Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables

Presentación del tema: "Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables"— Transcripción de la presentación:

1 Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables
CETER Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables ANALISIS DEL COEFICIENTE DE DESEMPEÑO DE UNA BOMBA DE CALOR DE EXPANSION DIRECTA CON ENERGIA SOLAR Francis B. Gorozabel Chata1, Tania Carbonell Morales2 1 Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Técnica de Manabí, Portoviejo- Ecuador 2 Centro de Estudios de Tecnologías Energéticas Renovables, Universidad Tecnológica de la Habana.

2 Bomba de calor convencional con asistencia de energía solar (BCAES)
CETER. . 1. Introducción Idea Fuerza: Que es una BCAES- BCAES-EI? Una BCAES es la tecnología de calentamiento de agua que combina un SCCS con una BC con la finalidad de mejorar su rendimiento térmico EL SCCS se divide en dos circuitos. El primer circuito formado por el colector, el intercambiador de calor, y la bomba; el objetivo de este primer circuito es transferir la energía adquirida en el colector solar a través del intercambiador de calor hasta el tanque utilizando una bomba. Este circuito generalmente utiliza anticongelante; que evitan problemas de congelamiento en las tuberías del colector en inviernos muy severos con temperaturas muy bajas. El segundo circuito se encuentra entre el tanque de almacenamiento y el intercambiador de calor con el propósito de transferir el calor hasta el tanque de almacenamiento. En una BCAES-EI la energía solar captada por el fluido del colector es usada a través del tanque de almacenamiento para evaporar el refrigerante en la bomba de calor. Bomba de calor convencional con asistencia de energía solar (BCAES) UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

3 Figura 2: Ciclo básico de compresión de vapor
CETER. . Figura 2: Ciclo básico de compresión de vapor Figura 3: Diagrama T-s de un ciclo básico de compresión de vapor El proceso 4-1 es absorción de calor a presión constante en un panel evaporador/colector. El proceso 1-2 es compresión isentrópica en un compresor. El proceso 2-3 es rechazo de calor a presión constante en un condensador. El proceso 3-4 es estrangulamiento en un dispositivo de expansión. En sistemas reales existe una caída de presión en el evaporador y condensador, y el proceso de compresión 1-2 normalmente no es isentrópico. UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

4 CETER. . Que es una BCAES-ED? Una tecnología con mucho potencial que aún no logra desarrollarse comercialmente. En el concepto de ED el circuito intermedio es eliminado y el refrigerante es circulado directamente a través del colector solar, de este modo las funciones del colector y evaporador son combinados en una unidad. Ventajas: Una BCAES-ED emplea menos componentes, tendremos una reducción en el costo de construcción. Este sistema es conveniente cuando se emplean colectores desnudos. Debido a la eliminación del circuito intermedio, también se mejora la eficiencia termodinámica del sistema. El desafío real de una BCAES-ED es mantener la diferencia de temperatura entre el colector/evaporador solar y el medio ambiente en un rango de 0 a l0 grados C Bomba de calor de expansión directa con asistencia de energía solar (BCAES-ED) UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

5 Panel Colector/evaporador
CETER. . Panel Colector/evaporador Que es el panel colector/evaporador? El fluido de trabajo es un refrigerante, el cual se expande en un panel colector/evaporador por donde pasa a una fase de transición de líquido a vapor debido a la ganancia de energía solar. Una configuración básica de una BCAES-ED opera en un ciclo mecánico de compresión de vapor. El colector solar funciona como evaporador de la BC El refrigerante se evapora cuando circula en el colector Amin, Z.M., Hawlader, M.N.A., and Shaochum, Y. "Analysis and Modeling of Solar Evaporator-Collector". IIUM Engineering. 2015, vol. 16, nº 2 p UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

6 CETER. . Objetivo del Trabajo: Determinar el efecto que tienen la temperatura de evaporación del refrigerante, la temperatura ambiental, la temperatura del plato y el área del colector solar en el rendimiento térmico de una BCAES-ED para condiciones climáticas de Ecuador. Ideas Fuerza: Estudios analíticos, numéricos y experimentales han sido ampliamente desarrollados por los investigadores con la finalidad de caracterizar el desempeño térmico de una BCAES- ED, obteniéndose el COP en un rango de 1,5 a 9 para diferentes configuraciones y condiciones climáticas de países ubicados en diversas partes del mundo como Estados Unidos, Irán, India, Singapur, España, Italia, China, entre otros. UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

7 Vista lateral de la estación experimental
CETER. . 2. Métodos y materiales Un condensador tipo tanque, capacidad 250 litros de agua a una temperatura de 45 °C, formado en su parte interior por una espiral de cañería de 9.52 mm de diámetro por donde se condensa un refrigerante. El tanque es aislado térmicamente con 50 mm de poliuretano expandido para evitar perdidas por transferencia de calor. Un evaporador/colector solar de tipo desnudo, con una lámina de cobre de 1 mm de espesor en el cual se fija en la parte posterior una tubería de cobre de 9.52 mm, este conjunto se encuentra aislado por poliuretano expandido en su parte inferior. Una unidad de compresión que trabaja con R-12 como fluido refrigerante y esta acoplado a un motor eléctrico de corriente alterna que consta de dos poleas de diámetros distintos que sirven para aumentar y disminuir las revoluciones del motor. Una válvula de expansi6n de ¼ tonelada. Vista lateral de la estación experimental UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

8 Bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar [4]
CETER. . Bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar [4] 1. Estructura metálica formada por ángulos y tubos soldados y empernados. 2. Un termómetro digital con un rango de -15 a 150 °C para observar la temperatura del agua en el tanque. 3. Un recibidor de líquido el cual recepta líquidos arrastrados en el compresor. 4. Un visor de humedad ubicada en la línea de liquido. 5. Un manómetro de baja presión Tres manómetros de alta presión. 7. Una válvula de expansión de 1/4 tonelada Un motor eléctrico de 2 HP, monofásico. 9. Llaves de paso tipo globo de 3/8 pulg Neplos y codos de conexi6n. 11. Interruptor de encendido para el motor Cañería de conducción para el líquido refrigerante Diagrama esquemático de la bomba de calor de expansión directa con energía solar UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

9 Componentes Especificaciones Colectores Compresor Condensador/
CETER. . Componentes Especificaciones Colectores Área. - Cada colector, 1.5 m2, total 3 m2. Plato absorbedor: Material cobre, espesor 1.0 mm. Tratamiento de la superficie del plato: Pinturas negro mate, absorvidad 90% y emisividad 0.9. Cañerías: material cobre, diámetro exterior 9.52 mm, diámetro interior 8 mm, espacio entre tubos 100 mm. Material de aislamiento: Poliuretano expandido, espesor 50 mm. Compresor Diámetro del cilindro m. Carrera m Espacio muerto 3-ll x l0-3 m. Numero de cilindros: 2. Condensador/ tanque de agua Capacidad 250 litros de agua. Material de aislamiento: Poliuretano expandido, espesor 50 mm UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

10 Parámetros de desempeño del sistema
CETER. . Parámetros de desempeño del sistema El rendimiento térmico de una bomba de calor es caracterizado por el coeficiente de desempeño COPH definido: 𝑪𝑶 𝑷 𝑯 = 𝑸 𝑯 𝑾 𝒄 (1) Donde Wc es la potencia de ingreso del compresor y QH es el flujo de calor entregado. Aplicando ecuaciones de balance de energía de estado estable para el compresor no isentrópico y para el condensador tenemos: 𝑪𝑶𝑷 𝑯 = 𝒉 𝟐 − 𝒉 𝟑 𝒉 𝟐 − 𝒉 𝟏 (2) Donde h1 es la entalpia de vapor saturado, h3 es la entalpia de líquido saturado a presión de condensación y h2 es la entalpia del vapor sobrecalentado a la presión de condensación a altas temperaturas UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

11 La ganancia de energía útil del colector/evaporador es igual a:
CETER. . La ganancia de energía útil del colector/evaporador es igual a: 𝑸 𝒖 =𝑭 ′ 𝑨 𝒄 𝑺 𝝉𝜶 − 𝑼 𝑳 ( 𝑻 𝒇 − 𝑻 𝒂 ) (3) Donde 𝑸 𝒖 es la ganancia de calor en W, 𝑨 𝒄 el área del colector, en m2, 𝑭 ′ es el Factor de eficiencia del colector, 𝑺 es la Radiación solar instantánea en W/m2, 𝝉 es el Coeficiente de transmisión del colector, 𝜶 es el Coeficiente de absorción del colector, 𝑼 𝑳 es el Coeficiente global de perdida de calor en N/m2 K, 𝑻 𝒇 Temperatura del refrigerante en el colector en °C y 𝑻 𝒂 es la Temperatura del ambiente en °C. La eficiencia del colector la podemos calcular mediante la siguiente ecuación 𝜼 𝒄𝒐𝒍 = 𝑭 ′ 𝝉𝜶 − 𝑼 𝑳 𝑭 ′ ( 𝑻 𝒇 − 𝑻 𝒂 ) 𝑺 (4) UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

12 3. Resultados y Discusión
CETER. . 3. Resultados y Discusión Variación de la temperatura de varios parámetros con respecto al tiempo. Para un área de colector solar de 3 m2 y una velocidad de compresión de 600 rpm Al estar ubicada la BCAES-ED en una zona tropical, con temperaturas que oscilan entre una máxima de 34,2 °C y mínima de 27,2 °C, se obtienen temperaturas promedios en el plato del colector/evaporador por encima de la temperatura ambiental para un colector solar de 3 m2 y una velocidad del compresor de 600 rpm como se presenta en la figura 5 UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

13 CETER. . Variación de la temperatura de varios parámetros con respecto al tiempo. Para un área de colector solar de 1,5 m2 y una velocidad de compresión de 600 rpm Cuando se disminuye el área del colector a la mitad, y se mantiene la velocidad del compresor, la temperatura del plato tiende a disminuir por debajo de la temperatura ambiental, lo que resulta en una temperatura de evaporación cercana pero debajo de la temperatura ambiental, como se muestra en la figura 6. UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

14 Eficiencia del Colector
CETER. . Comparación de los resultados de COP y eficiencia del Colector para un colector de 3 m2 y 1,5 m2 Área del Colector: 3 m2 Área del Colector: 1,5 m2 HORA COP Eficiencia del Colector 11:00:00 4,7 0,51 4,9 1,20 11:30:00 4,5 0,53 1,15 12:00:00 4,3 0,50 4,6 12:30:00 4,4 0,56 1,24 13:00:00 0,59 1,28 13:30:00 0,65 1,39 14:00:00 4,2 0,69 1,50 Cuando se comparan los resultados de COP y eficiencia del Colector presentados en la tabla 2, observamos que una BCAES-ED con una velocidad del compresor de 600 rpm y un área de colector de 1,5 m2 muestra leve mejora del COP y un considerable incremento en la eficiencia del colector con relación a un colector solar de 3 m2 y a la misma velocidad del compresor. Este incremento en la eficiencia del colector se debe a que la temperatura de evaporación del refrigerante se encuentra por debajo de la temperatura ambiental, lo que implica ganancia en vez de pérdidas de calor en el colector solar como indica la ecuación (4). Si ambos sistemas logran alcanzar una temperatura de 45 °C para un tanque de 250 litros en cuatro horas, es evidente que se puede lograr una reducción de área del colector solar para una velocidad de compresor establecida, lo que reduce sin duda alguna los costos iniciales del sistema. UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

15 CETER. . Variación del COP con respecto al tiempo para una velocidad del compresor de 400 y 600 rpm con un colector solar de 3 m2. Si la velocidad del compresor es mayor, el flujo de refrigerante a través del colector/evaporador es mayor por lo que resulta un mayor trabajo de compresi6n y por consiguiente un menor coeficiente de operaci6n. UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

16 CETER. . El estudio bibliografico realizado avala estos resultados incluir comentario. UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ

17 CETER. . Muchas Gracias UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABÍ