Determinación experimental y modelización de propiedades termodinámicas de mezclas de CO2 con absorbentes para refrigeración por compresión/resorción
- Autores: Gisselle Esther Ramírez Ramos
- Directores de la Tesis: Alberto Coronas Salcedo (dir. tes.), Daniel Salavera Muñoz (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Soledad Larrechi García (presid.), Enriqueta R. López Iglesias (secret.), Fatima Ezzahrae M'Hamdi Alaoui (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Termodinámica de Fluidos por la Universidad de Burgos; la Universidad de Santiago de Compostela; la Universidad de Valladolid y la Universidad Rovira i Virgili
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
- español
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].
- català
El present treball té en primer lloc el propòsit d'ampliar la base de dades existent de propietats termodinàmiques de la mescla CO2 / acetona, rellevants per a l'estudi dels sistemes de refrigeració per compressió / resorció, mitjançant la determinació experimental de la pressió de vapor i densitat de mescles de CO2 / acetona en un ampli interval de composició i temperatura. A més, s'han modelitzat les propietats termodinàmiques d'aquesta barreja amb diferents equacions d'estat i regles de mescla, proposant-la de Peng-Robinson amb la regla de mescla de Van der Waals i la funció alfa de Boston-Mathias per presentar menors desviacions respecte els dades experimentals d'equilibri líquid-vapor, densitat, entalpia d'excés i capacitat calorífica. D'altra banda, s'ha realitzat un estudi sobre altres absorbents de CO2, per a sistema de refrigeració per compressió / resorció. Després d'una revisió bibliogràfica, s'han identificat dos líquids iònics com a potencials absorbents per a aquesta aplicació: 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide [emim][NTf2] i 1-Ethylimidazolium Nitrate [EIM][NO3]. A l'ésser les dades de les propietats termodinàmiques disponibles molt escassos, es va decidir realitzar el mesurament de la pressió de vapor en l'interval 283.15 K a 353.15 K i fraccions molars de CO2 inferiors a l'80%. També es va mesurar la densitat de l'[EIM][NO3]. Finalment, per analitzar l'adequació de les mescles estudiades per a aplicacions de refrigeració per compressió / resorció, es presenten, a títol il·lustratiu, els diagrames de Dühring que permeten representar els cicles termodinàmics i conèixer les pressions, temperatures i composicions de la barreja en el cicle . Els resultats mostren que la barreja de CO2 / acetona per a aplicacions de refrigeració a -10ºC i dissipació de calor a 35ºC, la pressió d'alta és de 50 bar, per a una barreja amb una fracció màssica de CO2 de l'70%, mentre que per al CO2/[emim][NTf2] la fracció màssica de CO2 de la barreja és de l'12% i de el 7% pel CO2/[EIM][NO3].
- English
The present work has, in the first place, the purpose of expanding the existing database of thermodynamic properties of the CO2 / acetone mixture, relevant for the study of compression / resorption refrigeration systems, by means of the experimental determination of vapor pressure and density of CO2 / acetone mixtures in a wide range of composition and temperature. In addition, the thermodynamic properties of this mixture have been modeled with different equations of state and mixing rules, proposing the Peng-Robinson with the Van der Waals mixing rule and the Boston-Mathias alpha function for presenting less deviations with respect to the experimental data on liquid-vapor equilibrium, density, excess enthalpy and heat capacity. On the other hand, a study has been carried out on other CO2 absorbents, for a compression / resorption refrigeration system. After a literature review, two ionic liquids have been identified as potential absorbents for this application: 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide [emim] [NTf2] and 1-Ethylimidazolium nitrate [eim] [NO3]. Since the thermodynamic properties data are very scarce, it was decided to measure the vapor pressure in the range 283.15 K to 353.15 K and CO2 molar fractions lower than 80%. The density of [eim] [NO3] was also measured. Finally, to analyze the suitability of the mixtures studied for compression / resorption refrigeration applications, the Dühring diagrams are presented for illustrative purposes, which allow us to represent the thermodynamic cycles and to know the pressures, temperatures and compositions of the mixture in the cycle. . The results show that the CO2 / acetone mixture for refrigeration applications at -10ºC and heat dissipation at 35ºC, the high pressure is 50 bar, for a mixture with a CO2 mass fraction of 70%, while for the CO2 / [emim] [NTf2] the CO2 mass fraction of the mixture is 12% and 7% for CO2 / [eim] [NO3].
- español
