REFRIGERACIÓN POR EYECTO-COMPRESIÓN PRESENTA MC. RAÚL ROMÁN AGUILAR Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos rra@cie.unam.mx jhg@cie.unam.mx SIMA 2009

CONTENIDO Problemática de la industria frigorífica Funcionamiento y variantes de los sistemas de eyecto-compresión Antecedentes de los sistemas de eyecto-compresión Metodología Validación del modelo matemático Resultados Conclusiones Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Problemas de la industria frigorífica INTRODUCCION Problemas de la industria frigorífica Consumo de energía 29-40 % de energía eléctrica consumida en el hogar (FIDE-CONAE 2008) 15 % de electricidad consumida a nivel mundial (PNUMA 2008) Consumo de recursos naturales Elevada contaminación de los fluidos de trabajo Destrucción de la capa de ozono Aumento del efecto invernadero directo Aumento del efecto invernadero indirecto Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Peso mol Tcrítica / ºC ODP GWP REFRIGERANTE FECHA LIMITE 2005 2030 No Definida R11 CFC R12 CFC (1, 8500) R13 R500 R502 R401A HCFC R409A R402A R123 R22 HCFC (0.05, 1700) R134a HFC R404A (R32, R125, R134a) HFC (0, 1700) R507 (125,134a) Nombre Designación Formula Peso mol Tcrítica / ºC ODP GWP tetrafluoroetano R134a CH2FCF3 102.03 101.15 1300 diclorotrifluoroetano R123 CHCL2CF3 152.93 183.68 0.02 93 difluoroetano R152a CH3CHF2 67 113.4 140 Etano R170 C2H6 30.07 32.3 3 Butano R600 C4H10 58.12 152 Isobutano R600a 134.7 Propano R290 C3H8 44.1 96.7

FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE EYECTO-COMPRESIÓN Circuito de potencia Circuito de enfriamiento Generador Condensador Evaporador Bomba Válvula de expansión QGE QCO QEV Eyector Solar Industria

VARIANTES DE LOS SISTEMA EYECTO-COMPRESIÓN CON COMPRESOR AUXILIAR (SIRECA) HIBRIDO CON COMPRESOR AUXILIAR (SIRHEC)

SOLAR Y CON COMPRESOR AUXILIAR (SIRSEC) SOLAR HIBRIDO CON COMPRESOR AUXILIAR (SIRSHECA)

ANTECEDENTES Primeros artículos que describen la composición básica del sistema de eyecto-compresión: Caldwell (1932), Jackson (1936) y Stivens (1940). 1939 Flugel – realiza el primer análisis formal de un eyector. 1942 Keenan y Neumann- desarrollan un modelo matemático del mezclado en un eyector. 1945 Elrod - desarrolla un método simplificado para diseñar del eyector. 1950 Keenan, Neumann y Lustwerk – primer análisis teórico y experimental comprensivo del eyector. 1954 Martynowsky - primera investigación sobre refrigeración mediante eyecto-compresión, propone como fluidos de trabajo al R11 y R12. 1986 Lu - desarrolla un modelo unidimensional considerando 3 regimenes de flujo dentro del eyector mixto, de transición y supersónico. Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

En 2006 inicia la construcción del banco de pruebas. EN EL CIE-UNAM 1992 I. Pilatowsky y M. Sokolov desarrollan los primeros estudios sobre el SIRE con R114. 1993 C. Estrada, I. Pilatowsky, R. Dorantes y R. Best, simulación de pequeños sistemas solares de eyecto-compresión y utilizando el R142b. 1995 J. Hernández inicia el diseño, simulación y evaluación de sistemas solares de refrigeración por eyecto-compresión para la producción de hielo. Utilizando R142b y R134a. Desde 1996 se ha venido trabajando en la simulación de diversos sistemas de refrigeración solar por eyecto-compresión. En 2006 inicia la construcción del banco de pruebas. 2007 R. Roman inicia simulación de estos sistemas con hidrocarburos. En 2008 H. González diseño y evaluación termodinámica del enfriador intermedio de un sistema híbrido por eyecto-compresión (SIRHEC). A finales de 2009 se tendrán resultados experimentales. Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

METODOLOGÍA Infraestructura Computacional Refrigerantes * Condiciones de diseño * Dimensionamiento del eyector * Refrigerante adecuado * Mayor rendimiento (COP) Revisión bibliográfica Experimentación Simulación del sistema de eyecto-compresión Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Revisión bibliográfica Propiedades termodinámicas Refrigerantes orgánicos (R600a,R600,R290,R170) Refrigerantes sistema de eyecto-compresión CFC, HCFC, HFC R134a, R141b Ecuaciones de estado EOS modificada de Benedict Webb Rubin Orgánicos Haidar-7-R600a Lallemand-R600a COP=0.07 Salvaraju-R290 COP=0.36 R600a COP= 0.34 Nehdi- R600 COP=0.3 R290 COP=0.38 Pridasawas- R600, R290 y R600a COP=0.48 Diversos refrigerantes Todas las zonas Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE REFRIGERANTES Ecuación modificada de Benedict Webb Rubin S T o a b c d e f VAPOR LIQUIDO REGION BIFASICA B Trayectoria de integración para determinar S y H

SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE EYECTO-COMPRESION Inicio SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE EYECTO-COMPRESION Datos correspondientes a cada estado del sistema Programa de propiedades termodinámicas Calcula propiedades de cada estado del sistema Solución del sistema de ecuaciones del eyector PCO PGE 1 h PEV P 2 4 3 5r 6 Calcula propiedades faltantes de cada estado NO Termino de calcular? SI Resultados Fin

Criterios para el diseño y construcción del banco de pruebas Pruebas experimentales controladas de los diferentes sistemas de refrigeración por eyecto-compresión : Sistema de enfriamiento por eyecto-compresión, SIRECA, SIRHEC, SIRSEC Y SIRSHECA. Selección de cada componente (tubería, válvulas, accesorios, etc. ) Instrumentar adecuadamente el banco de pruebas. Calibrar cada instrumento de medición. Obtener datos de las principales variables P, T, flujo (frecuencias). Pruebas controladas sobre el eyecto-compresor, para obtener y corroborar curvas de funcionamiento. Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Banco de Pruebas para sistemas de refrigeración por eyecto-compresión Laboratorio de Refrigeración CIE-UNAM Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Calentamiento del refrigerante Carga de refrigerante Calentamiento del refrigerante Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Circuito de recirculación Bomba – Sensor de flujo Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Intercambiadores de calor Sensores Presión y Temperatura tipo placas Sensores Presión y Temperatura Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Sistema de adquisición de datos Apoyo por parte de Estudiantes * Selección de equipo. * Calibración de sensores de Temperatura. * Calibración de sensores de Presión. * Conexión de instrumentación * Programación para adquisición de datos. * Conexión de equipos auxiliares. Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

VALIDACIÓN Datos Yapici et al. -2008- * Refrigerante R123 * Eficiencia difusor 0.9 * Dimensiones de los eyectores * Temperaturas de trabajo * Lm 5mm * COP Sistema de ecuaciones del eyector obtenidas a partir del modelo de Lu. 1986.

RESULTADOS Algunos datos importantes QGE, QCO, Wb, FF, he Resultados SIRE funcionando con R123 (a) Este trabajo (b) Yapici et al. (2008) Algunos datos importantes QGE, QCO, Wb, FF, he Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Gráfica de f contra TGE, trabajando el sistema con 3 HC, 2 HFC y 1 HCFC Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Gráfica de COP contra TGE, trabajando el sistema con 3 HC, 2 HFC y 1 HCFC Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Gráfica de COP contra TCO, trabajando el sistema con 3 HC, 2 HFC y 1 HCFC Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

Gráfica de COP contra TEV, trabajando el sistema con 3 HC, 2HFC y 1 HCFC Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

CONCLUSIONES Desarrollo de un programa de computo para obtener las propiedades termodinámicas de distintos refrigerantes con errores menores al 1%. Implementación de un programa de computo en C que simula el sistema de enfriamiento por eyecto-compresión. Validación del sistema con datos experimentales publicados, obteniendo errores menores al 6% Simulación del sistema de enfriamiento variando paramétricamente las temperaturas TGE, TCO y TEV trabajando con Butano, Isobutano, Propano, R152a, R123 y R134a como refrigerantes, para obtener los datos de diseño del equipo y el refrigerante adecuado. Del análisis de resultados se desprende que de los refrigerantes utilizados el R290 es el mejor para utilizarse en estos sistemas. Esta por concluir el armado del banco de pruebas. Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009

GRACIAS POR SU ATENCIÓN Los conceptos y principios fundamentales de la ciencia son invenciones libres del espíritu humano (Albert Einstein) rra@cie.unam.mx jhg@cie.unam.mx Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos SIMA 2009