Determinación experimental y modelización de propiedades termodinámicas de mezclas de CO2 con absorbentes para refrigeración por compresión/resorción

Resumen

La refrigeración afronta en la actualidad nuevos retos, con el objetivo de mejorar la sostenibilidad, orientados a reducir tanto el consumo eléctrico como las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas. Entre estos retos está la búsqueda de nuevos refrigerantes más amigables con el medio ambiente, y tecnologías más eficientes. El dióxido de carbono es un refrigerante natural, que ha recobrado protagonismo en el ámbito de la refrigeración, y las bombas de calor para calefacción y climatización. La tecnología de refrigeración por compresión/resorción utilizando mezclas de CO2 con absorbentes se presenta como una solución con mayor eficiencia energética que los sistemas convencionales con CO2. La adición de un absorbente conlleva una reducción sustancial en la presión de alta del ciclo, permitiendo operar en condiciones subcríticas incluso cuando las temperaturas de disipación del calor son elevadas, realizándose los procesos de evaporación y condensación de la mezcla a temperaturas variables lo cual permite reducir las irreversibilidades asociadas a la transferencia de calor. La mezcla de dióxido de carbono/acetona es una mezcla interesante, propuesta en la literatura, pero cuyas propiedades termodinámicas han de ser completadas en composición, temperatura y presión para poder estudiar el funcionamiento de los sistemas de compresión/resorción. Además de otros inconvenientes, como su toxicidad e inflamabilidad, la acetona presenta incompatibilidades con algunos materiales típicos de estos equipos de refrigeración. Por ello, es de gran interés encontrar otros absorbentes que puedan ser adecuados para el CO2 y esta tecnología, lo cual apenas ha sido estudiado en la literatura. El presente trabajo tiene en primer lugar el propósito de ampliar la base de datos existente de propiedades termodinámicas de la mezcla CO2/acetona, relevantes para el estudio de los sistemas de refrigeración por compresión/resorción, mediante la determinación experimental de la presión de vapor y densidad de mezclas de CO2/acetona en un amplio intervalo de composición y temperatura. Además, se han modelizado las propiedades termodinámicas de esta mezcla con distintas ecuaciones de estado y reglas de mezcla, proponiéndose la de Peng-Robinson con la regla de mezcla de Van der Waals y la funcion alfa de Boston-Mathias por presentar menores desviaciones respecto los datos experimentales de equilibrio liquido-vapor, densidad, entalpia de exceso y capacidad calorífica. Por otro lado, se ha realizado un estudio sobre otros absorbentes de CO2, para sistema de refrigeración por compresión/resorción. Tras una revisión bibliográfica, se han identificado dos líquidos iónicos como potenciales absorbentes para esta aplicación: 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide [emim][NTf2] y 1-Ethylimidazolium nitrate [eim][NO3]. Al ser los datos de las propiedades termodinámicas disponibles muy escasos, se decidió realizar la medición de la presión de vapor en el intervalo 283.15 K a 353.15 K y fracciones molares de CO2 inferiores al 80%. También se midió la densidad del [eim][NO3]. Finalmente, para analizar la adecuación de las mezclas estudiadas para aplicaciones de refrigeración por compresión/resorción, se presentan, a titulo ilustrativo, los diagramas de Dühring que permiten representar los ciclos termodinámicos y conocer las presiones, temperaturas y composiciones de la mezcla en el ciclo. Los resultados muestran que la mezcla de CO2/acetona para aplicaciones de refrigeración a -10ºC y disipación de calor a 35ºC, la presión de alta es de 50 bar, para una mezcla con una fracción másica de CO2 del 70%, mientras que para el CO2/[emim][NTf2] la fracción másica de CO2 de la mezcla es del 12% y del 7 % para el CO2/[eim][NO3].