TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE · c) La subrefrigeración, la cual opera en un dominio de...
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CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS CIMAV POSGRADO EN ENERGÍAS RENOVABLES CARACTERIZACIÓN DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN “ABSORCIÓN Y PELTIER” Y OPTIMIZACIÓN DE GEOMETRÍAS EN TRANSMISORES DE CALOR. TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: Maestro en Ciencias PRESENTA Iván Josué Valencia Gómez Francisco Hernández Hernández DIRECTOR DE TESIS: Dr. Juan Manuel Olivares Ramírez Dr. Juan Manuel Ramos Arreguín CHIHUAHUA, CHIHUAHUA DE DICIEMBRE DEL 2012
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CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS
CIMAV
POSGRADO EN ENERGÍAS RENOVABLES
CARACTERIZACIÓN DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
“ABSORCIÓN Y PELTIER” Y OPTIMIZACIÓN DE GEOMETRÍAS
EN TRANSMISORES DE CALOR.
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
Maestro en Ciencias
PRESENTA
Iván Josué Valencia Gómez Francisco Hernández Hernández
DIRECTOR DE TESIS:
Dr. Juan Manuel Olivares Ramírez
Dr. Juan Manuel Ramos Arreguín
CHIHUAHUA, CHIHUAHUA DE DICIEMBRE DEL 2012
ÍNDICE
CAPÍTULO I ...................................................................................................................................... 7
Introducción .................................................................................................................................... 7
CAPÍTULO II ................................................................................................................................. 10
Antecedentes ................................................................................................................................ 10
2.1. Refrigeración. .......................................................................................................................... 11
2.1.1. Enfriamiento. .................................................................................................................. 11
2.1.2. Métodos de enfriamiento artificial. ........................................................................... 12
2.1.2.1. Disolución de ciertos solutos en un solvente .......................................................... 12
2.1.2.2. Fusión ........................................................................................................................... 13
2.1.2.3. Vaporización ................................................................................................................ 13
2.1.2.4. Sublimación ................................................................................................................. 14
2.1.3. Refrigerantes .................................................................................................................. 14
2.1.3.1. Selección del refrigerante .......................................................................................... 14
2.2 Ciclo de refrigeración por absorción líquido-gas ......................................................... 17
2.2.1. Propiedades del absorbente .......................................................................................... 17
2.2.2. Ciclo continuo por absorción ......................................................................................... 18
2.2.3. Ciclo continuo por difusión ............................................................................................. 19
2.2.4 Modelo termodinámico del sistema de refrigeración ......................................................... 20
2.2.4.1 Coeficiente de operación ......................................................................................... 22
2.2.5 Avances tecnológicos en absorción ..................................................................................... 26
2.2.5.1 Amoniaco-Agua como fluido de trabajo .................................................................... 27
2.3 Ciclo de refrigeración por Peltier ................................................................................................ 38
2.3.1 Historia .............................................................................................................................. 39
2.3.2 Operación de la celda Peltier ........................................................................................ 41
2.3.3 Avances tecnológicos en Peltier. .................................................................................. 44
CAPÍTULO III .................................................................................................................................. 49
Justificación ................................................................................................................................... 49
CAPÍTULO IV .................................................................................................................................. 51
Objetivos ....................................................................................................................................... 51
CAPÍTULO V ................................................................................................................................... 53
Métodos ........................................................................................................................................ 53
....................................................................................................................................................... 60
....................................................................................................................................................... 61
Materiales ..................................................................................................................................... 62
CAPÍTULO VI .................................................................................................................................. 67
Resultados ..................................................................................................................................... 67
6.1 Congelación de agua ............................................................................................................... 68
6.2 Determinación de la mínima energía para obtención de hielo .............................................. 70
6.3 Comportamiento del sistema amoniaco-agua. ....................................................................... 77
6.4 Diseño y construcción de cámara de enfriamiento ................................................................ 81
6.4.1 Pruebas preliminares ........................................................................................................... 84
6.4.2 Diseño de disipador .............................................................................................................. 90
6.4.3 Propuestas de mejora .......................................................................................................... 96
6.4.4 Fabricación de disipador modelado ..................................................................................... 99
6.4.5 Validación experimental del disipador de calor propuesto ............................................... 101
6.4.6 Dimensionamiento de la Instalación fotovoltaica. .................................................... 108
6.4.6.1 Calculo del dimensionamiento fotovoltaico. ........................................................... 113
6.4.7 Mecánica de fluidos ....................................................................................................... 115
CAPITULO VII ............................................................................................................................... 117
CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 117
Bibliografía ...................................................................................................................................... 118
Resumen
Este proyecto de investigación se encuentra dentro en el área de desarrollo de
prototipos que utilizan celdas fotovoltaicas para la energización de un sistema de
refrigeración por absorción base amoniaco-agua y Peltier. Evalúa el
comportamiento de la radiación solar para ambos sistemas de refrigeración solar.
En el presente estudio se obtuvieron 100 ml de hielo, cuantificando el
comportamiento cuando se utilizan 50, 100, 110, 150, 160, 210, 220, 260, 270,
320 y370 Watts foto-voltaicos. El coeficiente de desempeño (COP), la eficiencia de
transformación: Solar-fotovolatica fotovoltaica-Peltier, Solar-Peltier y Peltier-
Fotovolataica. Se diseño y construyó una cámara de refrigeración para ambos
sistemas con un volumen 0.0349 m3. Mediante la técnica de elemento finito su
utilizó el software ANSYS para optimizar la aletas en la parte del disipador de calor
que se encuentra dentro del evaporador logrando disminuir el área superficial al
50% mejorando la velocidad de enfriamiento. El prototipo de laboratorio servirá
para el escalonamiento a 200 Kg de guayaba solicitado por el grupo agroindustrial
del estado de Querétaro.
7
CAPÍTULO I
Introducción
8
El presente trabajo de tesis se ubica dentro del tema de la utilización de energía
alternativa, en el contexto del desarrollo de tecnología que tenga como objetivo la
refrigeración de guayabas para el sector agropecuario de estado de Querétaro.
En la primera etapa se realizó la conexión de los elementos: Celdas foto-
voltaicas, regulador, baterías, inversor y cargas la cual fue tanto para Peltier como
el sistema de absorción amoniaco-agua.
Se realizo la experimentación para la solidificación de 100 ml de agua
empleando 370 Watts Foto-voltaicos para determinar el funcionamiento del
arreglo, la siguiente etapa fue la variación de la potencia Foto-voltaica instalada
(50, 100, 110, 150, 160, 210, 220, 260, 270, 320 y370 Watts) para determinar la
mínima cantidad requerida en función de la radicación solar. Los resultados
muestran la necesidad de 50 Watts para el funcionamiento de la celda Peltier (36
Watts) y 370 para el sistema de refrigeración amoniaco agua que cuenta con una
resistencia de 150 Ohms con un voltaje de operación de 127 V. Para ambos
sistemas de refrigeración se calcularon las eficiencias de transformación.
Se cuenta son geometrías especificas de disipadores comerciales, de las
cuales se tomaron dos para determinar el efecto de la geometría y el área
superficial expuesta en la velocidad de enfriamiento dentro de la cámara de
refrigeración. Las temperaturas fueron registradas mediante termopares indicando
la velocidad de enfriamiento en la cámara de refrigeración y se utilizo la técnica de
termografía infrarroja para evaluar la distribución de calor en las aletas del
disipador. El comportamiento térmico es registrado se utilizo para alimentar el
software ANSYS del cual se derivó una nueva geometría que permite disminuir en
un 50% el área superficial y presenta mejores velocidades de enfriamiento.
Dos geometrías de disipación de calor son probadas en el sistema Peltier y el
sistema de refrigeración amoniaco-agua con una alimentación de potencia de 100
Watts para evaluar el comportamiento del cada sistema.
9
Al final de la presente investigación se recomienda la cantidad Foto-voltaica
requerida, baterías e inversor. Con los datos anteriores permite el escalonamiento
del sistema de refrigeración del cual los agroindustriales decidirán cual es el que
necesitan.
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Antecedentes
CAPÍTULO II
Antecedentes
En está sección tenemos los siguientes objetivos: Introducirnos en el
conocimiento de los conceptos, principios básicos, la termodinámica de los
principales métodos de producción de frío y los avances tecnológicos.
Se introduce el concepto de enfriamiento así como de los principales métodos
de enfriamiento, tales como disolución de solutos en disolventes, fusión,
vaporización, sublimación y expansión de gases previamente comprimidos. Se
analizan las principales propiedades de los fluidos refrigerantes, así como los
criterios de selección.
En esta parte se describen el funcionamiento de los sistemas de refrigeración
por absorción y Peltier así como los principales avances tecnológicos en prototipos
y disipadores de calor.
11
Antecedentes
2.1. Refrigeración.
2.1.1. Enfriamiento.
El enfriamiento es un proceso de eliminación de calor de un material, el cual
puede ocurrir por medio de un abatimiento de calor latente, sin que el material
sufra un cambio de temperatura o mediante un abatimiento de calor sensible, en el
cual el material cambia su temperatura. De manera natural los cuerpos pueden
enfriarse hasta la temperatura ambiente; sin embargo, se requiere de medios o
técnicas especiales para lograr mantener el cuerpo a una temperatura inferior al
ambiente. Con base a lo anterior existen métodos de enfriamiento basados en
procesos tanto naturales como artificiales.
Los procesos de enfriamiento natural consisten en la pérdida espontánea de
calor, como ocurre en los procesos de enfriamiento debido a la pérdida de calor
por radiación (enfriamiento radiativo) y por convección (enfriamiento evaporativo).
Los procesos de enfriamiento artificial están basados en la utilización de procesos
de muy variada naturaleza, utilizando por lo general fluidos cuyas propiedades
termodinámicas los sitúan como grandes absorbedores de calor, que se conocen
como refrigerantes, los cuales tienen como función extraer el calor de un cuerpo
de manera constante.
Existen diferentes niveles de enfriamiento por debajo de los valores de la
temperatura ambiente:
a) El enfriamiento propiamente dicho que va de los 24°C a los 14°C, en
donde se sitúa el bienestar humano y las temperaturas alcanzadas por
diferentes procesos naturales como el enfriamiento evaporativo y el
radiativo, el acondicionamiento del aire y la conservación de algunos
productos.
b) La refrigeración comienza a suceder cerca de la temperatura de cambio
de estado, principalmente del agua, en donde el abatimiento de la
temperatura va desde la temperatura de 14°C hasta cerca de los 0°C; en
la mayoría de los casos no ocurre un cambio de fase.
12
Antecedentes
c) La subrefrigeración, la cual opera en un dominio de temperaturas que va
desde 0°C hasta cerca de –15°C. En este dominio se lleva a cabo la
formación de hielo.
d) La congelación, en un dominio de temperaturas entre –15°C y –35°C, es
una técnica utilizada para la conservación prolongada de los productos
perecederos.
e) La subgelación, en un dominio de temperaturas de los –30°C a –200°C.
f) La criogenia o generación de muy bajas temperaturas, a valores cercanos
al cero absoluto (-273.16°C), dominio utilizado para el estudio de
propiedades de superconductividad y súper fluidez, criocirugía,
conservación de esperma y conservación en general.
2.1.2. Métodos de enfriamiento artificial.
Los métodos de enfriamiento artificial se basan en procesos endotérmicos
donde el producto o el espacio a enfriar se posiciona como fuente de calor, lo que
provoca su enfriamiento. Existe una gran diversidad de métodos de enfriamiento,
los cuales en su mayoría están basados en la extracción de calor mediante su
absorción por un fluido (refrigerante), el cual lo utiliza a su vez y de manera
espontánea, para un cambio endotérmico de su estado de agregación como
puede ser la evaporación, fusión, sublimación, etcétera; estas transiciones deben
ocurrir a temperaturas lo suficientemente bajas para el proceso de refrigeración
que se contempla.
2.1.2.1. Disolución de ciertos solutos en un solvente
Por lo general consiste en la disolución de ciertas sales en el agua, por ejemplo
del nitrato de amonio que bajo ciertas concentraciones disuelto en agua produce
una salmuera en donde la temperatura puede descender hasta cerca de -15°C,
como resultado de la disolución. Por lo general este método no es de empleo
común debido a que la comercialización del nitrato de amonio está altamente
controlada debido a su potencial para la fabricación de explosivos caseros.
13
Antecedentes
2.1.2.2. Fusión
El proceso de refrigeración por fusión se encuentra relacionado con el calor
latente, el proceso puede ocurrir a temperaturas entre -2°C y 5°C para el agua,
entonces es importante determinar si para el sistema de refrigeración que se está
diseñando es suficiente la temperatura final de operación. En la antigüedad el
enfriamiento se basaba en la utilización de hielo, el cual se recolectaba de manera
natural en invierno y se conservaba para su utilización posterior. El hielo juega un
papel preponderante sobre todo en los países en vías de desarrollo para la
conservación de pescados, mariscos, aves, etc. Para el enfriamiento se substituye
frecuentemente al hielo (con el cual sólo se pueden lograr temperaturas de 0°C)
por mezclas eutécticas de diversas sales y de agua en proporciones bien
definidas, en donde intervienen los calores latentes de fusión. Se pueden lograr
temperaturas inferiores a 0°C, por ejemplo una mezcla de sal de mesa con hielo
puede llegar a -10°C.
2.1.2.3. Vaporización
En este método se utiliza el calor latente de evaporación, que por lo general es
más grande que el de fusión. Este procedimiento es el más utilizado en el ámbito
industrial, comercial y doméstico. El fluido que se vaporiza para la producción de
frío se le conoce como frigorígeno o refrigerante. En este caso se puede obtener
un sistema de enfriamiento abierto, en donde el vapor resultante de la
vaporización no se recupera, particularmente en los casos en donde el refrigerante
no es caro y no presenta problemas de impacto ambiental, como por ejemplo el
uso del nitrógeno líquido o el reacondicionamiento del aire caliente y seco por
medio de la vaporización directa del agua en el aire.
En el sistema de enfriamiento cerrado, el vapor del refrigerante, generalmente
costoso y tóxico o nocivo, se recircula con el objeto de volverlo a licuar para
vaporizarlo de nuevo. Este tipo de sistema está formado por un recipiente aislado
térmicamente, el cual limita el espacio frío, y en cuyo interior se coloca un
intercambiador de calor, en donde se introduce el refrigerante líquido que se
14
Antecedentes
vaporiza a una temperatura To, inferior a la temperatura del interior Tr a la cual se
quiere mantener el espacio. A este intercambiador se le conoce como evaporador.
2.1.2.4. Sublimación
La sublimación es el cambio del estado sólido al estado vapor. Este calor
latente es más grande que el de vaporización, debido a que contiene además del
calor latente de vaporización el de fusión. Normalmente se utiliza en un sistema
abierto bajo presión atmosférica, siendo el refrigerante más utilizado el anhídrido
carbónico (CO2), el cual en estado sólido tiene una temperatura de transición de –
78.5°C (hielo seco).
2.1.3. Refrigerantes
Existen refrigerantes inorgánicos como el agua y el amoniaco y refrigerantes
orgánicos como los hidrocarburos halogenados.
El refrigerante es una sustancia que es capaz de producir un efecto de
enfriamiento sobre el medio que lo rodea, sea un espacio o un cuerpo, y que de
manera general fluye y evoluciona en un ciclo al interior de un circuito de una
máquina frigorífica. En el caso de producción de frío por medio de vaporización,
estas substancias deben tener una temperatura de ebullición, a presión normal,
inferior a la temperatura ambiente.
2.1.3.1. Selección del refrigerante
Para cada uno de los diferentes métodos de producción de frío existen para
determinadas condiciones de funcionamiento uno o varios refrigerantes
apropiados, que garantizan un óptimo de eficiencia y seguridad, en relación con
sus propiedades químicas y físicas, existiendo ciertas condiciones mínimas y
propiedades que deben satisfacer, tales como:
A) Comportamiento inerte frente a los materiales utilizados
El refrigerante no debe combinarse o reaccionar con los materiales utilizados
para la construcción de la máquina frigorífica.
15
Antecedentes
B) Estabilidad química
El refrigerante no debe de sufrir ningún tipo de transformación química dentro
del dominio de temperaturas y presiones de operación.
C) Nivel de toxicidad
Es importante que el refrigerante impacte lo menos posible a la salud y al medio
ambiente.
D) No debe ser explosivo ni inflamable
Por motivos de seguridad se exige que el refrigerante esté operando fuera de
los dominios de peligrosidad, en lo referente a los riesgos de explosión y
flamabilidad.
E) Fácil detección de fugas
Por aspectos de seguridad, operación y economía, es necesario que la
circulación del refrigerante se realice en conductos herméticos y que las fugas, en
caso de ocurrir, puedan ser inmediatamente detectadas, prefiriéndose aquellos
refrigerantes que tengan un olor penetrante.
F) Ningún efecto sobre el lubricante
Si en el circuito del ciclo de refrigeración se utiliza algún tipo de lubricante, el
refrigerante no le debe ocasionar ningún cambio químico, ni influir en sus
propiedades lubricantes.
G) La presión de evaporación debe ser superior a la presión atmosférica
En el caso de la refrigeración por vaporización, la presión de evaporación del
refrigerante, debe ser dentro de lo posible, algo superior a la presión atmosférica.
De esta manera se evita la introducción de aire al interior del sistema.
H) Presión de condensación
La generación de altas presiones o condensación requiere de estructuras que
soporten esta presión, aumentando el costo. Se sugiere trabajar el refrigerante a
16
Antecedentes
condiciones de operación alejadas del punto crítico, con el propósito de realizar
más fácilmente la condensación.
I) Potencia frigorífica específica
Cuanto mayor sea su capacidad o potencia de enfriamiento, se requerirá una
menor cantidad de refrigerante en circulación para una potencia de enfriamiento
determinada.
J) Costo y disponibilidad
El refrigerante no debe ser muy costoso y debe estar disponible en el mercado,
sobre todo si se requiere de un abastecimiento continuo, como en el caso de los
ciclos de refrigeración abiertos.
2.1.3.2. Propiedades de los refrigerantes
Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas en general permiten conocer el comportamiento de
las substancias frente a los cambios de estado o bien, el análisis de los diferentes
factores externos que intervienen para que estos cambios se produzcan.
Presión de vapor
Para compuestos puros, el equilibrio entre las fases del refrigerante líquido y el
refrigerante vapor, permite la determinación de la temperatura de evaporación y de
condensación, así como de la presión en función de estas temperaturas.
Volumen específico y densidad
El volumen específico es el valor inverso de la densidad, y ambos varían en
función de la temperatura y de la presión, siendo más importante este efecto si el
refrigerante se encuentra en fase vapor. Conociendo el volumen específico se
puede determinar la cantidad de vapor generado por la vaporización de una cierta
masa de refrigerante líquido.
Calor específico
17
Antecedentes
El calor específico indica la cantidad de calor necesaria para absorberse o
disiparse, para obtener la variación de un grado de temperatura de una cierta
masa de una substancia. Este valor es muy importante particularmente para el
dimensionamiento de los intercambiadores de calor.
Calor latente
El calor latente indica la cantidad de calor necesaria por unidad de masa de la
substancia, para efectuar la transición de un estado de agregación a otro. En el
caso de los refrigerantes existen grandes variaciones de estos calores.
2.2 Ciclo de refrigeración por absorción líquido-gas
De todos los ciclos termodinámicos disponibles para la producción de frío los
sistemas tritermos a solución son los más utilizados en la aplicación de las
energías renovables, en particular los sistemas a absorción líquido-gas y sólido-
gas, tanto en funcionamiento continuo como intermitente.
En este caso se seleccionarán los ciclos termodinámicos de absorción líquido-
vapor, en funcionamiento tanto continuo como intermitente. Existen los ciclos
cerrados y los abiertos.
2.2.1. Propiedades del absorbente
El absorbente debe tener ciertas propiedades para poder ser utilizado como
fluido en los ciclos de refrigeración por absorción, como las siguientes:
a) Debe tener una fuerte afinidad por el refrigerante. Entre mayor sea esta
afinidad, se requerirá una menor cantidad, reduciendo las pérdidas térmicas
durante su calentamiento. Sin embargo, si esta afinidad es demasiado
grande, será necesario suministrar una gran cantidad de energía para la
restitución del refrigerante.
b) Su presión de vapor a la temperatura requerida en el generador debe ser
despreciable o muy baja, en comparación con la presión de vapor del
refrigerante.
18
Antecedentes
c) Debe permanecer preferentemente en estado líquido durante todo el ciclo,
para evitar el problema de cristalización e incrustación sobre los conductos.
También debe ser químicamente estable bajo las condiciones de operación,
y no debe ser corrosivo para el material que compone los ductos del
refrigerador.
d) El calor específico debe ser bajo para evitar las pérdidas. La conductividad
térmica debe ser lo más alta posible, la viscosidad y la tensión superficial
deben ser bajas para facilitar la transmisión del calor y la absorción.
e) El absorbente debe ser menos volátil que el refrigerante, para facilitar su
separación en el generador. Si esto no es posible; se requerirá la
integración de un rectificador para llevar a cabo esta separación en forma
de vapor.
2.2.2. Ciclo continuo por absorción
En esta modalidad de enfriamiento, el refrigerante en forma de vapor a baja
presión entra al absorbedor, en donde se disuelve en el absorbente. La solución
que sale del absorbedor contiene una concentración alta en refrigerante, llamada
solución concentrada. Esta solución es conducida por gravedad hasta el
generador a la presión correspondiente.
La solución concentrada entra, a alta presión y baja temperatura, al generador,
donde se le suministra calor; esto eleva la temperatura de la solución y de aquí en
adelante la cantidad de refrigerante que el absorbente puede retener es reducida.
Ahora el refrigerante es manejado como vapor y llevado fuera del generador.
La solución resultante después de la generación contiene una baja
concentración de refrigerante; se le conoce como solución diluida. La solución
regresa al absorbedor pasando a través de una válvula de expansión, la cual tiene
como función provocar una caída de presión para lograr mantener una diferencia
de presiones entre el generador y el absorbedor.
19
Antecedentes
El refrigerante en forma de vapor con una alta presión y una alta temperatura
sale del generador y entra al condensador, donde la reducción en la temperatura
propicia la condensación del vapor. Posteriormente el refrigerante líquido pasa a
través de una válvula de expansión, la cual le reduce bruscamente la presión
hasta alcanzarse la presión de evaporación. Ya en el evaporador el refrigerante
líquido extrae calor del medio que lo rodea (aire o líquido), provocando su
enfriamiento con su evaporación. El refrigerante en forma de vapor saturado sale
del evaporador y regresa al absorbedor para ser reabsorbido por la solución
diluida, completando el ciclo.
Recuperadores de calor sensible
Se pueden utilizar intercambiadores de calor en la solución y un subenfriador de
líquido. Éstos no son esenciales para la operación del ciclo, pero permiten ahorrar
energía haciendo más eficiente el funcionamiento del sistema, es decir, aumentan
el COP (Coeficiente de operación).
Rectificación de los vapores del absorbente
Se puede utilizar una columna de rectificación para eliminar el vapor del
absorbente. Este proceso puede reducir la cantidad de vapor del absorbente hasta
alcanzar una concentración deseada de refrigerante; como una aproximación se
puede considerar que a la salida del rectificador la concentración del refrigerante
es cercana al 100%, lo que representa un caso ideal. La principal desventaja del
sistema es el hecho de que el agua es volátil. Cuando el amoníaco evaporado es
llevado fuera del generador, también contiene algo de vapor de agua, esto es
indeseable porque el agua puede congelarse a lo largo de la tubería. Además
cuando el agua entra al evaporador eleva la temperatura de evaporación,
haciendo el sistema menos eficiente.
2.2.3. Ciclo continuo por difusión
El ciclo de absorción-difusión es un ciclo continuo, sin partes móviles. Como se
describió en el ciclo continuo, la bomba tiene como función conducir la solución
concentrada hacia el generador, venciendo la diferencia de presiones establecida
20
Antecedentes
entre el condensador y el evaporador. Por otro lado, la válvula de expansión
permite el paso del refrigerante líquido del condensador al evaporador.
En el ciclo de difusión, en lugar de la bomba de la solución se utiliza un gas
neutro cuya función es igualar la presión entre el generador y el absorbedor por
medio de su propia presión parcial. Este gas inerte y ligero se mezcla con los
vapores del refrigerante en el evaporador en donde comparten la presión total de
acuerdo a la ley de Dalton. Esta presión total de la mezcla gaseosa es la suma de
las presiones de cada elemento gaseoso. La presión ejercida por los gases y
vapores es la misma en todas sus partes.
A pesar de la igualación de la presión es posible la vaporización del
refrigerante. Lo anterior ocurre debido a que en el evaporador, la presión parcial
del refrigerante es menor que la presión total a causa de la presencia del gas
inerte, como consecuencia el refrigerante líquido empieza a evaporarse dentro del
gas inerte en un proceso de difusión gaseosa. Este gas inerte cuando está en el
evaporador está libre de refrigerante, pero a medida que se satura se detiene la
vaporización, al igualarse las presiones entre el refrigerante líquido y el gaseoso,
siendo necesario suministrar nuevamente gas inerte puro.
Esto se logra debido a que la mezcla de vapor y gas es más pesada y
desciende hacia el absorbedor en donde el vapor del refrigerante se absorbe en la
solución diluida, liberando el gas inerte ligero puro hacia el evaporador,
produciéndose un movimiento permanente de la mezcla de vapor y gas entre el
evaporador y el absorbedor.
La circulación entre el absorbedor y el generador, que se encuentran bajo la
misma presión, se obtiene gracias a las diferencias entre estas partes en cuanto a
la densidad. En la mayoría de estos ciclos la circulación del líquido hacia el
generador se logra mediante una bomba de burbujas.
2.2.4 Modelo termodinámico del sistema de refrigeración
En está sección tenemos los siguientes objetivos: La descripción detallada de
los componentes del sistema de absorción, la determinación del flujo de calor, de
21
Antecedentes
la entropía, y de las fracciones de masa que intervienen en el boiler, condensador
y evaporador.
El sistema de refrigeración base absorción maneja tres fluidos de trabajo. Su
objetivo es alcanzar bajas temperaturas en el evaporador a través de la variación
de la presión parcial del refrigerante. Para cumplir con su objetivo es necesario
contar con altas temperaturas en el boiler. Este tipo de sistemas cuenta con las
siguientes ventajas: Operación silenciosa, equipamiento económico, ausencia de
partes móviles y funcionamiento basado en energía térmica.
Estas ventajas lo hacen ideal para localidades remotas así como para lugares
donde no cuentan con infraestructura de distribución eléctrica o donde esta
energía eléctrica es de baja calidad, ocasionando variaciones de voltaje que
pueden dañar el compresor en el caso de los sistemas de refrigeración
convencionales.
Fig. 1Ciclo amoniaco-agua-hidrógeno
En el ciclo amoniaco-agua-hidrógeno que se muestra en la Figura 1, el
amoniaco es el refrigerante y el agua el absorbente. Al boiler le llega una mezcla
22
Antecedentes
amoniaco-agua por el punto 5, esta mezcla absorberá el calor QH, algo de este
calor viaja por la bomba de burbujas donde el amoniaco es vaporizado, una
mezcla débil de amoniaco-agua regresa al absorbedor por el punto 6 y el vapor de
amoniaco casi puro entra al condensador por el punto 1. A una temperatura de
saturación y con la presión total el vapor de amoniaco casi puro es condensado,
en esta etapa se desecha un calor QC hacia el medio ambiente. Una vez que se
encuentra líquido el amoniaco viaja hacia el evaporador por el punto 2.
En el evaporador el amoniaco líquido es expuesto a hidrógeno en estado
gaseoso proveniente del punto 4. El hidrógeno contribuye a disminuir la presión
parcial en el amoniaco líquido, con la reducción de presión parcial se evapora el
amoniaco a temperatura de saturación relacionada con esta presión parcial,
durante la evaporación el amoniaco absorbe el calor QL del medio que lo rodea, en
este caso son los alimentos. En el evaporador se incrementa el volumen con una
tubería de mayor diámetro para lograr el efecto de la válvula de expansión
comúnmente usada en sistemas de refrigeración por compresión. La mezcla de
amoniaco-hidrógeno en fase vapor viaja por el punto 3 hacia el absorbedor, donde
desecha el calor QA. Ahí se desprende el hidrógeno que viajará al evaporador por
el punto 4, y finalmente la mezcla líquida fluye hacia el boiler donde inicia el ciclo
nuevamente.
2.2.4.1 Coeficiente de operación
Considerando que el sistema opera con tres focos térmicos como se muestra
en la Figura 2, analizaremos primeramente el boiler, que aporta una cantidad de
calor QH y el medio ambiente que se encuentra a una temperatura Tm.
23
Antecedentes
Fig. 2 Sistema triatérmico
Este sistema funciona como una máquina térmica la cual tiene como objetivo
producir trabajo W, con una eficiencia térmica ( η ) (Smith y Ness, 1987),
entonces:
calordeEntrada
salidadenetoTrabajo
H
M
H
MH
H Q
Q
Q
Q
W
1 (1)
Derivado del ciclo de Carnot para un gas ideal (Smith y Ness, 1987) podemos
considerar:
H
M
H
M
T
T
Q
Q (2)
Sustituimos la ecuación 2 en la ecuación 1:
H
MH
H
M
T
TT
T
T 1 (3)
Ahora consideremos los siguientes focos: el evaporador donde interviene una
cantidad de calor (QL), y el medio ambiente el cual está relacionado con el calor
(QM). Estos focos establecen un con funcionamiento de ciclo invertido de la
máquina térmica de Carnot, teniendo como objetivo absorber calor del foco que se
encuentra a una temperatura TL y cederlo al medio ambiente; para la realización
24
Antecedentes
de este proceso requiere de una cantidad de trabajo (W). Usualmente la forma de
medir el desempeño de un ciclo invertido de la máquina térmica de Carnot utiliza
el coeficiente de operación (COP) definido por:
netoTrabajo
atemperaturbajaaabsorbidoCalorCOP
1
1
L
MLM
LL
Q
QQQ
Q
W
QCOP (4)
Sustituyendo la ecuación 2 en la ecuación 4:
L
LM
L
M
T
TT
T
TCOP
1
1
1 (5)
El sistema global, la máquina térmica y el ciclo invertido de la máquina térmica
tienen el coeficiente de operación de ciclo reversible (COPC, REV.)
COP*.COP REV C,
L
LMH
M
T
TTT
T 1*
T.COP H
REV C,
LM
L
H
MHREVC
TT
T
T
TTCOP ., (6)
La ecuación 6 nos describe el coeficiente de operación del ciclo reversible para
un sistema de refrigeración que opera entre tres temperaturas, combinando el
ciclo Carnot de una máquina térmica que se encuentra entre TH y TM y la máquina
térmica de ciclo invertido que opera entre TL y TM. Entonces con la ecuación 6
podemos modelar el comportamiento del sistema, determinando el COPC, REV.
analítico.
25
Antecedentes
Para la descripción de este proceso se utilizará la Figura 3, donde se describe
los principales componentes del sistema de refrigeración a base de absorción,
teniendo como objetivo la visualización de los niveles donde se encuentra la
mezcla amoniaco-agua-hidrógeno.
Aquí se aprovecha el bajo punto de evaporación del amoniaco, de -33°C. La
mezcla de amoniaco-hidrógeno en algunas ocasiones no se evapora totalmente,
así que tendremos dos salidas; la primera, amoniaco-hidrógeno líquido que se
dirige al recibidor y amoniaco-hidrógeno gaseoso que se dirige hacia el
condensador secundario
Figura 6.3. Diagrama general del ciclo de absorción
26
Antecedentes
2.2.5 Avances tecnológicos en absorción
Actualmente en la industria se cuenta con muchos procesos que involucran la
producción térmica de calor o vapor por medio de la combustión de materiales
derivados del petróleo, estos procesos no son 100% eficientes por lo cual tienen
desechos de calor o vapor que son expulsados al medio ambiente, estos
desechos pueden ser aprovechados en la energización de sistemas de
refrigeración base absorción “amoniaco agua”. Este aprovechamiento del calor o
vapor, son una contribución para la mejora del medio ambiente; reduciendo los
problemas relacionados con el calentamiento global debido a los efectos del CO2,
otra ventaja es que se evita el uso de clorofluorocarbono como refrigerante ya que
estos impactan en la disminución de la capa de ozono. [1] Otros subproductos de la
combustión de combustibles fósiles son metano (CH4), oxido nitroso (N2O), dióxido
de sulfuro (SO2) que también pueden ser absorbidos por la atmosfera
contribuyendo al calentamiento global, en adición a esto alguna industrias
desechan cloroflourocarbonos (CFCs), perfluorocarbonos,
hidroclorofluorocarbonos, hydrofluorocarbonos (HFCs) y exafluoros de sulfuro
(SF6). Un ejemplo de las cantidades en Tailandia se muestran se muestran en la
siguiente tabla. [2]
Tabla 1 Estimación de la contaminación por consumo de energía eléctrica en Tailandia.
Año CO2 CO CH4 SO2 NOx
(103 toneladas)
2004 72,637 47 5 199 213
2005 75,956 52 5 213 224
2006 75,839 53 5 231 227
2007 82,087 59 6 359 258
2008 83,308 60 6 393 264
La principal ventaja de los sistemas de refrigeración que emplean energía
renovable se encuentra en la reducción de picos debido a la carga de energía
eléctrica. El Instituto Internacional de refrigeración estimo que aproximadamente
27
Antecedentes
entre el 10-20% de la producción de la electricidad de todo el mundo es
consumida por mecanismos de refrigeración y aire acondicionado.[3]
Las aplicaciones de los sistemas de enfriamiento son amplias e incluyen: la
congelación, remoción de calor de productos y el aire acondicionado. Sin embargo
estos sistemas son pesados y grandes incluyendo grandes costos en la inversión
inicial. Más o menos en el orden de capacidades de enfriamiento en el rango de
los 10-30 kW, los requerimientos de superficie de colección solar es de 30-100 m2.
[4]
Recientemente debido a la optimización de procesos mediante la recuperación
del calor o vapor para ser empleado en sistema de absorción NH3-H2O ha sido un
foco central para en el desarrollo de sistemas de refrigeración mediante energías
renovables, [5] además el protocolo de Kioto solicita urgentemente a las naciones
mitigar el efecto negativo del calentamiento global. [6]
2.2.5.1 Amoniaco-Agua como fluido de trabajo
Se han investigado diferentes fluidos de trabajo para GAX (Generator absorber
heat exchange) en términos de coeficiente de operación y temperatura, revelando
que el COP (Coefficient of performance) pude ser incrementado en 10-20%, 20-
30% y 30-40% en el absorbedor, recuperando el calor del ciclo, en la tabla 2 se
muestran los diferente tipos de fuentes de calor para sistemas de refrigeración que
utilizan amoniaco-agua como fluido de trabajo, en los cuales emplea aire o agua
como medio de enfriamiento [7]
28
Antecedentes
Tabla 2 Diferentes fuentes de calor.
Autor Fuente de calor
Ciclo Fluido de trabajo
Método de enfriamiento
Aplicación
Priedeman, Christensen
[8]
Gas natural GAX NH3–H2O Aire Residencial
Velázquez, Best [9]
Gas natural y
energía solar GAX NH3–H2O Aire Condiciones
especiales
Grossman et al. [10]
gas natural GAX NH3–H2O Aire Calentamiento
y enfriamiento
Gómez et al. [11]
Aceite térmico GAX NH3–H2O Aire Aire acondicionado
Saravanan et al [12]
Biomasa GAX NH3–H2O Agua Uso diario
Velázquez et al
[13]
Energía solar GAX NH3–H2O Aire Uso diario
Zhou, Radermacher
[14]
Agua caliente Absorción-compresión GAX
NH3–H2O Aire Aire acondicionado
Kandlikar [15]
Energía solar Recuperación de calor
NH3–H2O Aire Bajas temperatura y calentamiento de agua
Sabir et al. [16]
Calor de desecho/Energía renovable
Reabsorbción
NH3–H2O Agua Uso diario
Existen algunas mezclas utilizadas en los sistemas de refrigeración por
absorción como son H20-LiBr y NH3-H2O, las cuales presentan diferentes
propiedades físicas y termodinámicas, la elección de la mezcla de trabajo tiene
grandes efectos sobre el comportamiento técnico del sistema. Los criterios de
selección dependen de un número importante de requerimientos. Estos incluyen:
[17]
29
Antecedentes
1. Alto calor latente del refrigerante
2. La relación refrigerante/absorber no debe formar fases solidas a la
temperatura y presión de trabajo
3. El refrigerante debe ser mucho más volátil que el absorbente y se deben de
separar fácilmente sin necesidad de rectificación.
4. El absorbente debe tener una fuerte afinidad con el refrigerante a las
condiciones de operación.
5. Moderada presión de operación.
6. Alta estabilidad química es indeseable la formación de gases, solidos o
sustancias corrosivas.
Las principales mezclas de las cuales se han realizado investigaciones se
muestran en la tabla 3.
Tabla 3 Mezclas utilizadas en sistemas amoniaco-agua
Autor Refrigerante Absorbente
Yeung et al. [18]
, Liand S. [19]
Agua (H2O) Bormuro de Litio (LiBr)
Romero et al. [20]
Solución ternaria (40% NaOH ,36% KOH and 24% CsOH)
Zhang and Hu [21]
, Ren et al. [22]
Liquido ionizado (1-ethyl-3-methylimidazolium dimethylphosphate [EMIM][DMP])
Zuo et al. [23]
Liquido ionizado (1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate [EMISE])
Abdelmessih et al. [24]
Glicol Etileno (C2H6O2)
Romero et al. [25]
Monometallamida
Gutiérrez [26]
, Jakob et al. [27]
Amoniaco (NH3)
Agua (H2O)
Worsøe-Schmidt [28]
Cloruro de calcio (CaCl2)
Erhardand H. [29]
Cloruro de estroncio (SrCl2)
Rivera and Rivera [30]
Nitrato de Litio(LiNO3)
Steiu et al. [31]
Mezclas de Agua–NaOH
Bansal et al. [32]
IMPEX material (80% SrCl2 and 20% graphite)
30
Antecedentes
Karamangil et al. [33] realizó el estudio mediante un programa computacional,
desarrollando la simulación del comportamiento de un sistema de refrigeración por
absorción de una etapa tomando como base las capacidades mostradas (Figura
3).
2.2.5.2 Prototipos de sistemas de enfriamiento
Rossiek y Batlles [34] reportan un sistema solar de simple efecto, instalado en el
centro de investigación de energía solar en España. De acuerdo a los cálculos
para calentamiento y enfriamiento durante el año son necesarios 8,124 kWh y
13,255 kWh, respectivamente. Los colectores solares utilizados para reunir la
demanda energética abarcan 160 m2 para calentamiento en invierno y para
enfriamiento en verano. La demanda es cubierta por un sistema de absorción de
simple efecto de 70 kW con un COP de 0.6.
Mammoli et al. [35] realizó un sistema de enfriamiento para un edifico de 7,000
m2 en el cual utilizó 124 m2 de colectores de placa plana y 108 m2 de colectores
con tubos evacuados. El sistema de absorción era una mezcla de agua-glicol con
capacidad de 70 kW.
Capacidades (kJ/kg) NH3–H2O
Generador (qG) 2137.2
Condensador (qC) 1293.1
Evaporador (qE) 1150.7
Absorvedor (qA) 2000.9
Calor de solución (qSHE) 631.4
Calor del refrigerante (qRHE) 47
Bomba (wP) 6.02
FR 5.09
COP 0.54 Fig. 3 Esquema de sistema de absorción de una etapa.
31
Antecedentes
Syed et al. [36] investigó un sistema de en enfriamiento de 35 kW base LiBr/H2O
y con un COP de 0.6, energizado con 49.9 m2 de colectores planos
Li and Sumathy [37] construyó un sistema de aire acondicionado, empleando 38
m2 de colectores solares planos para un sistema de absorción LiBr/H2O con
capacidad de 4.7 kW logrando un COP de operación de 0.07.
Agyenim et al. [38] desarrolló un prototipo de refrigeración domestico, el cual
consiste en 12 m2 de colectores solares de tubo evacuado acoplados a un sistema
de absorción LiBr/H2O con capacidad de 6 kW para ser suministrados mediante un
ventilador y acondicionar viviendas, el sistema cuenta con un COP de 0.58.
Mazloumi et al. [39] simuló un sistema de absorción de simple efecto, el cual es
energizado mediante un concentrador horizontal parabólico con un área de 57.6
m2, y podría proveer 17.5 kW de energía para refrigeración.
Rivera y Rivera [40] modelan un pequeño sistema de refrigeración intermitente
capaz de producir 11.8 kg de hielo por día, que opera con amoniaco-nitrato de litio;
se analizó el comportamiento para cada estación del año 2001 con datos
meteorológicos (Figura 4).
Fig. 4 Sistema de refrigeración intermitente por absorción. De Rivera y Rivera (2003)
32
Antecedentes
El sistema consiste de un generador-absorbedor, un condensador, una válvula
y un evaporador. Para la obtención de energía térmica se utiliza un concentrador
compuesto (CPC) cubierto por una tapa de vidrio. A consecuencia de que el nitrato
de litio no se evapora durante el proceso de desorción no es necesario un
rectificador. La eficiencia teórica del CPC varía entre 78% y 33% dependiendo de
la intensidad de la radiación solar que a su vez cambia dependiendo del clima, la
hora del día y la época del año. Este sistema de refrigeración intermitente produce
hielo cuando la temperatura de generación se encuentra a 120°C y la temperatura
en el condensador se encuentra entre 40°C y 44°C. La eficiencia global del
sistema se encuentra en el intervalo de 15% y 40%, dependiendo de la
temperatura del condensador.
El sistema consiste de un generador-absorbedor, un condensador, una válvula
y un evaporador. Para la obtención de energía térmica se utiliza un concentrador
compuesto (CPC) cubierto por una tapa de vidrio. A consecuencia de que el nitrato
de litio no se evapora durante el proceso de desorción no es necesario un
rectificador. La eficiencia teórica del CPC varía entre 78% y 33% dependiendo de
la intensidad de la radiación solar que a su vez cambia dependiendo del clima, la
hora del día y la época del año. Este sistema de refrigeración intermitente produce
hielo cuando la temperatura de generación se encuentra a 120°C y la temperatura
en el condensador se encuentra entre 40°C y 44°C. La eficiencia global del
sistema se encuentra en el intervalo de 15% y 40%, dependiendo de la
temperatura del condensador.
Los autores avizoran un uso intermitente del sistema, donde durante el día la
mezcla amoniaco-nitrato de litio es calentada por la radiación solar incidente a
través del CPC hasta la temperatura de saturación. Entonces el amoniaco es
parcialmente evaporado de la solución. El vapor de amoniaco viaja hacia el
condensador donde es condensado por el efecto enfriador del aire o agua que se
encuentre a su alrededor y después se mantiene en el tanque. En la noche, el
amoniaco líquido pasa a través de la válvula y las espreas disminuyendo la
presión y la temperatura, produciendo el efecto de refrigeración en el evaporador.
33
Antecedentes
Después de que el amoniaco absorbe el calor del agua contenida en el
evaporador, la presión de este componente se incrementa. La temperatura y la
presión en el generador-absorbedor disminuyen debido al decremento de la
temperatura ambiente, de esta manera la presión se invierte en los componentes
de manera natural y regresa el vapor de amoniaco al generador y al absorbedor
donde es adsorbido por el nitrato de litio, con lo que se inicia nuevamente el ciclo.
Kairouani y Nehdi [41] postulan un sistema de refrigeración por compresión-
absorción en el cual la energía la obtienen geotérmicamente; este sistema de
absorción en cascada (Figura 5) puede trabajar con diversos refrigerantes. El ciclo
del sistema inicia viajando el vapor del generador (2) al condensador. El amoniaco
es condensado (4) para después atravesar la válvula de expansión (4´). En el
evaporador el amoniaco toma calor del vapor que se encuentra dentro del
condensador en cascada, para después viajar al punto 5 como vapor saturado;
este vapor frío entra al absorbedor mezclándose con la solución acuosa débil. La
disolución del amoniaco en el agua es exotérmica, por lo que el absorbedor se
enfría con agua, para propiciar la absorción de amoniaco. La solución fuerte con
un alto porcentaje de amoniaco en agua sale del absorbedor por el punto 1 y entra
a la bomba. Con una alta presión la mezcla fría entra al generador donde es
calentada con energía geotérmica. La mezcla débil, con bajo porcentaje de
amoniaco en agua, sale del generador (3) y reduce su presión después de haber
pasado por la válvula llegando al punto (3´´). El evaporador de amoniaco servirá
como condensador para un sistema de refrigeración por compresión para el cual
los autores consideraron una amplia gama de refrigerantes alternativos.
La temperatura para la fuente geotérmica opera entre 343 K y 349 K. De
acuerdo a las temperaturas de los pozos geotérmicos en territorio tunezino
considerados por los autores el calor es aplicado al generador que opera a 335 K,
la temperatura en el evaporador es de 263 K y el condensador tiene una
temperatura de 308 K. La Figura 6 muestra los resultados calculados para
diferentes refrigerantes, utilizando el sistema de refrigeración en cascada.
34
Antecedentes
Los autores mencionan que al utilizar un sistema en cascada logran
incrementar el COP entre 37% y 54% respecto al COP de un sistema simple. Los
refrigerantes que consideran los autores son: R717 = Amoniaco Anhidro (NH3),
R22 = Monoclorodifluorometano (CHClF2), R134a = Tetrafluoroetano (C2H2F4),
R143a = Trifluoroetano (C2H3F3), R32 = Difluorometano (CF2H2), R123 =
Diclorotrifluoroetano (C2HCl2F3), R152a = Difluoroetano (CH3CHF2), R125 =
Pentafluoroetano (СНF2СF3), R404a = mezcla cuasi-zeótropa constituida por
R125/R143a/R134a en proporción másica 44/52/4, R410a = mezcla doble de
azeótropos de los HFCs R32 y R125 con iguales proporciones en masa (50% y
50%), R407c = mezcla zeotrópica de R32/R125/R134a (proporciones de masa de
los componentes, es respectivamente, 23/25/52%), y R507 = mezcla: R125 y
R143a en proporción másica 50 - 50 %.
Fig. 5 Descripción del sistema de refrigeración en cascada. De Kairouani y Nehdi (2006).
35
Antecedentes
Fig. 6 Cálculo del COP en función del refrigerante. De Kairouani y Nehdi (2006)
Tamm et al. [42] realizan una investigación teórica y experimental sobre el ciclo
termodinámico de refrigeración amoniaco-agua acoplado a un ciclo Rankine
(Figura 8) con el objetivo de tener refrigeración y potencia. El ciclo lo podemos
iniciar cuando la solución fuerte de amoniaco-agua viaja al absorbedor como
líquido saturado y a baja presión; éste es bombeado a alta presión para
posteriormente ser calentado en el boiler. La solución débil que contiene calor
retorna al absorbedor.
Fig. 7 Representación termodinámica (a) ciclo combinado potencia/refrigeración (b) ciclo en cascada. De Hasan y col. (2002)
36
Antecedentes
El rectificador condensa el vapor de agua y el vapor de amoniaco es
nuevamente supercalentado, viajando hacia la turbina donde ocurre una
expansión, que se aprovecha para producir trabajo, y simultáneamente una
disminución de la temperatura suficiente para lograr la refrigeración. El ciclo se
puede diseñar para ser analizado teóricamente con diferentes fuentes de energía
térmica, como geotérmica o solar.
Fig. 8 Ciclo de refrigeración y potencia utilizado en estudios teóricos.
37
Antecedentes
Luo y col. (2006) realizaron una investigación experimental aplicando ingeniería
térmica para la conservación de granos. El sistema de adsorción (Figura 9)
contiene cuatro subsistemas: Un sistema de calentamiento de agua con un área
de captación de 49.4 m2 para colección de energía solar, un sistema silica gel para
la adsorción de agua, un tanque de enfriamiento, y un ventilador. Para la
operación del sistema es necesario contar con una radiación solar diaria entre 16-
21MJ/m2, obteniéndose temperaturas dentro del almacén de granos entre 14°C y
22°C. El COP se encuentra en un intervalo de 0.10 y 0.13.
Fig. 9 Sistema de refrigeración solar para granos.
Al-Mers et al. [43] realizaron un modelo termodinámico para un sistema de
refrigeración cilíndrico (Figura 10) con geometría variable, basado en amoniaco-
carbón activado y energía solar. Los resultados se muestran en la tabla 4.
38
Antecedentes
Tabla 4 Efectos de la geometría del dispositivo sobre el coeficiente de operación.
Fins number 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fins thickness (mm) - 2.25 2.11 1.98 1.84 1.75 1.67 1.57 1.50 1.40 1.30
Tube radius (mm) 42.5 48.0 52.0 56.0 59.0 61.1 62.6 63.0 63.5 64.4 64.8
COPs (%) 7.21 8.07 8.87 9.48 9.97 10.3 10.6 10.9 11.1 11.2 11.2
Los resultados demuestran que para optimizar el reactor es necesario contar
entre 5 y 6 aletas, permitiendo amplificar el COP del equipo un 45%.
Fig. 10 Reactor solar cilíndrico. De Al-Mers y col. (2006)
2.3 Ciclo de refrigeración por Peltier
En 1834 cuando el físico francés Jean Charles Peltier descubrió este efecto
termoeléctrico, en el curso de sus investigaciones sobre la electricidad. Este
interesante fenómeno se mantuvo reducido a algunas pequeñas aplicaciones
hasta ahora, época en que se comienza a utilizar sus posibilidades con mas
frecuencia.
39
Antecedentes
2.3.1 Historia
En la naturaleza, los materiales están formados por moléculas compuestas por
átomos enlazados entre sí. Según el tipo de enlace atómico y molecular, los
electrones exteriores de cada átomo tienen mayor o menor posibilidad de moverse
alrededor de los núcleos. En los conductores, metales puros y aleaciones, los
electrones exteriores menos ligados, pueden moverse en todo el material como si
no pertenecieran a ningún átomo. Estos "electrones libres" tienen una distribución
de energía que depende principalmente de la temperatura y del tipo de átomos
que compone el metal.
Lo anterior es lo que da origen a los 3 "Efectos Termoeléctricos" (Seebeck,
Peltier y Thomson). El primer trabajo más directamente relacionado con ellos, fue
el manuscrito que en marzo del año 1800 el físico italiano Alessandro Giuseppe
Antonio Anastasio Volta (1745-1827) envió a la London Royal Society
describiendo el desarrollo de la hoy conocida como Pila de Volta, formada por
placas alternadas de metales diferentes en agua salada o ácida. Volta interpretó
correctamente el trabajo de su amigo, el médico Galvani, y en su honor, lo
denominó "Galvanismo".
Cuando se ponen en contacto 2 metales A y B diferentes, en la unión fluyen
electrones en una dirección hasta equilibrar las fuerzas eléctricas debidas a la
distribución inicial desigual. Esto hace que aparezca una diferencia de voltaje o
"potencial de contacto" entre los metales ("Efecto Volta"), ya que uno quedó
cargado negativamente por los electrones que recibió, y el otro cargado
positivamente por la falta de los que perdió.
Volta descubrió este fenómeno en 1793 (cuando aún no se había descubierto el
electrón) y estableció que de la siguiente serie de metales: (+) Rb, K, Na, Al, Zn,
Pb, Sn, Sb, Bi, Fe, Cu, Ag, Au y Pt (-), poniendo en contacto dos cualesquiera de
ellos, el de la izquierda es el que se carga positivamente.
En 1815, el francés fabricante de relojes Jean Charles Athanase Peltier (1785-
1845), a los 30 años decide dedicar su tiempo a la investigación. Hay que destacar
40
Antecedentes
que en la Europa de esos años, había comenzado la consolidación del
Electromagnetismo. En particular, en 1820 Orsted descubre la interacción entre
una corriente eléctrica y el magnetismo, Ampere demuestra y formula
matemáticamente la interacción entre 2 corrientes y Biot-Savart descubren que la
intensidad del campo magnético producido por una corriente es inversamente
proporcional a la distancia del conductor.
Después de la explosión de descubrimientos de ese año, en 1821 el físico
alemán Thomas Johann Seebeck (1770-1831) descubre que al colocar a diferente
temperatura las uniones de un lazo formado por dos metales distintos (cobre y
bismuto), aparece una corriente eléctrica, que dependía de la diferencia de
temperatura entre las uniones. Éste es el principio físico de los termopares
utilizados en termometría: "Efecto Seebeck".
Dentro de la importante serie de descubrimientos de esos años, en 1834 Peltier
descubre el fenómeno inverso al Seebeck, el "Efecto Peltier", por el cual, una
corriente eléctrica que atraviesa las uniones de un lazo formado por dos metales
diferentes, dependiendo del sentido de la corriente, genera calor en una unión y lo
absorbe en la otra. Entonces, concretamente, el principio físico del "Efecto Peltier"
es que al conectar una fuente de corriente a un lazo formado por 2 conductores A
y B, en una unión la corriente que va desde A hacia B es favorecida por el
potencial de contacto, y en la otra, la corriente que va desde B hacia A debe
vencer una barrera de energía debida al potencial de contacto opuesto. Por lo
tanto, la corriente al atravesar las uniones, en una libera calor, y en la otra lo
absorbe del medioambiente.
Debido a que los metales tienen distribuciones electrónicas similares, los
potenciales de contacto son muy bajos (del orden de 100 mV) y el bombeo de
calor mediante el efecto Peltier entre metales es muy pequeño. Esta es la razón
por la que no se utilizó este fenómeno en refrigeradores hasta la segunda mitad
del Siglo XX.
41
Antecedentes
2.3.2 Operación de la celda Peltier
La conversión termoeléctrica puede ser definida como el resultado del proceso
mediante el cual el calor es transformado en electricidad mediante equipos de
transformación calor-eléctricos. Los fenómenos termoeléctricos ocurren
principalmente de termo-coples, formando la base de módulos termoeléctricos
reversibles “Reversible Thermoelectric Modules (TEMs)” los cuales pueden
trabajar en sistemas de enfriamiento cuando se les aplica energía eléctrica o como
generadores cuando se les aplica calor.
Un TEMs consiste en un conjunto alternante de termoelementos
semiconductores tipo n y p los cuales son conectados en serie, en medio de dos
metales entre el sándwiches hay dos aislantes eléctricos pero conductores
térmicamente que pueden ser placas de cerámica.
La utilización (generador, enfriamiento) determina la temperatura bajo la cual
operan los termocoples y de cierta manera permite elegir el material del cual
estarán compuestos. Para aplicaciones a bajas temperaturas (enfriadores)
comúnmente se utilizan aleaciones de BiTe, en contraste cuando opera a altas
temperaturas (generador) las aleaciones utilizadas pueden ser de PbTe o SiGe. [44]
Si observamos la Figura 11, podemos ver que se compone, prácticamente, de dos
materiales semiconductores, uno con canal n y otro con canal p, unidos entre si
por una lámina de cobre.
Fig. 11 Constitución de celda Peltier
42
Antecedentes
Cuando un conductor es recorrido por una corriente eléctrica, hay electrones
que se mueven por el conductor. Esos electrones no son libres: si quisiéramos
arrancarlos del conductor, haría falta que gastásemos energía para liberarlos.
Dependiendo de la naturaleza del conductor, los electrones de su interior están
más o menos “atrapados” en el material.
Se puede imaginar de esta manera: un electrón en el interior de un conductor
es como una canica en el interior de un cuenco. Para sacar el electrón del material
(o la canica del cuenco) hace falta realizar un trabajo. Algunos materiales son
“cuencos profundos”, y los electrones en su interior están muy “amarrados”: tienen
muy poca energía, y hace falta mucho trabajo para liberarlos. Otros son “cuencos
llanos”, con dar un poco de energía a sus electrones, escapan del conductor.
Fig. 12 Diagrama de Efecto Peltier.
Bien, ahora se piensa en un conductor por el que circula una corriente eléctrica:
los electrones se están moviendo. En la analogía de la canica, ahora el conductor
no es un cuenco: es una especie de surco en el suelo, por el que se mueven los
electrones. Que los electrones se muevan por él no quiere decir que sean libres:
no pueden salir del conductor salvo que alguien les dé energía (los “saque del
43
Antecedentes
surco” de un empujón). Llegamos ahora al quid de la cuestión. Se supone que no
tiene un solo conductor sino dos conductores diferentes, el conductor “verde” y el
conductor “rojo” (Figura 12). Y se supone que ambos conductores no “amarran”
los electrones igual de intensamente: el conductor verde es un cuenco (o un surco,
cuando los electrones se mueven) muy profundo, es decir, los electrones en el
conductor verde tienen muy poca energía. Pero el conductor rojo es menos avaro
con sus electrones, es un “cuenco poco profundo”, y los electrones que circulan
por él tienen más energía haría falta poco trabajo para arrancarlos de él.
Si se conectan estos dos conductores (uno cuyos electrones tienen muy poca
energía, y otro cuyos electrones tienen más energía) uno a continuación del otro, y
a una pila, de modo que por ellos circule la corriente eléctrica, ocurre una
circulación lineal. Un electrón que circula por el conductor verde tiene muy poca
energía, y llega un momento en el que tiene que pasar al conductor rojo. Es como
si una canica fuera por un surco muy profundo y se encontrase con una “cuesta
arriba” que lo conecta con un surco menos profundo. Lo que sucede entonces es
lo mismo que sucedería con la canica: según ésta sube la cuesta, gana energía
potencial pero pierde energía cinética, es decir, cuando llega arriba se mueve más
despacio de lo que hacía abajo. Al electrón le sucede exactamente lo mismo:
cuando pasa del conductor verde (donde su energía potencial eléctrica es muy
pequeña) al conductor rojo (donde tiene más energía potencial eléctrica) se mueve
más despacio. Pero, puesto que la temperatura es una medida de la energía
cinética media de las partículas que componen un material (y los electrones son
esas partículas), como consecuencia lógica e inevitable la temperatura de la zona
de transición de un conductor a otro desciende. ¡Se enfría! El efecto contrario,
cuando el electrón que se mueve despacio y va por un “surco poco profundo” pase
del conductor rojo al verde, evidentemente, justo lo contrario: según “baja la
cuesta” y cae hacia el conductor verde, donde su energía potencial eléctrica es
menor, se acelera y como consecuencia, la temperatura de la “cuesta abajo”
aumenta. Al final lo que sucede es que se tiene un circuito cerrado, una de cuyas
mitades está más caliente que la otra; de hecho, una está más fría que la
44
Antecedentes
temperatura ambiente y la otra está más caliente (cuantos más electrones
recorran el circuito, mayor diferencia de temperatura). Al igual que en los sistemas
de refrigeración por compresión de los que hablamos antes, ocurre algo muy raro
y que parece antinatural: Donde antes no había una diferencia de temperatura,
ahora la hay, como consecuencia de que la temperatura no sea otra cosa que una
medida de cómo de rápido se mueven las partículas de un material.
2.3.3 Avances tecnológicos en Peltier.
Casano et al. [45] reportó una investigación experimental del rendimiento de un
dispositivo para generación de energía, en el que utilizo múltiples módulos Peltier
en el modo de Seebeck (Figura 13). En el termoeléctrico generador analizó la
tensión para el circuito "abierto" y "cerrado" de manera teórica y experimental así
como; la potencia eléctrica y la eficiencia de conversión en función de la
temperatura. Utilizó una resistencia de Joule como la fuente térmica en lugar del
calor residual. Los datos experimentales dan información significativa sobre el
comportamiento del generador termoeléctrico en particular los efectos de los
detalles prácticos, pero inevitables, se ponen de manifiesto, por ejemplo, como la
sujeción de los pernos y la instalación de aislamiento térmico entre TEM son
fundamentales en la transferencia de calor y generación de potencia.
Fig. 13 Configuración del generador termoeléctrico.
45
Antecedentes
En las últimas décadas se ha tenido un gran avance en la utilización de estos
equipos, debido a que no presentan partes móviles que puedan causar
vibraciones o ruido y sobretodo son amigables con el medio ambiente.
Wei et al. [46] realizó experimentación utilizando agua como fluido de trabajo
para el sistema de enfriamiento y calentamiento en donde sus resultados muestra
que en la parte de enfriamiento no es tan significativo el incremento o la
disminución del caudal, sin embargo los efectos del lado caliente si son
significativos. Así que al emplear sistemas Peltier la transferencia de calor que
causa mayores efectos ya sea cuando se utiliza como generador o enfriador será
el lado caliente de la celda Peltier. Debido a lo anterior en la experimentación
realizada en la presente investigación deberá ser fundamental la variable
temperatura relacionada con el medio ambiente.
Las celdas Peltier también han sido utilizadas para remover calor de celdas
foto-voltaicas cuando se utilizan concentradores solares para incrementar el flujo
de radiación solar sobre la superficie de la celda foto-voltaica como se muestra el
la Figura 14 mejorando la eficiencia de transformación de energía solar a energía
eléctrica. [47]
Matthieu et al. [48] realizó un estudio numérico experimental para calentamiento
y enfriamiento de aire, en la experimentación utilizo aletas de aluminio (3 grupos
con 101 canales) para la disipación de calor, el arreglo de las aletas forman
canales de 0.7 mm de alto, 10 mm de ancho y 135mm en longitud. Las paredes
tienen 0.2 mm de espesor. El contacto con la celda se realizo mediante placas de
cobre con 0.6 mm de espesor y grasa térmica, como se muestra en la Figura 15.
El fluido de trabajo empleado para disipar el calor de la celda es agua a un flujo de
20 l/min. Los modulos Peltier son de 124 mm X 62 mm. La parte de baja
temperatura del modulo Peltier es aire como se ve en la Figura 16. Las variables
del experimento son presión, temperatura y flujo. Matthieu et al. lograron obtener
COP de hasta 1.5 en la región de alta temperatura y de 2 en la región de baja
temperatura, con deltas de temperatura máximos que oscilan entre 5-10 °C.
46
Antecedentes
Fig. 16 Arreglo general para aletas de Aluminio: (Aire, Agua)
En el área de refrigeración domestica Vián y Astrain [49] desarrollaron un
prototipo (Figura 17) empleando sistemas de capilaridad y efecto termosifónico de
doble fase. El volumen de refrigeración descrito es de 0.225 m3 con el objetivo de
mantener los alimentos a una temperatura de 5 °C. Aplicando el sistema de efecto
termosifónico de doble fase incrementaron el COP en un 66%, logrando mantener
en cero ruido el equipo de refrigeración ya que no se implementaron partes
movibles.
Fig. 15 Arreglo para aletas de Aluminio. Fig. 14 Estructura típica para una celda Foto-voltaica acoplada a una placa fría Peltier.
47
Antecedentes
Fig. 17 Componentes del prototipo termoeléctrico.
Pérez et al. [50] evaluó el comportamiento de una mono-celda Peltier cuando
actúa como enfriador, mediante simulación con elemento finito como se muestra
en la Figura 18. El sistema es desarrollado en tres dimensiones con formulación
no linear, usando la dependencia cuadrática de la temperatura y las propiedades
del material. Considerando simetrías en la geometría describe el comportamiento
de la intensidad eléctrica. Al comparar los resultados experimentales de una
mono-celda Peltier de Bi2Te3 con la simulación en elemento finito proyecta
confiabilidad en la simulación por lo cual, posteriormente realizó extrapolación a
mono-celdas Peltier de Al2O3, Cu y Sn-Pb.
48
Antecedentes
Fig. 18 Elemento finito en mono-celdas Peltier.
49
Justificación
CAPÍTULO III
Justificación
En México el sector agropecuario se caracteriza por ocupar una enorme población económicamente activa, a la par sus rezagos lo hace poco competitivo y económicamente deprimido. Un factor importante para su desarrollo es el acceso a energía principalmente en zonas donde las instalaciones de red eléctrica son costosas.
En el pasado se ha apoyado a este sector con fuertes subsidios energéticos, especialmente en combustibles fósiles; los cuales siguen siendo insumos principales para la generación de electricidad.
En función de estos factores, el acceso a energía eléctrica sigue siendo uno de los grandes rezagos, dificultado por las enormes inversiones que tendría que realizar el estado para garantizar el suministro a cada rincón del estado.
Debido a esto, la Industria alimentaria de bienes perecederos se ve especialmente limitada por este factor al dificultar enormemente su acceso a sistemas de refrigeración y conservación puesto que requieren energía para su funcionamiento. Paradójicamente dónde más refrigeración se requiere es donde hay más sol y es precisamente donde se hace viable el aprovechamiento de la energía fotovoltaica
Por otro lado, los sistemas de refrigeración para estas zonas deben ser accesibles en tecnología y de bajo consumo eléctrico debido a las limitantes que
50
Justificación
aún existen con la utilización de energía fotovoltaica principalmente por la eficiencia de transformación.
Los sistemas de refrigeración se caracterizan por un alto consumo energético, en especial en Querétaro donde aún en invierno las temperaturas en el día pueden fácilmente rebasar los 25 °C. Los sistemas de refrigeración mediante energías alternativas tienen poca madurez a nivel industrial
Otro factor es el tecnológico ya que en los sistemas actuales de refrigeración el consumo de energía eléctrica es elevado, de acuerdo a la literatura descrita en la presente investigación es posible la energización foto-voltaica de sistemas de refrigeración por absorción y Peltier que pueden ser optimizados en la geometría de las aletas que transfieren calor dentro del evaporador.
Tomando en cuenta estos factores, se pueden desarrollar sistemas de refrigeración basados en energías renovables que puedan operar en áreas remotas en forma autónoma y eficiente con energía fotovoltaica.
51
Objetivos
CAPÍTULO IV
Objetivos
Objetivo general
Realizar un prototipo de refrigeración por sistemas independientes;
Peltier y absorción, para enfriamiento a 4 °C de productos en el sector
agroindustrial del Estado de Querétaro basados en fuentes de energía
fotovoltaica mediante la optimización de disipadores de calor.
Objetivos específicos
Evaluar un sistema de refrigeración fotovoltaico-Peltier para obtener hielo mediante la disponibilidad de radiación solar, monitoreando las variables eléctricas; voltaje, corriente y potencia en las diferentes etapas de transformación así como el comportamiento térmico del volumen de agua.
Evaluar diferentes configuraciones de paneles fotovoltaicos para estimar la mínima potencia fotovoltaica de operación y las eficiencias en las etapas de transformación; Pv/Sun, Peltier/Sun y Peltier/Pv del sistema de refrigeración fotovoltaico-Peltier para la obtención de hielo mediante el
52
Objetivos
monitoreo de variables eléctricas; voltaje corriente y potencia así como el comportamiento térmico del volumen de agua.
Estimar la operación del sistema de refrigeración por absorción amoniaco-agua para obtener hielo con la potencia fotovoltaica de 370 watts mediante el monitoreo de variables eléctricas; voltaje corriente y potencia, así como las eficiencias de transformación y el comportamiento térmico del agua.
Evaluar la transferencia térmica de un disipador de aluminio con geometría comercial (Picos) acoplado a una celda Peltier en un volumen de aire para optimizar su desempeño mediante herramientas de diseño y elemento finito a partir de la adquisición de termografías y variables de temperatura y velocidad de enfriamiento.
Evaluar la transferencia térmica de un disipador de aluminio con geometría comercial (Canales Planos) acoplado a una celda Peltier en un volumen de aire para optimizar su desempeño mediante herramientas de diseño y análisis de elemento finito a partir de la adquisición de termografías y variables de temperatura y velocidad de enfriamiento.
Validar el diseño y la transferencia térmica de un disipador de aluminio con geometría optimizada (Circular) acoplado a una celda Peltier en un volumen de aire para verificar su desempeño mediante el análisis en elemento finito a partir de la adquisición de termografías y variables de temperatura y velocidad de enfriamiento.
Evaluar el desempeño de las geometrías plana y circular mediante el comportamiento térmico y eléctrico para la refrigeración de aire a 4 °C.
53
Métodos y Materiales
CAPÍTULO V
Métodos
54
Métodos y Materiales
5.1 Experimentación para obtención de hielo mediante celda Peltier
Figura 5.1 Fabricación de hielo con 370 Watts de potencia fotovoltaica instalada.
55
Métodos y Materiales
5.2 Experimentación para la obtención de hielo com diferentes potencias fotovoltaicas.
Figura 5.2 Fabricación de hielo de 50-370 Watts de potencia fotovoltaica y sistema de refrigeración Peltier.
56
Métodos y Materiales
5.3 Experimentación para la obtención de hielo mediante sistema de absorción amoníaco-agua.
Figura 5.3 Fabricación de hielo con celdas fotovoltaicas instaladas 370 Watts y eficiências determinadas.
57
Métodos y Materiales
5.4. Adquisición de termografía del disipador de picos y análisis de datos mediante el software Ansys
Figura 5.4 Toma de termografías al sistema de refrigeración con disipador de picos.
58
Métodos y Materiales
5.5. Adquisición de termografía del disipador de canales planos y análisis de datos mediante el software Ansys
Figura 5.5 Toma de termografías al sistema de refrigeración com disipador plano.
59
Métodos y Materiales
5.6 Adquisición de termografía del disipador circular y análisis de datos mediante el software Ansys
Figura 5.6 Toma de termografías al sistema de refrigeración com disipador circular (PROPUESTA DE DISEÑO).
60
Métodos y Materiales
5.7 Experimento para evaluar las temperaturas y el desempeño del disipador de aletas planas por médio del sistema de absorción amoníaco-agua para la obtención de 4 °C en el volumen de aire.
Figura5.7 Sistema de refrigeración para evaluación del desempeño de disipador de aletas planas.
61
Métodos y Materiales
5.8 Experimento para evaluar las temperaturas y el desempeño del disipador optimizado; por médio del sistema de absorción amoníaco-agua para la obtención de 4 °C en el volumen de aire.
Figura 5.7 Sistema de refrigeración para evaluación del desempeño de disipador optimizado.
62
Métodos y Materiales
Materiales
63
Métodos y Materiales
Paneles solares
3 paneles solares marca Energy Q50,
o Potencia nominal 50 W
o Voltaje a circuito abierto 20.0 V
o Corriente en corto circuito 3.47 A
o Modulo poli-cristalino
o Dimisiones (LXWXH): 0.610x0.655x0.034 m
2 paneles solares marca Yingli,
o Potencia nominal 110 W
o Voltaje a circuito abierto 22.0 V
o Corriente en corto circuito 7 A
o Modulo mono-cristalino
o Dimisiones 1.470x0.680 m
Controlar de carga
1 controlar de carga marca Syscom
o Corriente de salida 12 A
o Voltaje 11-15 V
o Dimensiones 0.142x0.09x0.055 m
Baterías
64
Métodos y Materiales
2 baterías marca Prevailer PV27DC
o Batería de ciclo profundo 86 A
o Voltaje 12 V
o Peso 30 kg
o Dimensiones 0.31x.17x.24 m
Inversor
1 Inversor marca Vector VEC050C
o Voltaje 10-15.5 V
o Potencia de salida 1500 W
o Tensión de salida 120 VCA
o Eficiencia 85%
Celdas peltier
1 celda peltier marca Laird Technologies
o Voltaje 12 V CD
o Corriente 3 A
o Potencia 36 W
1 celda peltier marca Laird Technologies
o Voltaje 12 V CD
o Corriente 4 A
65
Métodos y Materiales
o Potencia 48 W
Sistema de refrigeración por absorción
1 Sistema de refrigeración amoniaco-agua modelo RE-ABS-01
o Voltaje 127 V
o Corriente 1.4 A
o Resistencia eléctrica de 150 W
o Dimensiones 0.8x0.675x.45 m
o Con fluido de trabajo amoniaco-agua, enfriado por convección
natural aire
Evaporador;
Los materiales empleados fueron: Acero inoxidable, Madera, Unicel. Con un
volumen de aire de 0.0866 m3 aislado con unicel de 0.05 m de espesor.
66
Métodos y Materiales
Software ANSYS
ANSYS versión 12.1, el software permite simular el flujo de fluidos en diseños
de modelos físicos y su comportamiento relacionado con la transferencia de calor.
Maquinaria
1. Centro de maquinado Dynamach 1060VMC, 4 ejes.
2. Rectificadora “Perfect Machine”, modulo PFG-1550H.
3. Fresador universal MY321m.
4. Torno paralelo, 1 m entre puntos, modelo LUNAN-1640.
5. Guillotina de pedal, modelo 19898.
Equipo de medición
1. Digital multimeter, model GDM-845, DC, 10 V a 100 V, 0.01 A a 20
A, 0.01 a 20 M , marca HUNG CHANG
2. Infrared temperature probe 80T-IR, 18°C a 260°C, 3% de error, marca
FLUKE.
3. Professional multitester M-270, DC, 200 mV a 1000 V, 2 mA a 20 A,
temperature -20°C a 1000°C, 1 a 200 M , marca STEREN.
4. Universal multimeter, DC, 100 V a 500 mV, 1 A a 10 A, 0.1 a 50
M , marca ESCORT.
5. Estación meterologica em Lat: N 20 ° 22 ' 12 '' ( 20.370 ° ), Lon: W 100 °
0 ' 6 '' ( -100.002 ° ), Altura (ft): 6359 ,Hardware: VANTAJE PRO PLUS y
Software de Wunderground v.1.15
6. Calibrador electrónico marca Mitutoyo de 0 a 8 pulgadas.
7. Comparador óptico Mitutoyo modelo PJ3000
67
CAPÍTULO VI
Resultados
68
6.1 Congelación de agua
Se acoplaron los 6 paneles fotovoltaicos conectados en paralelo obtenido una potencia
nominal de 370 W. El sistema es conectado al controlador de carga y 2 baterías, la salida
de energía es transformada mediante un inversor como se muestra en la Figura 1.
Fig. 19 Diagrama eléctrico de sistema fotovoltaico con sistema de refrigeración Peltier
como carga.
Se monitorea la potencia de los componentes: paneles fotovoltaicos, baterías y
el inversor además de la cantidad de radiación solar que es absorbida por los
paneles.
En la Figura 2., se muestran los resultados para los cuales la radiación solar
cuando el sistema esta operando con todos los paneles Foto-Voltaicos (370 W) se
multiplica por el área total de colección que es de 3.195 m2 para obtener potencia
(W), logrando una medida de comparación directa con los demás equipos que
intervienen en el sistema.
69
La potencia solar, varia entre 1550 y 2450 Watts, permitiendo al inversor
trabajar a una potencia estable de 36 W,al inicio de la operación la baterias se
encuentran descargadas por tal motivo en la Figura 2 la curva es descendente
puesto que el sistama fotovoltaico esta alimentando las baterias y despues de
ocho minutos inicia la operación del inversor manteniendo estable la potencia de
las baterias. Los paneles fotovoltaicos aun con la variación de la radiacion solar
permance una potencia estable de 92 W.
Fig. 20 Comportamiento del sistema de energía renovable
El sistema acoplado a una celda Peltier de 36 W en la cual se le agrego un
evaporador de cobre que almacena 100 ml de agua con el objetivo de cambiar de
70
fase liquida a solida los resultados en función del tiempo se muestran en la Figura
3. El volumen de control que es el evaporador logra un cambio de temperatura de
18 °C a -2 °C obteniendo el cambio de fase en un lapso de tiempo de una hora
aproximadamente. La misma Figura 3 muestra que la temperatura ambiente es
poco variable entre 19 °C y 21 °C.
Fig. 21 Comportamiento del evaporador.
6.2 Determinación de la mínima energía para obtención de hielo
Las paneles fotovoltaicos obtienen la máxima transformación de energía en el
zenit por lo cual el experimento se inicio a las 12:00 horas con una duración de
2h45. Al inicio de la experimentación se energizo el sistema con toda la potencia
disponible desconectando cada 15 min un panel fotovoltaico como se muestra en
la tabla 1.
Tabla 5 Secuencia de desconexión de paneles solares para disminuir área
Tabla de conexiones de Paneles solares
Panel Prueba
1 Prueba
2 Prueba
3 Prueba
4 Prueba
5 Prueba
6 Prueba
7 Prueba
8 Prueba
9 Prueba
10 Prueba
11
50W * - - * - * * * - * *
50W * * - * - * - * - * -
50W * * * * - - - * - - -
110W * * * * * * * - * - -
71
Los resultados del comportamiento de las potencias se muestran en la Figura
4., aunque la radiación solar durante el tiempo de experimentación es
aproximadamente 600 W/m2 en la Figura se muestra una tendencia a la baja
debido a la disminución del área de colección solar. La potencia fotovoltaica
también presenta esta tendencia debido al mismo efecto iniciando con 80 W y
finalizando con 34 W. Como al inicio de la experimentación se tiene toda la
potencia máxima fotovoltaica las baterías que en un inicio se encontraban
descargadas se abastecen rápidamente hasta 24 W mas sin embargo al final de la
experimentación la potencia se torna negativa (-24 W) debido a que no es
suficiente la energía proveída por los paneles por lo tanto la energía la proveen las
baterías, manteniendo una potencia de 36 W en el inversor.
110W * * * - * - - - - - -
Total W
370W 320W 270W 260W 220W 210W 160W 150W 110W 100 50W
Área total
3.195m2 2.796 m2
2.397m2 2.196m2 1.998m2 1.797m2 1.398m2 1.197m2 0.999m2 0.798m2 0.399m2
*Panel conectado
-Panel desconectado
72
Fig. 22 Comportamiento de carga a la desconexión de los paneles
Los efectos en el evaporador que contiene los 100 ml de agua se muestran en
la Figura 5., en la cual muestra un salto de temperatura alrededor de las 14h00
que se puede deber a la formación de hielo entre la superficie del evaporador y el
termopar.
73
Fig. 23 Evolución de la temperatura para congelamiento de agua
Con los datos obtenidos en la Figura 4 se determinaron las eficiencias en cada
etapa de transformación, como son eficiencia fotovoltaica/solar (PV/Sun),
eficiencia Peltier/Sun, Eficiencia Peltier/Fotovoltaico (Peltier/PV) Cuando las
potencias son 370 W, 320 W, 270 W, 260 W, 220 W, 210 W, 160 W, 150 W, 110
W, 100 W y 50 W, y una carga Peltier de 36 W, los resultados se muestran de la
Figura 6 hasta la Figura 27
La máxima eficiencia experimental de transformación PV/Sun es de 11% que es
acorde a los datos de placa del fabricante. A medida de que se incrementa la
potencia debido al aumento de la radiación solar la tendencia en la eficiencia es a
la baja como se muestra en la Figura 6 que relaciona PV/Sun y Peltier/Sun debido
al exceso de energía disponible. En la Figura 6 que relaciona Peltier/PV presenta
una cresta en el incremento de la eficiencia; debido a la corriente pico de arranque
de operación de la Peltier, este incremento de eficiencia es consecuencia de la
gran disponibilidad de energía fotovoltaica comparada con la energía que requiere
la carga. De la Figura 7 a la 15 presentan similar comportamiento sin embargo en
la Figura 16 ya no se presenta esta cresta debido al balance entre la energía
74
fotovoltaica y la energía en la carga Peltier presentando así su máxima eficiencia
del 97%
Fig. 25 Panel 270 W, 2.394 m2.
Fig. 26 Panel 320 W, 2.791 m2
Fig. 24 Panel 370 W, 3.195 m2
75
Fig. 27 Panel 210 W, 1.792 m2.
Fig. 28 Panel 220 W, 1.998 m2
Fig. 29 Panel 260 W, 2.188 m2.
76
Fig. 30 Panel 110 W, 0.999 m2
Fig. 32 Panel 150 W, 1.189 m2.
Fig. 31 Panel 160 W, 1.395 m2.
77
6.3 Comportamiento del sistema amoniaco-agua.
El experimento consistió en el acoplamiento del sistema fotovoltaico al
refrigerador por absorción amoniaco-
agua el cual obtiene su energía
térmica mediante una resistencia de
110 W. El diagrama de interconexión
se muestra en la Figura 17 El
procedimiento consistió en la conexión
de 370 W fotovoltaicos para la Fig. 35 Diagrama eléctrico para absorción
Fig. 33 Panel 50 W, 0.3965 m2
Fig. 34 Panel 100W, 0.793 m2.
78
obtención del comportamiento de la potencia en el panel, baterías, inversor
cuando varía la radiación solar durante 2 horas. Los resultados se muestran en la
Figura 18 la cual muestra un incremento en la radiación solar a la hora del Zenit,
alrededor de las 13:00 horas mas sin embargo debido a que la carga es constante
la potencia del inversor permanece estable en un valor aproximado de 104 W. La
potencia en la batería es
negativa debido a que
inicialmente se encontraba
descargada y los 140 W
fotovoltaicos no fueron
suficientes para abastecer
104 W de la carga del
inversor y solo 36 W se
disponían para la batería
que en el lapso de tiempo
que duró el experimento no
terminó de cargarse.
Al sistema de refrigeración
amoniaco-agua se le acoplo
el mismo contenedor con
capacidad de 100 ml de
agua al evaporador, para
determinar el
comportamiento de la
temperatura en función del
tiempo, los resultados se
muestran en la Fig. 19
En la cual la temperatura
ambiente de 18.5 °C
Fig. 37 Variación de la potencia en función a la radiación solar
Fig. 37 Comportamiento de la temperatura para 100 ml de agua.
79
presentó una variación de 2 °C durante el experimento de 2 horas, la temperatura
promedio a la salida del condensador primario se estabilizó en aproximadamente
25 °C obteniendo una variación de temperatura de aproximadamente 25 °C
logrando la transformación de liquido a sólido en la primera hora de trabajo.
Se determinaron las eficiencias de transformación en cada etapa cuando es
energizado a 370 W fotovoltaicos los cuales se muestran en la Figura 20. La
formulación teórica se inicio con la ecuación 1 quede fine la eficiencia en la
transformación solar fotovoltaica; la eficiencia en la transformación fotovoltaica
inversor es la ecuación 2 y la ecuación 3 la solar absorción.
(1)
Donde
Psun=[Radiación directa solar (W/m2)/Área de paneles fotovoltaicos (m2)] Watts
(2)
Donde
(3)
Donde
(4)
Coeficiente de operación
80
Los sistemas de refrigeración se pueden considerar como un sistema reversible
perfecto, el efecto de refrigeración neta es el calor absorbido por el refrigerante en
el evaporador a. Teóricamente el COP esta dado por
(5)
Donde Te = Temperatura en el evaporador
Tb = Temperatura en el boiler
Ta = Temperatura ambiente
Eficiencia Solar de enfriamiento; para comparar dos métodos de un punto de vista
de la eficiencia es necesario definir un término llamado eficiencia de refrigeración
solar (Sola rCooling Efficiency; SCE) b.
(6)
Donde EPS = Eficiencia del Panel Solar =
COP = Coeficiente de Operación
Los resultados de la experimentación muestran una eficiencia de
transformación solar fotovoltaica permanece constante debido a que relaciona las
propiedades de los materiales de construcción de la celda fotovoltaica. La
transformación fotovoltaica e inversor aumenta al final del experimento debido a
que en un inicio se cuenta con mucha energía disponible de las celdas
fotovoltaicas y se requiere una energía mínima en el inversor por lo tanto se tienen
grandes desperdicios de energía, al final del experimento la energía proveída por
las celdas fotovoltaicas es aprovechada en su totalidad incrementando así la
eficiencia. En la solar absorción se muestra una tendencia constante pero después
de dos horas con diez minutos, baja la radiación solar por un lapso de cinco
a Dingfeng Kong, Jianhua Liu, Liang Zhang, Hang He, and Zhiyun Fang, "Thermodynamic and Experimental Analysis
of an Ammonia- Water Absorption Chiller," Energy and Power Engineering, no. 2, pp. 298-305, Noviembre 2010.
b Sargon Ishaya, "Solar Cooling with Concentrators," ASHRAE Transactions, vol. 116, pp. 226-235, 2010
81
minutos por tal motivo aumenta la eficiencia. Lo que respecta a la eficiencia solar
de enfriamiento es el producto de multiplicar la eficiencia solar fotovoltaica con el
COP, el cual
muestra un
comportamiento
al principio de la
prueba valores
altos, debido al
coeficiente de
operación que es
elevado,
conforme pasa el
tiempo el SCE se
estabiliza en
consecuencia a
la estabilización
en las temperaturas en el boiler y el evaporador.
6.4 Diseño y construcción de cámara de enfriamiento
Una ves que nos dimos cuenta que se podía cambiar de fase de liquido a solido
a 100 ml de agua, nos dimos a la tarea de fabricar una cámara de refrigeración en
donde pudiéramos montar el sistema de refrigeración absorción amoniaco-agua y
Peltier.
Con las siguientes dimensiones:
Dimensiones internas 0.42 m X 0.32 m X0.26 m
Volumen de aire 0.0349 m3
Fig. 38 Eficiencias en absorción.
82
En el interior esta
constituido por una
lámina de acero
inoxidable calibre 22,
una capa de aislante
poliestireno
expandido de 50 mm
de espesor y al final
una capa de un
aglomerado de
madera de 15 mm. La
Figura 21, 22 y 23
muestran la disposición final de la cámara
Fig. 39 Cámara de refrigeración.
83
Fig. 40 Vistas del modelo.
Fig. 41 Interior de la cámara.
84
6.4.1 Pruebas preliminares
En el mercado existe una gran variedad de disipadores de calor con diferentes
geometrías y usos, de ese basto número de formas y tamaños elegimos dos
diferentes que les nombraremos disipador picos y plano, ver las Figuras 24 y 25.
Una vez determinadas
las geometrías de los
disipadores a
experimentar, se realizaron
los ajustes necesarios para
sujetarlos al evaporador
del sistema Peltier que a
su vez se montaría en la
cámara de refrigeración.
Obteniendo los
comportamientos de
temperatura en función del
tiempo mostrados en la
Figura 26. Donde la
Fig. 42 Disipador picos.
Fig. 43 Disipador plano
Fig. 44 Grafica de temperaturas contra el tiempo.
85
velocidad de enfriamiento de la geometría de picos es mayor comparada con la
geometría de aletas planas aunque esta tengan la misma área superficial de 0,066
m2, por lo tanto una de las principales hipótesis de este trabajo sustenta que la
geometría tiene una relación fundamental con la velocidad de enfriamiento, por lo
cual se procedió al análisis experimental y teórico utilizando herramientas
computacionales para determinar una geometría que muestre similares
velocidades de enfriamiento pero con la mitad de área superficial.
De los datos recabados en la Figura 26 se obtienen los deltas de temperatura
(DT) que para el disipador de picos fue de 12,4 °C y para la plana fue de 10,2 °C
después de una hora de funcionamiento, para insertarlos en la Figura 27.
Fig. 45 Grafica de Rendimiento
DA PowerCool Series, DA-044-12-02, Thermoelectric Assembly,
[email protected], www.lairdtech.com/thermal
De la Figura 27 nos apoyamos para obtener los coeficientes de operación para
ambos disipadores y el trabajo generado por el evaporador a demas utilizamos las
siguientes formulas.
86
La tabla 2 muestra los datos obtenidos en las pruebas preliminares Tabla 6 Datos de pruebas preliminares
Disipador W elec. (W) ∆T Qc (W) COP W evap. (W)
Plano 34.5 10.2 31.5 0.32 11.17
Picos 34.5 12.4 30 0.41 14.26
Una vez determinado el coeficiente de operación (COP) del sistema, la
distribución de temperaturas se obtuvo por medio de una cámara termográfica
durante los primeros 15 min de funcionamiento, como se muestra en las Figuras
28-32.
Fig. 46 Termografía del minuto 1 al 3
Fig. 47 Termografía del minuto 4 al 6
Fig. 48 Termografía del minuto 7 al 9
87
Fig. 49 Termografía del minuto 10 al 12
Fig. 50 Termografía del minuto 13 al 15
Como se puede observar en la serie de Figuras anteriores la distribución de
temperaturas no es homogénea y hay una disparidad entre el centro del disipador
y las orillas. La siguiente Figura 33 muestra el comportamiento de la distribución
de temperaturas en perspectiva cabe señalar que hay muchos puntos por
mencionarlo de esta manera hay puntos calientes.
Fig. 51 Distribución de temperatura en la placa picos
88
Las Figura 34 muestra el diferencial de temperaturas en la placa picos que es de
3°C del lado más frio al más caliente.
La siguiente secuencia de Figuras 35-39 muestra la distribución de temperaturas
en la vista de planta para el disipador con geometría plana.
Fig. 53 Termografía del minuto 1 al 3
Fig. 54 Termografía del minuto 4 al 6
Fig. 52 Diferencial de temperaturas
89
Fig. 55 Termografía del minuto 7 al 9
Fig. 56 Termografía del minuto 10 al 12
Fig. 57 Termografía del minuto 13 al 15
Al igual que la serie de termografías del
disipador picos, en esta hay una gran
disparidad en distribución de temperaturas
del centro de la placa a las orillas. La Figura
40 muestra la distribución de temperaturas
en perspectiva.
La Figura 41 muestra el diferencial de
temperaturas de la parte mas fría a la parte
mas caliente que es de 2,5°C
Fig. 58 Distribución de temperatura en la placa plana.
90
Todos los datos recabados tanto de las temperaturas como las termografias
dentro de la camara, con cada uno de los disipadores sirven para alimentar un
software de simulacion por elementos finitos.
6.4.2 Diseño de disipador
El proceso de simulación se llevo a cabo por un software que procesa
información por elemento finito, llamado ANSYS V12.1, el diseño de las
geometrías, se realizo con SolidWorks 2011-2012 Profesional así con la
herramienta HSM Works para la integración de CAD/CAM
El proceso de medición de los disipadores no es común debido a la complejidad
en la geometría por lo cual se utilizaron instrumentos de medición avanzados
llamados indirectos por la forma en que adquieren las mediciones. El método para
el medidor de perfiles (Figura 43) consiste en ubicar la pieza en una mesa X, Y, Z
la cual posteriormente va a ser incidida un haz de luz que será reflejado mediante
espejos y finalmente amplificado sobre una pantalla opaca en la cual se realiza la
medición. El medidor de perfiles cuenta con una precisión de diez milésimas de
milímetro, suficiente para dimensionar la geometría que se construirá en
SolidWorks®. Se dibuja en SolidWorks® (Figura 44) debido a que es una
herramienta computacional diseñada para la elaboración de dibujos paramétricos.
ANSYS® cuenta con un modulo para dibujo, pero esta encaminado a la simulación
Fig. 59 Diferencial de temperatura en la placa plana
91
por lo cual es recomendable realizar las geometrías en un software de dibujo
paramétrico para exportarlos a un software de simulación.
El término CAD/CAD/CAE se refiere a CAD: Comprende la parte de diseño,
CAM: Comprende la parte de manufactura y CAE: se refiere a la parte de
simulación. La metodología empleada que engloba estos términos se muestra en
la Figura 42.
Fig. 60 Proceso CAD/CAM/CAE
92
Fig. 62 Proceso de diseño con SolidWorks
Una vez realizadas las geometrías se exportan al software de simulación, al
modulo Transient Thermal, donde se verifica la construcción de la geometría, se
recomienda utilizar la extensión Parasolid. Se definen las propiedades del material
para el caso en particular Aluminum Alloy. Es importante el tipo de mallado ya que
de esto dependerá en gran parte los resultados de la simulación; Se eligió un
mayado mecánico con un centro de relevancia grueso y una longitud en las líneas
Fig. 61 Medidor de perfiles con geometría aleta plana
93
de 5X10-5 m, como se muestra en la Figura 45 a). Se inserta los valores en estado
transitorio del comportamiento térmico experimental como se muestra en la Figura
45 b), se ha considerado una temperatura inicial ambiente de 27.7 °C de acuerdo
a las condiciones en las que se desarrollo la experimentación.
El heat flow que necesita el programa, es el calor que se remueve dentro del
evaporador, calculado en la Tabla 2 de la presente sección, el cual de 14.26 W
insertado en la superficie de 60 mm x 40 mm que son las dimensiones de contacto
tanto como en Peltier como para
absorción.
Por ultimo se insertan los valores
convectivos para las superficies
horizontales y verticales que fueron
de 13 W/m2 °C y 10 W/m2 °C
respectivamente propuestos por
Holman c. Un ejemplo se muestra en
la Figura 45 b) y 46. Una vez
terminada esta etapa se procede a
la solución para la cual podemos
Fig. 63 Mallado para geometría de picos y comportamiento térmico
a) b)
c Convección forzada, Corriente de aire a 2 m/s sobre placa cuadrada de 0.2 m de lado, h= 12 W/m
2 °C
J. P. Holman, Heat Transfer, Mc Graw Hill, New York, 1998, pag. 8
Fig. 64 Coeficiente de convección en superficie vertical y temperatura ambiente
94
elegir el comportamiento de la temperatura y el direccionamiento del flujo de calor
mostrado en la Figura 48, en donde se puede apreciar la distribución de flujo de
calor en iso superficies. La Figura 47 muestra los resultados en iso superficies las
temperaturas van de -1,51°C a 3,72°C donde los puntos más fríos son de color
azul y los más calientes en color rojo.
La Figura 49 muestra una vista
de planta de la geometría simulada
y la termografía de esta misma vista
en la cual se puede observar la
distribución de temperaturas. El
objetivo de la experimentación es
lograr una mínimo diferencial en la
distribución de temperaturas, la
Figura muestra un diferencial de 3,2
°C, tanto para la simulación como
para la termografía esto significa
que la información alimentada al
software es congruente con la
experimentación, y que si no
modificamos estos valores podemos
continuar modificando la geometría Fig. 67 Comparación de resultados
Fig. 66 Resultados vista frontal de la geometría
Fig. 66 Resultados en iso superficies
95
y nos dará valores relativamente congruentes con la parte real. Es necesario
cortar material para la optimización del disipador pero de una manera cuantitativa,
lo cual lo puede realizar el software al seleccionar el diferencial de temperatura
requerido como se muestra en la Figura 50.
Los datos recabados en las pruebas preliminares también se aplicaron a la
geometría de la placa plana obteniendo las imágenes mostradas en la figura 51
Fig. 68 Volumen a optimizar
Fig. 69 a) Distribución del flujo de calor, b) distribución de temperaturas
a)
b)
96
En la Figura 52 observamos que las hay gran pérdida de calor a partir de la
coloración naranja hasta el rojo, teniendo similar comportamiento que la geometría
de picos, para este caso el corte es menor.
6.4.3 Propuestas de mejora
Una vez que realizamos la simulación y haciendo una comparación de los datos
se da a la tarea de observar el comportamiento de la distribución de calor como se
muestra en la Figura 53, marcando con un rectángulo las áreas críticas, en la
Figura muestra que el calor se distribuye en forma circular y en las esquinas que
son las partes mas lejanas al centro se encuentran las temperaturas mas altas.
Las primeras geometrías propuestas siguen la tendencia de forma cuadrada
eliminando las aletas largas y cortas a demás se redondean las esquinas, como
se muestra en la Figura 54,
Fig. 70 Volumen a optimizar
97
La siguiente geometría se le quita los pequeños mamelones y se sustituyen por
aletas como se muestra en la Figura 55.
Como era de esperarse la distribución de temperatura sigue siendo circular de
tal manera que se decide hacer un propuestas de disipadores circulares con aletas
como se muestra en la Figura 56. En las cuales también se varía el espesor y
forma de las aletas. En la a) Se incremento 10 mm la altura en el centro de las
Fig. 73 Primera geometría propuesta Fig. 72 Geometría con aletas
Fig. 71 Áreas criticas a optimizar
98
aletas con diámetro de 90 mm, b) se cambio la forma de la aleta en una aleta recta
seccionada con la mis altura anterior con un espesor de 3 mm y un ángulo de
salida de 5° redondeando altura inferior con un radio de 10 mm..
Fig. 74 Evolución de las geometrías
a) b)
c) d)
e) f)
99
En la c) se varía los espesor de las aletas; las aletas centrales tienen un espesor
de 3 mm las periféricas largas 2.5 mm y las periféricas cortas 1.75 mm y se le
quita el redondeo quedando una recta con una inclinación de 23°, d) aquí se
incrementa el diámetro a 110 mm el resto permanece constante, e) las aletas
centrales tienen una altura de 19 mm con un espesor de 2.5 mm las aletas
periféricas largas es de 2 mm y las periféricas cortas de 1.75 mm el espesor de la
base es de 3 mm, f) en la base de la geometría se reduce el espesor a 2.5 mm y
se realiza un corte circular de 10 mm en las aletas periféricas.
La Figura 57 es el modelo final teniendo un diferencial de temperatura de 1,9°C
entre la región de alta temperatura a baja temperatura.
6.4.4 Fabricación de disipador modelado
Una vez validado el modelo en CAE, se procede a la integración del CAD con el
CAM por medio de una aplicación de SolidWorks® llamada HSM Works®, como
se muestra en la Figura 58, en la cual se generan las trayectorias de la
herramienta utilizando un cortador vertical de 1/4” con 4 gavilanes como se
muestra en la parte superior, una vez validado el recorrido de la herramienta se
procede a simular el desbaste del material mostrado en la parte media, en la
siguiente etapa se post procesan las trayectorias generando los códigos G y M del
lenguaje de programación ISO, obteniendo 400 mil líneas de programación para el
procesamiento de estos datos se divide el programa en cuatro etapas, para
Fig. 75 Modelo final
100
alimentar el centro de maquinado vertical, las velocidades de avance están en
función del material y el tipo de herramienta que es de 180 mm/min, el maquinado
tuvo una duración de 10.25 horas .
Fig. 76 Simulación de trayectorias y maquinado de disipador
101
6.4.5 Validación experimental del disipador de calor propuesto
Una vez realizado el maquinado se procedió a montar la pieza a la base de la
celda Peltier para tomar termografía durante los primeros 15 minutos al igual que
las dos geometrías anteriores. En las Figuras 59-63 muestra el comportamiento de
la aleta circular durante los primeros 15 min de funcionamiento.
Fig. 77 Termografía aleta circular del minuto 1 al 3
Fig. 78 Termografía aleta circular del minuto 4 al 6
Fig. 79 Termografía aleta circular del minuto 7 al 9
102
Fig. 80 Termografía aleta circular del minuto 10 al 12
Fig. 81 Termografía aleta circular del minuto 13 al 15
Como se puede observa en la Figura 65 la distribución de temperaturas es
similar la teorica a) con la experimental b)
Los comportamientos termicos de este nuevo disipador se muestran en la
Figura 65, en la cual la formación de escarcha es uniforme en todas las aletas,
Fig. 82 Comparativa simulación contra termografía
a) b)
103
esto permite que el flujo convectivo de aire que se incide sobre el disipador
transporte similares cantidades de calor en tola la superficie de la geometria que
permitira un mejor desempeño del evaporador.
La Figura 66 izquierda muestra el comportamiento de la velocidad de
enfriamiento para la aleta plana y circular obteniendo un mejor desempeño la aleta
circular durante los primeros 45 minutos de la prueba posteriormente se mantuvo
estable, de tal manera que a partir de esta grafica se pudo obtener un diferencial
de temperatura y apoyándonos con los datos del fabricante obtuvimos el
Fig. 83 Condensado den la aleta circular
Fig. 84 Comportamiento térmico
104
Coeficiente de Operación mostrado en la Figura derecha. Los datos obtenidos se
muestran en la Tabla 3
Tabla 7 Resultado de las pruebas a los tres disipadores
En la Figura 67se muestra comportamiento de dos disipadores, plato de aletas
planas y el plato circular durante 3 horas, donde T1 es la temperatura en el
evaporador y T2, T3 es la temperatura promedio de la cámara de enfriamiento,
como podemos apreciar en la grafica el disipador que tiene mejor velocidad de
enfriamiento, es el propuesto y llega al objetivo de temperatura promedio en un
lapso de 140 minutos
Área (m2) Welec (W) ∆T Qc (W) COP Wevap (W)
Circular 0,033 34,5 9,1 32 0,28 9,81
plana 0,066 34,5 10,2 31,5 0,32 11,17
picos 0,066 34,5 12,4 30 0,41 14,26
Fig. 85 Grafica de en el enfriador comparando dos disipadores
105
La grafica de la Figura 68 muestra el comportamiento de la aleta circular
montado al evaporador del sistema por absorción en un lapso de tiempo de 12
horas de funcionamiento dónde iniciamos a las 9:15 A.M., con una temperatura
ambiente de 14 °C y 21 °C promedio en la cámara de enfriamiento, con el paso del
tiempo se va incrementando la temperatura ambiente a su vez va disminuyendo la
temperatura promedio al interior de la cámara llegando a 4 °C en un lapso de 140
min decremento. A la mitad de la prueba se muestra un incremento en la
temperatura ambiente llegando a 24 °C, que a su vez repercute en la temperatura
promedio llegando estar entre 4,1 °C y 5,3 por un lapso de tiempo de una hora,
esto quiere decir que el disipador de calor del condensador primario dejo de
disipar calor y su vez repercutió en la temperatura del evaporador del sistema.
Sensor Ubicación Sensor Ubicación
T2 Evaporador T6 Temperatura Ambiente
T1 Mitad del volumen T1, T3 Promedio
T3 Inferior de volumen
Fig. 86 Evolución de temperatura
106
Los datos mostrados en la Figura 69 muestran el comportamiento en de las
temperaturas T4 y T5 ubicados en el condensador primario y el generador
respectivamente, durante los primeros 15 minutos de funcionamiento del sistema
alcanzan sus valores máximos que son de 103 °C para el condensador y 277 °C
para el generador que posteriormente se mantendrán estables a 95 °C y 273 °C
respectivamente, durante toda la prueba.
Fig. 87 Temperaturas de referencia en el sistema de absorción
107
En la Figura 70 se muestra el comportamiento de la potencia eléctrica requerida
por la resistencia de 150 W que utiliza el generador, adicionando un controlador de
temperatura que nos ayuda a ahorrar energía, conectándose y desconectando en
intervalos de 10 y 5 segundos respectivamente, llegando a un máximo de 183 W
estado conectado y a un mínimo de 6 W estado desconectado ya que el
controlador requiere de energía para su funcionamiento.
La grafica de la Figura 71 muestra el comportamiento de la conexión y
Fig. 88 Comportamiento de la potencia eléctrica
Fig. 89 Conexión y desconexión
108
desconexión del controlador de temperatura, se puede apreciar claramente cuanto
tiempo permanece conectado y cuando desconectado.
El consumo total de energía esta mostrado en la Figura 72, como se puede
observar el consumo promedio por hora es de 103 W, que de acuerdo a los datos
adquiridos requerimos durante las primeras 12 horas de funcionamiento 1232 W.
6.4.6 Dimensionamiento de la Instalación fotovoltaica.
El funcionamiento óptimo del sistema de refrigeración depende en gran parte
del desempeño correcto del sistema fotovoltaico para garantizar el suministro de
energía eléctrica de corriente alterna.
El procedimiento básico para dimensionar el sistema fotovoltaico se puede
resumir en los siguientes pasos de cálculo para determinar:
Fig. 90 Energía requerida por hora
109
1. La demanda energética en corriente alterna.
2. La energía diaria requerida en función de la demanda energética.
3. La carga requerida en las baterías.
4. La capacidad en baterías.
5. El número de baterías.
6. El número de módulos.
1. Demanda energética en corriente alterna.
Puesto que los sistemas domésticos operan con energía de corriente alterna se
toman solo valores de CA; de acuerdo con el sistema de refrigeración se tomaron
como promedio 2464 Watts de 24 horas ver Figura 72
2. Energía diaria requerida.
Esta es la energía necesaria a transformar por el sistema fotovoltaico para
garantizar la alimentación eléctrica del sistema de refrigeración. Aquí se tiene que
considerar la eficiencia del regulador e inversor para compensar con un excedente
de energía las pérdidas con conversión energética. Para el caso de
experimentación se eliminan las cargas en CD dado que no existen como
consumo.
Donde:
110
3. Carga requerida en baterías.
Esta carga viene dada en Watts·hora; es el consumo del producto de la energía
diaria requerida con el número de días de autonomía del sistema fotovoltaico entre
el producto del factor de descarga de las baterías (profundidad de descarga) con
la eficiencia de la instalación eléctrica.
La profundidad de descarga es la cantidad expresada en tanto por ciento, que
representa el cociente entre la carga extraída y la capacidad nominal de la batería,
o sea, lo que se ha descargado de una batería en proceso de descarga. Pueden
ser descargas superficiales típicamente del 20% o descargas profundas; que
llegan al 80%.
Para aplicaciones fotovoltaicas las baterías soportan descargas hasta el 80%
de su capacidad de carga sin dañarse.
Donde:
111
4. Capacidad de carga en las baterías.
La capacidad de carga.es la cantidad de energía que puede suministrar la
batería en determinadas condiciones de trabajo. Se expresa en Ampers-hora (Ah).
La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad
de descarga.
Para obtener la capacidad de carga requerida utilizamos la analogía de la Ley
de Ohm: A = P/V. aplicada a la siguiente expresión:
Donde:
112
5. Número de baterías.
La cantidad de baterías a utilizar viene dado dividir la capacidad de carga en las
baterías entre la capacidad de las baterías a utilizar, que viene dado en Amper-
hora (Ah). El resultado se redondea al inmediato superior.
Donde:
6. Número de módulos fotovoltaicos.
El número de paneles fotovoltaicos se elegirán dividiendo la energía diaria
requerida entre el producto de la potencia pico de los paneles a utilizar por las
horas de recurso solar. El resultado se redondea al inmediato superior.
Donde:
113
6.4.6.1 Calculo del dimensionamiento fotovoltaico.
Para un consumo de carga de 2464 Watts en 24 horas partimos de la Ecuación
1.0 obtenemos energía diaria requerida para el sistema fotovoltaico.
Donde:
De Ecuación 2.0 obtenemos la carga requerida en baterías.
Donde:
114
(
)
De la Ecuación 3.0 se obtiene la capacidad de las baterías.
Donde:
Número de baterías.
115
De la Ecuación 4.0 obtenemos el número de módulos fotovoltaicos.
Donde:
Por lo tanto se requieren:
a) 3 Módulos fotovoltaicos de 205 Watts
b) 3 Baterías de 115 Ah
6.4.7 Mecánica de fluidos
Una vez realizadas las pruebas para medir el comportamiento de las temperaturas dentro
de la cámara de enfriamiento, necesitábamos saber el comportamiento del viento
producido por el ventilador mediante el modulo CFD® de ANSYS®, se realiza el estudio
haciendo los pasos que implica crear un volumen de la mitad de la cámara de
enfriamiento que para este caso es aire que se moverá por un ventilador en la entrada
con velocidad de 2 m/s y a la salida una presión de cero, ya que no hay ninguna
obstrucción. La Figura 73 muestra el comportamiento del viento en el plano frontal, la
figura de lado izquierdo es el disipador de aletas planas que por su geometría direcciona
el movimiento del viento en forma perpendicular a la aplicada, observando que el centro
116
de la geometría hay movimiento nulo de aire. La Figura de la derecha es el modelo
propuesto se observa un comportamiento mas uniforme del viento y solo una pequeña
porción de la geometría tiene movimiento nulo.
En la Figura 74 se muestra el comportamiento del viento que incide sobre la
superficie de los disipadores observando que el disipador circular tiene mejor
comportamiento debido a su geometría por lo cual disipa mas rápidamente el calor
que el disipador de aletas planas.
Fig. 91 Vista Frontal prueba CFD
Fig. 92 Vista de planta prueba CFD
117
CAPITULO VII
CONCLUSIONES
118
Bibliografía
[1] N.A. Darwish* SHAHASAM. (2008) Performance analysis and evaluation of a comercial
absorption–refrigeration water–ammonia (ARWA) system. international journal of
refrigeration. 31: p. 1214 – 1223.
[2] Jaruwongwittaya T. CG. (2010) A review: Renewable energy with absorption chillers in
Thailand. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14: p. 1437–44.
[3] L. L. (1998) Iir news. International Journal of Refrigeration. 21(2): p. 87–8.
[4] Helm M KCHSMHSC. (2009) Solar heating and cooling system with absorption chiller and low
temperature laten theat storage: energetic performance and operational experience.
International Journal of Refrigeration. 32(4): pp. 59.
[5] Erickson DC,AG,KI. (2004) Heat-activated dualfunction absorption cycle. ASHRAE Transactions.
1: pp. 110.
[6] (1997) Kyoto protocol to the United Nations framework convention on climate change..
[7] R. JCPS. (2010) Generator absorber heat exchange based absorption cycle—A review.
Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14: p. 2372–2382.
[8] Priedeman DK CR. (1999) GAX absorption cycle design process. ;. ASHRAE Transactions.
105((1)): p. 769–79.
[9] Velázquez N BR. (2002) Methodology for the energy analysis of an air cooled GAX absorption
heat pump operated by natural gas and solar energy. Applied Thermal Engineering. 22(10): p.
1089–103.
[10] Grossman G DRCF. (1995) Simulation and performance analysis of an ammonia water
absorption heat pump based on the generator absorber heat exchange (GAX) cycle. ASHRAE
Transactions. 101(1): p. 1313–23.
[11] Gomez VH VABRGVOVN. (2008) Theoretical and experimental evaluation of an indirect-fired
GAX cycle cooling system. Applied Thermal Engineering. 28(8-9): p. 975–87.
119
[12] Saravanan R RGASSKNC. (2008) Renewable based 40 TR ammonia water GAX absorption
cooling system. In: Proceedings of the international sorption heat pump conference..
[13] Velázquez N GVOSDBR. (2010) Numerical simulation of a linear fresnel reflector concentrator
used as direct generator in a solar GAX cycle. Energy Conversion and Management. 51(3): p.
434–45.
[14] Zhou Q RR. (1997) Development of a vapor compression cycle with a solution circuit and
desorber/absorber heat exchange. International Journal of Refrigeration. 20(2): p. 85–95.
[15] S. K. (1982) A new absorber heat recovery cycle to improve COP of aqua ammonia absorption
refrigeration system. ASHRAE Transactions. 88(1): p. 141–58.
[16] Sabir HM CREY. (2004) Analytical study of a novel GAX-R heat driven refrigeration cycle.
Applied Thermal Engineering. 24(14-15): p. 2083–99.
17. (I-Pedition). Ah. Refrigerating and Air-Conditioning Engineers: American Society of Heating;
2009.
[18] Yeung MR YPDACL. (1992) Performance of a solar-powered air conditioning system in Hong
Kong. Solar Energy. 48(5): p. 309–19.
[19] Li ZF SK. (2001) Experimental studies on a solar powered air conditioning system with
partitioned hot water storage tank. Solar Energy. 71(5): p. 285–97.
[20] Romero RJ RWPIBR. (2001) Comparison of the modeling of a solar absorption system for
simultaneous cooling and heating operating with an aqueous ternary hydroxide and with
water/lithium bromide. Solar Energy Materials and Solar Cells. 70: p. 301-8.
[21] Zhang X HD. (2001) Performance simulation of the absorption chiller using water and ionic
liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium dimethylphosphate as the working pair.
2011;31(16):3316–21. Applied Thermal Engineering. 31(16): p. 3316-21.
[22] Ren J ZZZX. (2011) Vapor pressures, excess enthalpies, and specific heat capacities of the
binary working pairs containing the ionic liquid 1-ethyl-3- methylimidazolium
dimethylphosphate. Journal of Chemical Thermody- namics. 43(4): p. 576–83.
[23] Zuo G ZZYSZX. (2010) Thermodynamic properties of a new working pair: 1-ethyl-3-
methylimidazolium ethylsulfate and water.2010;156(3). Chemical Engi- neering Journal.
156(3): p. 613–7.
[24] Abdelmessih AN AMAHAMJ. (2007) Ethylene glycol/water as working fluids for an
120
experimental absorption cycle. Experimental Heat Transfer. 20(2): p. 87–102.
[25] Romero RJ GLPI. (2005) Monomethylamine–water vapour absorption refrigeration system.
Applied Thermal Engineering. 25(5-6): p. 867–76.
[26] F. G. (1988) Behavior of a house hold absorption–diffusion refrigerator adapted to
autonomous solar operation. Solar Energy. 40(1): p. 17–23.
[27] Jakob U EUSDTACM. (2008) Simulation and experi-mental investigation into diffusion
absorption cooling machines for air- conditioning applications. Applied Thermal Engineering.
28(10): p. 1138–50.
[28] P. WS. (1979) A solar-powered solid-absorption refrigeration system. International Journal of
Refrigeration. 2: p. 75–82.
[29] Erhard A HE. (1997) Test and simulation of a solar-powered absorption cooling machine. Solar
Energy. 59: p. 155–62.
[30] Rivera CO RW. (2003) Modeling of an intermittent solar absorption refrig- eration system
operating with ammonia/lithium nitrate mixture. Solar Energy Materials and Solar Cells. 76: p.
417–27.
[31] Steiu S SDBJCA. (2009) A basis for the development of new ammonia–water–sodium
hydroxide absorption chillers. International Journal of Refrigeration. 32(4): p. 577–87.
[32] Bansal NK BJKHRT. (1997) Performance testing and evaluation of solid absorption solar
cooling unit. Solar Energy. 61: p. 127–40.
[33] Karamangil M.I. CS,KO,YN. (2010) A simulation study of performance evaluation of single-
stage absorption refrigeration system using conventional working fluids and alternatives.
Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14: p. 1969-78.
[34] Rosiek S BF. (2009) Integration of the solar thermal energy in the construction: analysis of the
solar-assisted air-conditioning system installed in CIESOL building. Renew Energy. 34(6): p.
1423–31.
[35] Mammoli A VPBHBRFD. (2010) Energetic economic and environmental performance of a
solar-thermal-assisted HVAC system. Energy Build. 42(9): p. 524–1535.
[36] Syed A IMRPMGMJLAea. (2005) A novel experimental investigation of a solar cooling system
in Madrid. Int J Refrig. 28(6): p. 859–71.
121
[37] Li ZF SK. (2001) Experimental studies on a solar powered air conditioning system with
partitioned hot water storage tank. Sol Energy. 71(5): p. 285–97.
[38] Agyenim F KIRM. (2010) Design and experimental testing of the performance of an outdoor
LiBr/H2O solar thermal absorption cooling system with a cold store. Sol Energy. 85(5): p. 735–
44.
[39] Mazloumi M NMJK. (2008) Simulation of solar lithium bromide–water absorption cooling
system with parabolic trough collector. Energy Convers Manage. 49(10): p. 2820–32.
[40] Rivera CO RW. (2003) Modeling of an intermittent solar absorption refrigeration system
operating with ammonia-lithium nitrate. Solar Energy Materials & Solar Cells. 76: p. 417-27.
[41] Kairouani L NE. (2006) ooling performance and energy saving of a compression-absorption
refrigeration system assisted by geothermal energy. Applied Thermal Engineering. 26: p. 288-
94.
[42] Tamm G GDLSHA. (2004) Theoretical and experimental investigation of an ammonia–water
power and refrigeration thermodynamic cycle. Solar Energy. 76: p. 217-28.
[43] Al Mers A AAMAEKH. () Optimal design study of cylindrical finned reactor for solar adsorption
cooling machine working with activated carbon-ammonia pair. Applied Thermal Engineering.
26: p. 1866-75.
[44] S.A. Omer DGI. (1998) Design optimization of thermoelectric device for solar power
generation. Solar Energy Materials and Solar Cells. 53: p. 67–82.
[45] G. Casano SP. (2011) Experimental investigation of the performance of a thermoelectric
generator based on Peltier cells. Experimental Thermal and Fluid Science. 35: p. 660–669.
[46] Wei-Hsin Chen CYLCIHWLH. (2012) Experimental study on thermoelectric modules for power
generation at various operating conditions. Energy. 45: p. 874-881.
[47] Sabir HM CREY. (2004) Analytical study of a novel GAX-R heat driven refrigeration cycle.
Applied Thermal Engineering. 24(14-15): p. 2083–99.
[48] (1997) Kyoto protocol to the United Nations framework convention on climate change..
[49] protocol K. (1997) Kyoto protocol to the United Nations framework convention on climate
change..
122
