, caracterizado porque el líquido iónico es líquido en un intervalo de temperatura de desde -20 hasta 200ºC, preferiblemente de desde 0 hasta 180ºC y especialmente preferible de desde 20 hasta 150ºC.

3. Uso según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la sustancia de trabajo y el líquido iónico son miscibles en el intervalo de temperatura de desde -20 hasta 200ºC, de manera especialmente preferible de desde -5 hasta 150ºC.

4. Uso según la reivindicación 3, caracterizado porque la sustancia de trabajo y el líquido iónico son miscibles en el intervalo de temperatura de desde -60 hasta 100ºC, de manera especialmente preferible de -40 a 50ºC.

5. Uso según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la sustancia de trabajo es agua.

6. Uso según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la sustancia de trabajo es amoniaco.

7. Uso según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque las bombas de calor de absorción,

máquinas frigoríficas de absorción y transformadores de calor contienen un licuefactor, un miembro de expansión, una caldera de ebullición y un absorbedor.