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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UNA BOMBA DE CALOR A PARTIR DE LA ENERGÍA
GEOTÉRMICA PARA ACONDICIONAR UN INVERNADERO FLORÍCOLA
TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROPUESTA TECNOLÓGICA PARA
LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA
AUTOR: CARLA CRISTINA GUZMÁN ARROYO
QUITO
2019
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Diseño de una bomba de calor a partir de la energía geotérmica para acondicionar un
invernadero florícola
Trabajo de titulación, modalidad Propuesta Tecnológica para la obtención del título de
Ingeniera Química
Autor: Guzmán Arroyo Carla Cristina
Tutor: Washington Gonzalo Chiriboga Gavidia
QUITO
2019
ii
©DERECHOS DE AUTOR
Yo, Carla Cristina Guzmán Arroyo en calidad de autor y titular de los derechos morales
y patrimoniales del trabajo de titulación Diseño de una bomba de calor a partir de la
energía geotérmica para acondicionar un invernadero florícola, modalidad Propuesta
Tecnológica, de conformidad con el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA
ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E
INNOVACIÓN, concedo a favor de la Universidad Central del Ecuador una licencia
gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra, con fines
estrictamente académicos. Conservo a mi favor todos los derechos de autor sobre esta
obra, establecidos en la normativa citada.
Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo en el repositorio virtual, de conformidad a lo
dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de
expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad
por cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la
Universidad de toda responsabilidad.
En la ciudad de Quito, a los 8 días del mes de marzo del 2019.
-----------------------------------------------------
Carla Cristina Guzmán Arroyo
CC. 1723478721
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo, Washington Gonzalo Chiriboga Gavidia en calidad de tutor del trabajo de
titulación, modalidad propuesta tecnológica, Diseño de una bomba de calor a partir de
la energía geotérmica para acondicionar un invernadero florícola, elaborado por la
estudiante Carla Cristina Guzmán Arroyo de la Carrera de Ingeniería Química, Facultad
de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, considero que el mismo
reúne los requisitos y méritos necesarios en el campo metodológico y en el campo
epistemológico, para ser sometido a la evaluación por parte del jurado examinador que
se designe, por lo que lo APRUEBO, a fin de que el trabajo sea habilitado para
continuar con el proceso de titulación determinado por la Universidad Central del
Ecuador.
En la ciudad de Quito, a los 8 días del mes de marzo del 2019.
_________________________
Firma del Tutor
WASHINGTON GONZALO CHIRIBOGA GAVIDIA
CC: 1715339048
iv
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a todos quienes conforman la prestigiosa Facultad de Ingeniería Química de
la Universidad Central del Ecuador, ya que me han dado la oportunidad de adquirir
conocimientos y cumplir una meta académica.
A mis padres: Lorena Arroyo y Fabián Guzmán, que han sido pilares fundamentales en
mi vida a lo largo de todos estos años de estudios.
A mi tutor Ing. Gonzalo Chiriboga, por ser una gran persona y profesional, que dedicó
su tiempo y paciencia, desde el inicio hasta el final de mi trabajo de titulación.
Al Ing. Diego Montesdeoca e Ing. Ghem Carvajal por la ayuda que me brindaron
durante el proceso de mi trabajo de titulación.
A mis amigos: Elizabeth Guerra, Sharon López, Jorge Cajamarca, Kleber Cabezas y
Santiago Freire, por su amistad, preocupación y ayuda durante todo el proceso de
estudios.
A todas las personas que aportaron en mi formación profesional.
v
CONTENIDO
Pág.
LISTA DE TABLAS ...................................................................................................... vii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... viii
SIMBOLOGÍA ................................................................................................................. x
RESUMEN ..................................................................................................................... xii
ABSTRACT .................................................................................................................. xiii
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 3
1.1. Energía renovable. .................................................................................................... 3
1.2. Bombas de calor geotérmicas. .................................................................................. 4
1.2.1. Tipos de bombas de calor geotérmicas. ................................................................. 4
1.2.2. Componentes de la bomba de calor geotérmica. ................................................... 6
1.2.3. Eficiencia de la bomba de calor. ............................................................................ 9
1.2.4. Software para modelar bombas de calor geotérmicas............................................ 9
1.3. Invernaderos ............................................................................................................ 11
2. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 13
2.1. Experimentación. .................................................................................................... 13
2.2. Diseño ..................................................................................................................... 14
2.2.1. Análisis de las condiciones del invernadero. ....................................................... 14
2.2.2. Ciclo de compresión de vapor.............................................................................. 15
2.2.3. Selección del refrigerante.. .................................................................................. 15
2.2.4. Optimización del ciclo.. ....................................................................................... 16
2.2.5. Cálculo de la masa de refrigerante del ciclo ........................................................ 16
2.2.6. Cálculo de la longitud de tubería del suelo. ......................................................... 16
vi
2.2.7. Selección de los equipos.. .................................................................................... 17
2.2.8. Simulación del ciclo ............................................................................................. 18
2.2.9. Control del sistema.. ............................................................................................ 18
2.2.10. Diagramas de los equipos. ................................................................................. 18
3. CÁLCULOS Y RESULTADOS................................................................................ 19
3.1. Ciclo de compresión de vapor para refrigeración. .................................................. 19
3.2. Ciclo de compresión de vapor para calentamiento. ................................................ 21
3.3. Cálculos del intercambiador de calor del suelo. ..................................................... 24
3.4. Resultados del ciclo de compresión de vapor para refrigeración ........................... 28
3.5. Resultados del ciclo de compresión de vapor para calefacción. ............................. 29
3.6. Resultados del intercambiador de calor del suelo. .................................................. 29
3.7. Resultados de equipos utilizados en la bomba de calor .......................................... 30
4. DISCUSIÓN .............................................................................................................. 34
5. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 36
6. RECOMENDACIONES ............................................................................................ 38
CITAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 39
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 43
ANEXOS ........................................................................................................................ 47
vii
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Temperaturas adecuadas cultivo de flores ........................................................ 12
Tabla 2. Condiciones medidas en el invernadero ........................................................... 14
Tabla 3. Resultados ciclo por compresión de vapor para refrigeración ......................... 28
Tabla 4. Resultados ciclo por compresión de vapor para calefacción ............................ 29
Tabla 5. Resultados intercambiador de calor del suelo refrigeración............................. 29
Tabla 6. Resultados intercambiador de calor del suelo calefacción ............................... 30
Tabla 7. Resultados compresor ....................................................................................... 31
Tabla 8. Resultados Intercambiador de calor agua/refrigerante ..................................... 31
Tabla 9. Resultados Intercambiador de calor refrigerante/aire ....................................... 32
Tabla 10. Resultados Válvula de expansión ................................................................... 32
Tabla 11. Resultados Válvula de 4 vías .......................................................................... 33
viii
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Bombas de calor según el captador geotérmico. ............................................... 5
Figura 2. Bomba de calor según el tipo de conexión........................................................ 5
Figura 3. Etapas del ciclo ideal de compresión de vapor. ................................................ 7
Figura 4. Diagrama del ciclo ideal (A) y real (B) de compresión de vapor ..................... 7
Figura 5. Equipos del ciclo de compresión de vapor. ....................................................... 8
Figura 6. Ubicación del Invernadero. ............................................................................. 13
Figura 7. Exterior del invernadero. ................................................................................. 13
Figura 8. Diagrama P-h Ciclo de refrigeración . ............................................................ 19
Figura 9. Diagrama P-h para ciclo de calentamiento...................................................... 22
ix
LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A Datos finales utilizados para el diseño de la bomba de calor ...................... 48
ANEXO B Ciclo de compresión de vapor utilizando EES ........................................... 49
ANEXO C Especificaciones del intercambiador de calor del suelo .............................. 50
ANEXO D Refrigerante R-290 ...................................................................................... 52
ANEXO E Selección de válvulas ................................................................................... 54
ANEXO F Selección de compresor ................................................................................ 56
ANEXO G Selección intercambiadores ......................................................................... 57
ANEXO H Simulación del ciclo en Aspen HYSYS® ................................................... 59
ANEXO I Programación del PLC en LogoSoft Comfort® ............................................ 63
ANEXO J Diagramas de diseño en AutoCad® .............................................................. 64
x
SIMBOLOGÍA
Área lateral tubería
Área transversal tubería
COP calefacción
COP refrigeración
Calor específico del agua a presión constante
Diámetro externo tubería
Diámetro interno tubería
Relación de eficiencia energética
Factor de fricción
Entalpía en el punto i
Perdidas por fricción
Coeficiente de convección ciclo de refrigeración.
Conductividad térmica material
Longitud tubería
Número de Prandlt ciclo de refrigeración
Trabajo real del compresor ciclo de calefacción
Trabajo real del compresor ciclo de refrigeración
Flujo másico refrigerante ciclo de calefacción
xi
Flujo másico refrigerante ciclo de refrigeración
Flujo másico de agua ciclo de refrigeración
Número de Nusselt ciclo de refrigeración
Calor en el condensador ciclo de calefacción
Calor en el condensador ciclo de refrigeración
Calor en el evaporador ciclo de calefacción
Calor en el evaporador ciclo de refrigeración
Potencia necesaria para calefacción
Potencia necesaria para refrigeración
Caudal de agua ciclo de refrigeración
Número de Reynolds ciclo de refrigeración
Coeficiente global de transferencia de calor ciclo de refrigeración.
Velocidad del agua ciclo de refrigeración
Potencia de la bomba ciclo de refrigeración
Densidad del agua
Media logarítmica ciclo de refrigeración
Viscosidad del agua
xii
Diseño de una bomba de calor a partir de la energía geotérmica para acondicionar
un invernadero florícola.
RESUMEN
Se diseñó una bomba de calor geotérmica, para acondicionar el calor de un invernadero
florícola, cumpliendo con las especificaciones establecidas por el usuario: 30°C para el
día y 15°C para la noche.
Para este trabajo, se utilizaron datos experimentales obtenidos en trabajos previos tanto
para la oferta energética (potencial solar: 3,6MJ/m2 y el potencial geotérmico: 57MJ/m
2)
así como para la demanda (calefacción: 29,5kW y refrigeración: 65,8kW), con el
objetivo de definir condiciones iniciales de diseño.
Posteriormente, se realizó el cálculo termodinámico de la bomba, en Engineering
Equation Solver® (EES), en el cual, se seleccionó el refrigerante R-290 y se
optimizaron las condiciones de trabajo, en función del mayor coeficiente de desempeño
(COP). Para la refrigeración el valor final de COP es 3,2 y para la calefacción es 5,8. El
captador geotérmico se dimensionó para una tubería horizontal de polietileno de alta
densidad de nodo cerrado, con la ayuda de la herramienta Solver de Microsoft Excel® y
se obtuvo una longitud de 526,14 m. Para la selección de los equipos de la bomba o
sistema, se consideraron las condiciones resultantes. El diseño del proceso se llevó a
cabo en Aspen HYSYS®, la programación del controlador se realizó en LogoSOFT
Comfort® y se realiza el diagrama en AutoCad®.
De los resultados obtenidos se puede concluir que, tanto las condiciones ambientales y
el potencial geotérmico de la zona estudiada, permiten diseñar sistemas de calefacción
para invernaderos mediante este tipo de ciclo termodinámico en conformidad con
normas internacionales como IGSHPA, ISO y ASHRAE.
PALABRAS CLAVE: /DISEÑO/ ENERGÍA GEOTÉRMICA / INVERNADEROS /
BOMBAS DE CALOR / CALEFACCIÓN / REFRIGERACIÓN/
xiii
Geothermal heat pump design to fit out the heat of a flower greenhouse.
ABSTRACT
A geothermal heat pump was designed to fit out the heat of a flower greenhouse,
according to the requirements established by the user: 30°C during the day and 15°C by
night.
For this work, experimental data from previous works were used, namely the heat
supply (potential of solar power: 3,6 MJ/m2 and geothermal potential: 57MJ/m
2) as well
as the heat demand (heating: 29,5 kW and refrigeration: 65,8 kW), in order to define
initial design conditions.
Subsequently, the thermodynamic calculation of the heat pump was performed in
Engineering Equation Solver® (EES), in which, the refrigerant R-290 was selected and
the work conditions were optimized, according to the higher COP. For refrigeration the
final COP value is 3,2 and for heating it was 5,8. A horizontal closed-loop ground
coupled single-pipe made of high-density polyethylene was dimensioned using the
Microsoft Excel® Solver tool and as a result, 526,14 m in length were obtained. The
heat pump or system equipment was selected considering the resulting conditions. The
process design was simulated in Aspen HYSYS® and the controller was programmed in
LogoSOFT Comfort®, finally the design blueprints were drawn in AutoCad®.
From the results obtained it was concluded that, both the operating conditions and the
geothermal potential of the zone, allow designing heating systems for greenhouses
through this type of thermodynamic cycle in compliance with international standards
such as IGSHPA, ISO and ASHRAE.
KEY WORDS: /DESIGN/ GEOTHERMAL ENERGY / GREENHOUSES / HEAT
PUMPS/ HEATING / REFRIGERATION/
1
INTRODUCCIÓN
Desde la antigüedad, la energía ha sido uno de los conceptos más importantes de la
ciencia y en general, las fuentes de energía se dividen en dos grandes grupos: energía
renovable y energía no renovable. La energía geotérmica constituye una fuente de
energía renovable utilizable de dos maneras: la primera en la que se aprovecha el calor
de la tierra para generar electricidad, es decir, el vapor formado por el agua que se
encuentra en rocas extremadamente calientes, se puede utilizar para hacer girar una
turbina y generar electricidad (Egg & Clark Howard, 2011).
La segunda es la aplicación directa que implica una amplia variedad de usos finales,
como la calefacción y refrigeración de espacios en la industria, la piscicultura y los spas
de salud (Fridleifsson, 2001).
Para el 2016, la utilización directa de energía geotérmica se ha registrado en 82 países,
(EGEC, 2017) cifra que ha aumentado considerablemente con respecto a los 28 países
registrados en 1995 (Lund, Freeston, & Boyd, 2011).
Actualmente, la utilización de los recursos geotérmicos en Ecuador se limita a
balnearios y piscinas termales; además, los usos alternativos importantes siguen siendo
desconocidos por la sociedad ecuatoriana, debido principalmente a la falta de un marco
regulatorio y fuentes de financiamiento. La geotermia de baja temperatura puede
generar proyectos para su uso directo en criadero de peces, invernaderos, calefacción y
aplicaciones industriales (Aguilera & Peláez, 2015).
Cabe recalcar que el uso de energía geotérmica para la calefacción de invernaderos en
invierno ayuda a conservar el ambiente adecuado para el crecimiento de las plantas y
reduce el uso de combustibles fósiles, lo que conlleva a: mejorar la calidad de los
productos, reducir los costos de producción y disminuir la liberación de gases de
invernadero (Benli & Durmuş, 2009). Con este enfoque, se considera importante diseñar
sistemas que permitan aprovechar las fuentes de energía renovable disponibles y a su
vez mejorar la capacidad productiva de los invernaderos.
2
Para que un cultivo sea óptimo, productivamente, depende de la potencialidad
genotípica y de las condiciones ambientales como: temperatura, humedad, luz, aire y
dióxido de carbono (Alpi & Tognoni, 1999). Sin embargo, el alcance de este trabajo
solo abarca el estudio de la variación temporal de la temperatura usando la energía
geotérmica de manera directa, es decir, diseñar una bomba de calor que opere tanto
como calefactor o como refrigerador y que aproveche la energía del suelo como fuente o
como sumidero.
El principal objetivo de este trabajo es diseñar una bomba de calor geotérmica para
acondicionamiento de calor en un invernadero, cumpliendo con las especificaciones
establecidas por el usuario: 30°C en el día y 15°C en la noche.
En el capítulo 1, se realiza una investigación bibliográfica sobre el tema englobando
normas, especificaciones y trabajos similares puestos en marcha a nivel mundial.
En el capítulo 2, se desarrolla la metodología a utilizarse basada en modelos que se
adaptan a los datos disponibles. Para esto, se utilizan datos de trabajos realizados
anteriormente por Capelo (2017) y Bunces (2017), para la oferta energética (potencial
solar: 3,6MJ/m2 y el potencial geotérmico: 57MJ/m
2), así como para la demanda
(calefacción: 29,5kW y refrigeración: 65,8kW) respectivamente, con el objetivo de
definir condiciones iniciales de diseño.
Posteriormente, se realiza el cálculo termodinámico de la bomba de calor,
dimensionamiento del captador horizontal, simulación del proceso y de control básico;
con la ayuda de programas informáticos como Engineering Equation Solver® (EES),
Microsoft Excel®, Aspen HYSYS® y LogoSOFT Comfort® respectivamente. Los
diagramas de diseño se realizan en AutoCad®.
En el capítulo 3, se muestran los cálculos y resultados obtenidos después de aplicar la
metodología, los resultados permiten seleccionar los equipos necesarios para el sistema.
En los capítulos 4, 5 y 6 se indican la discusión, conclusiones y recomendaciones
respectivamente, tomando en cuenta la comparación entre: la bibliografía consultada,
los resultados obtenidos y el software utilizado.
3
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Energía renovable.
La energía renovable, en general, se podría definir como aquella que se obtiene de
manera natural de flujos de energía repetitivos y persistentes encontrados en el entorno
universal (Twidell & Weir, 2015).
Las energías de mayor interés para este trabajo se detallan a continuación:
Energía solar. Corresponde a la radiación procedente del sol que llega a la Tierra,
siendo ésta su fuente principal de energía. Puede transformarse directamente en energía
eléctrica por medio de células fotovoltaicas o en forma indirecta por medio de sistemas
térmicos de concentración. Se utiliza tanto en sistemas pasivos, que no utilizan otra
fuente de energía, o en sistemas activos que utilizan otra fuente de energía. (De Juana
Sardón, 2003).
Energía geotérmica. La palabra geotermia viene de dos partes: geo que significa tierra
y termia que significa calor, por lo tanto, la energía geotérmica proviene del calor de la
tierra (Egg & Clark Howard, 2011). En los yacimientos geotérmicos el calor
almacenado en los subsuelos es conducido hacia la superficie a través del agua, que
puede estar en estado líquido, vapor o mezcla. En función a la temperatura del fluido los
yacimientos se clasifican en:
a) Alta entalpía. El fluido sale a temperaturas mayores a 150°C usualmente en
forma de vapor. Se utilizan centrales geotérmicas para generación de energía eléctrica
con turbinas de vapor.
b) Entalpia media. El fluido sale a temperaturas entre 150 y 100°C generalmente
para uso directo, por ejemplo, en secado de productos agrícolas, refinado de azúcar,
extracción de sales por cristalización, entre otras.
4
c) Baja entalpía. El fluido sale a temperaturas menores a 100°C, por lo tanto, no es
viable para una gran distancia de transporte. Se utiliza principalmente para calefacción
tanto doméstica como industrial (Pous & Jutglar, 2004).
En el caso de sistemas hidrotérmicos se usa agua caliente o vapor del subsuelo, se
dividen en tres tipos principales: centrales de vapor seco, centrales de vapor flash y
centrales de ciclo binario (Watchel, 2010).
1.2. Bombas de calor geotérmicas.
El termino bomba de calor geotérmica, en inglés Ground-Source Heat Pump (GSHP) se
aplica a todos los sistemas que abarcan el uso de suelo Ground-coupled Heat Pump
(GCHP), agua subterránea, Groundwater Heat Pump (GWHP), agua superficial,
Surface-water Heat Pump (SWHP) como una fuente de calor o un sumidero (ASHRAE,
2011).
Desde un punto de vista termodinámico, el costo de operación de la bomba de calor
acoplada al suelo es menor que las bombas de calor de aire, esto se debe a que el
ambiente debajo de la tierra experimenta menor fluctuación de temperatura comparada
con la superficie. Por otra parte, presenta mayor eficiencia y un diseño amigable con el
medio ambiente. Se pueden usar tanto para aplicaciones industriales como domésticas
(Yan & A. Nomeli, 2015).
1.2.1. Tipos de bombas de calor geotérmicas. Las bombas de calor se pueden
clasificar de acuerdo al tipo de intercambiador de calor en el suelo, como se indica en la
Figura 1. Otras se pueden clasificar de acuerdo al tipo de conexión que presenten, como
se indica en la Figura 2.
5
Figura 1. Bombas de calor según el captador geotérmico (Ewings, 2008).
Figura 2. Bomba de calor según el tipo de conexión (Kavanaugh, 2014).
• Llamada también de expansión directa (DX). El refrigerante circula directamente por una tubería de cobre en el intercambiador de calor enterrado en el suelo.
Directas
• Una tubería de HPDE contiene agua con anticongelante en el intercambiador del suelo, la energía se transmite de manera indirecta hacia el intercambiador de calor del ciclo que contiene el refrigerante.
Indirectas o secundarias
Bombas de calor de nodo cerrado
Verticales acopladas al suelo
El captador geotérmico se construye, con tubos verticales en forma de U, de 60 a 90 m.
Horizontales acopladas al suelo
Tubería simple
Una tubería en el intercambiador de calor del suelo, a profundidad de1,5 a 3 m.
Tubería múltiple
Conformado por dos o cuatro tuberías, enterradas a 1,5 m de profundidad y de
30 a 60 cm de distancia entre ellas.
Tubería enroscada Reduce notablemente
el área de suelo requerido.
Mixtas acopladas al suelo
Son una combinación entre horizontales y verticales, diseño horizontal enterradas a una mayor profundidad,
usando el arreglo en U.
De agua superficial Consisten en una bomba de calor agua-aire o agua-
agua, conectadas a una red de tuberías ubicadas en un lago o río.
Bombas de calor de nodo abierto
De agua subterránea Emplea grandes cantidades de agua subterránea como
fuente o sumidero de calor para la bomba.
De agua superficial Son similares al principio de funcionamiento de las
torres de enfriamiento.
6
1.2.2. Componentes de la bomba de calor geotérmica.
a) Intercambiador de calor del suelo o captador geotérmico.
El captador geotérmico es el principal componente de la bomba de calor geotérmica, su
función es absorber o rechazar calor a la tierra. Está conformado por una tubería
enterrada, puede ser horizontal, vertical, enroscada o de nodo cerrado o abierto (Reda,
2017).
Generalmente se utilizan tuberías de polietileno de alta densidad en los sistemas
indirectos, con un tamaño adecuado para tener un flujo turbulento y de esa manera
asegurar una buena transferencia de calor. En los sistemas directos generalmente se
utilizan tuberías de cobre y dependiendo de las condiciones del suelo se necesita un
revestimiento plástico para evitar la corrosión (ASHRAE, 2013).
En los sistemas indirectos el fluido circulante por la tubería generalmente es agua, si las
condiciones climáticas podrían llegar a congelar el agua, se necesita una solución
anticongelante que presente un buen desempeño térmico (Benli & Durmuş, 2009).
Es necesaria una bomba para circular el fluido por la tubería y así garantizar el flujo
turbulento, sin embargo, la misma debe tener un bajo requerimiento de carga eléctrica
(Ewings, 2008).
b) Ciclo de compresión de vapor.
Es utilizado por la mayoría de sistemas para refrigeración, acondicionamiento de aire o
bombas de calor. El ciclo ideal se compone de los procesos que se pueden observar en
la Figura 3 y representados en un diagrama T-s en la Figura 4A.
7
Figura 3. Etapas del ciclo ideal de compresión de vapor (Kurt, 2006).
Figura 4. Diagrama del ciclo ideal (A) y real (B) de compresión de vapor
(Cengel & Boles, 2011).
El ciclo real presenta varias irreversibilidades en sus componentes, entre ellas: la
fricción del fluido y las pérdidas de calor con los alrededores (al no ser completamente
aislado). En el ciclo real el refrigerante no abandona el evaporador como vapor
saturado, se induce un pequeño sobrecalentamiento para asegurar el estado vapor antes
de ingresar al compresor; el compresor no trabaja isentrópicamente; el refrigerante no
•Extrangulación isoentalpica.
•Calentamiento isobárico.
•Enfriamiento isobárico
•Compresión isentropica.
1-2 2-3
3-4 4-1
A B
8
abandona el condensador en estado de líquido saturado, sino que se sub enfría en una
pequeña cantidad antes de ingresar a la válvula de estrangulamiento; después continua
con el ciclo, lo que se puede evidenciar en la Figura 4B (Cengel & Boles, 2011).
Figura 5. Equipos del ciclo de compresión de vapor (Cengel & Boles, 2011).
Equipos de ciclo por compresión de vapor. Los equipos necesarios para que el
sistema funcione se detallan a continuación, los 4 primeros se pueden observar en la
Figura 5:
Evaporadores. Estos equipos permiten que el fluido líquido frío experimente un
cambio de fase a vapor, a temperatura casi constante, ya que la presión de vapor a esta
temperatura es mayor a la temperatura de saturación del líquido (Bergman, Lavine,
Incropera, & DeWitt, 2011).
Condensadores. Estos equipos permiten que el fluido caliente en estado vapor
experimente un cambio de fase a estado líquido, a una temperatura casi constante
(Whitman & Johnson, 2000).
Compresores. Los compresores son equipos que aumentan la presión de un gas y por
ende su temperatura, esto como consecuencia de realizar trabajo sobre el gas (Moran &
Shapiro, 2004).
9
Válvula de expansión. Dispositivo usado en el ciclo de compresión de vapor, para
disminuir tanto la temperatura como la presión del refrigerante de manera isoentálpica,
y así, asegurar la entrada al evaporador en estado líquido-vapor (Alarcón Creus, 1998).
Válvula de cuatro vías. Es un dispositivo inversor de ciclo, con el fin de funcionar
como un calefactor o como un refrigerador. Se coloca en las tuberías de succión y
descarga del compresor. (Sanz del Castillo & Sanz del Castillo, 2014).
c) Emisor geotérmico. El emisor geotérmico representa la manera de transferir
calor al espacio y puede ser de tres diferentes maneras: radiadores, ventilo-convectores
(fan-coil) y piso radiante (Vega de Kuyper & Ramirez, 2014).
1.2.3. Eficiencia de la bomba de calor.
La eficiencia de una bomba de calor viene dada por valores que se detallan a
continuación:
Coeficiente de Rendimiento. Conocido por sus siglas en inglés, Coefficient Of
Performance (COP). Mide el desempeño de una bomba de calor y es la relación entre el
calor entregado y el trabajo requerido, a condiciones específicas.
Para las bombas de calor geotérmicas este valor varía entre 3 y 6. (Twidell & Weir,
2015). De acuerdo con los requerimientos de Energy Star el COP es mínimo 3,3 (
Natural Resources of Canada, 2004).
Coeficiente de Eficiencia Energética. En inglés, Energy Efficiency Ratio (EER). Mide
la eficiencia de enfriamiento de una bomba de calor. Se obtiene de la división de la
capacidad de enfriamiento, en Btu/h, para el consumo de energía eléctrica en watts a
condiciones específicas.
Para las bombas de calor geotérmicas de acuerdo con los requerimientos Energy Star
este valor debe ser mínimo 14,1 ( Natural Resources of Canada, 2004).
1.2.4. Software para modelar bombas de calor geotérmicas.
Actualmente, existen varios tipos de software para diversas configuraciones de bombas
de calor geotérmicas, son desarrollados tanto por los fabricantes de estos sistemas, como
10
por entidades regulatorias. (Hellström & Sanner, 2001). Entre ellos los más importantes
están: TRNSYS, GLD, GLHEPro, EED, GchpCalc, GEOSTAR y EnergyPlus.
TRNSYS. Es un ambiente utilizado para simular el comportamiento de sistemas
transitorios. Está conformado de dos partes: el motor, también llamado kernel, que es el
encargado de resolver el sistema usando un método numérico; la segunda parte es la
librería de componentes, incluye más de 150 modelos desde bombas hasta
electrolizadores (Thermal Energy System Specialists, 2019).
GLD. Es utilizado por profesionales aproximadamente en 62 países, siendo una de las
plataformas líderes en bombas de calor geotérmicas. Presenta un entorno muy amigable
con el usuario en diversos escenarios de bombas de calor geotérmicas. Puede tener dos
tipos de aplicaciones: residenciales o comerciales (Thermal Dynamics Inc., 2018).
GLHEPro. Es un software recomendado por la IGSHPA, fue desarrollado
originalmente para el diseño de bombas de calor geotérmicas verticales, para
aplicaciones residenciales y comerciales, sin embargo, las nuevas actualizaciones
incorporan otros tipos de configuraciones y elementos (IGSHPA, 2019).
GchpCalc. Es un programa diseñado específicamente para dimensionar bombas de
calor geotérmicas verticales de aplicaciones comerciales, está basado en un modelo
cilíndrico para encontrar la longitud requerida (Sarbu & Sebarchievici, 2016).
EED. Diseñador de Energía Geotérmica o en inglés Earth Energy Designer, es un
programa de simulación numérica adecuado para bombas de calor geotérmicas
verticales, para su uso, el usuario debe tener un alto conocimiento con respecto a los
cálculos que se deben realizar (Blocon AB, 2018).
GEOSTAR. Originario de China, es un software creado especialmente para diseño y
simulación de intercambiadores de calor geotérmicos, el software es capaz de calcular
longitudes en diferentes tipos de suelos, con datos de cagas térmicas (Sarbu &
Sebarchievici, 2016).
EnergyPlus. Es un programa para simular energías en edificios, entre ellos: calefacción,
ventilación, enfriamiento, iluminación e incluye la bomba de calor geotérmica vertical y
11
sus intercambiadores de calor del suelo. Es un simulador numérico. Es un software
gratuito. (U.S. Department of Energy’s, National Renewable Energy Laboratory, 2018).
1.3. Invernaderos
Son cámaras de crecimiento de plantas y otras instalaciones para la producción de
cultivos en interiores, con el fin de proteger de las condiciones adversas y obtener un
beneficio económico (Hanan, 2017).
Para que un cultivo sea óptimo productivamente, depende de la potencialidad genotípica
y de las condiciones que pueda tener el ambiente, las principales son: temperatura,
humedad, luz, aire y dióxido de carbono (Alpi & Tognoni, 1999).
En el mundo, existen varios métodos de calefacción y enfriamiento, entre ellos:
ventilación natural y forzada; enfriamiento evaporativo; combustión de combustibles
fósiles o de biomasa en calderas o directamente al aire; colectores solares y energía
geotérmica de baja temperatura (Zabeltitz, 2010).
En 2016 se reportan 82 países que usan energía geotérmica de manera directa, el 4,5%
se usa para calefacción de invernaderos (EGEC, 2017). Siendo, las bombas de calor
geotérmicas, para modificar la condición de temperatura en invernaderos, un tema de
gran interés a nivel mundial, hasta el 2015 se reportan 31 países que usan una fuente
geotérmica para calefacción de invernaderos (Lund & Boyd, 2016).
La agricultura ocupa aproximadamente un 14% de la superficie del Ecuador. Los
principales cultivos son: el banano, el café, el cacao, el maíz, la papa, el arroz y las
flores (Alcivar, 2011).
En los invernaderos florícolas las temperaturas óptimas van desde 22 a 30°C en el día y
del 10 a 15°C en la noche. En la siguiente tabla se muestran las temperaturas necesarias
para el cultivo de algunos tipos de flores.
12
Tabla 1. Temperaturas adecuadas cultivo de flores (EXPOFLORES, 2017)
Cultivo Crecimiento Floración
Noche Día Noche Día
Rosas 10-12 °C 20-25 °C 14-16 °C 24-25 °C
Clavel 10-12 °C 22 °C 10-12 °C 20-22 °C
Crisantemo 16-18 °C 18-22 °C 13-15 °C 15-17 °C
Para la calefacción, los floricultores colocan envolturas de papel en los botones que
permiten que la temperatura alrededor del capullo se incremente en 2°C, sin embargo,
esto conlleva a un gasto adicional por cada cosecha; otro método consiste en calefacción
mediante agua caliente circulante por tubos ubicados en la superficie del suelo, lo que
representa un gasto adicional de energía para calentar el fluido (EXPOFLORES, 2017).
Para la refrigeración se tiene sistemas de aireación natural por medio de ventanas o
ventilación forzada por medio de ventiladores, sin embargo, con esto no se puede
alcanzar las temperaturas deseadas, y se pierde control en la concentración de CO2
necesario en la fotosíntesis (Yanucci, 2019).
13
2. METODOLOGÍA
2.1. Experimentación.
El invernadero se encuentra ubicado en la parroquia de Guayllabamba, provincia de
Pichincha. (Latitud: -0.046874, Longitud: -78.30501, Altitud: 1686 m.s.n.m.), estos
datos se obtuvieron mediante el uso de un GPS (Google Maps) y se puede observar en
la Figura 6. La presión atmosférica es 81,39 kPa. El cultivo que presenta es de una
variación de flor llamada Gypsophila. En la Figura 7 se indica una foto exterior del
invernadero, por cortesía de Pablo Bunces.
Figura 6. Ubicación del Invernadero (Google Maps).
Figura 7. Exterior del invernadero (Bunces, 2017).
14
Previamente, se realizaron trabajos de titulación que engloban al proyecto, entre ellos, el
estudio de la radiación neta, capacidad calorífica del suelo, conductividad térmica del
suelo, potencial energético del suelo, a profundidades de: 0,5m; 1m; 1,5m; 2m, por parte
de Santiago Capelo en el 2017. En el interior y exterior del invernadero se miden
temperatura, humedad relativa y presión atmosférica y se calculan el calor interior del
invernadero, las pérdidas por el material y por el suelo. Con estos datos y cálculos, se
obtienen las toneladas de refrigeración y de calentamiento necesarias para el
invernadero en condiciones extremas, por parte de Pablo Bunces en el 2017.
2.2. Diseño
2.2.1. Análisis de las condiciones del invernadero. El diseño de la bomba de calor se
realiza de acuerdo a las condiciones de temperatura que necesita el propietario del
invernadero, y a la potencia para calentamiento y para refrigeración, calculadas por
Pablo Bunces (2017).
Después de la toma de datos en el invernadero se obtienen los valores que se indican en
la siguiente tabla:
Tabla 2. Condiciones medidas en el invernadero (Bunces, 2017) (Capelo, 2017).
Condiciones Valor
Radiación neta [MJ/m2] 3,6
Temperatura máxima interior día [°C] 45,2
Temperatura exterior día [°C] 19,6
Temperatura mínima noche interior [°C] 4,0
El usuario del sistema manifiesta que la temperatura adecuada en el día es 30°C y en la
noche es 15°C. La potencia para el calentamiento de la bomba de calor en el interior del
invernadero QNBC es 8,40 Toneladas de Refrigeración (TRF) (29,56 kW) y para la
refrigeración del invernadero QNR es 18,68 TRF (65,76 kW). (Bunces, 2017)
La bomba de calor funciona tanto para calefacción como para refrigeración, por lo
tanto, el diseño se realiza considerando el mayor valor, que en este caso es 18,68 TRF
15
aumentado en un 5% para asegurar que no presente una escasez de energía debido a las
pérdidas que involucran el ciclo real.
2.2.2. Ciclo de compresión de vapor. Para el funcionamiento del ciclo de compresión
de vapor se usa el programa Engineering Equation Solver® (EES); se resuelve el ciclo
ideal tanto para refrigeración como para calentamiento, para esto, se selecciona un
refrigerante que en este caso es el R-134a, se introduce una temperatura aleatoria a la
salida del evaporador, se observa la presión de saturación (a esta temperatura), para
establecer la misma como la presión de entrada al compresor, se asume que es un
proceso isentrópico, se ingresa una temperatura de salida del compresor, que va a ser la
misma de entrada al condensador, tomando en cuenta que esta temperatura debe ser
superior a las condiciones de temperatura del invernadero para el correcto
funcionamiento del ciclo (Bergman, Lavine, Incropera, & DeWitt, 2011), una vez que
se establece la temperatura de salida del compresor, por ende, se despliega la presión de
saturación (a esa temperatura), que se establece como la presión de salida del compresor
y la presión de entrada al condensador, donde se enfría hasta llegar al estado de líquido
saturado y luego regresa a la presión inicial en el evaporador en un proceso isoentálpico,
por medio de la válvula de expansión.
Una vez modelado el ciclo ideal, para las condiciones reales se realiza la misma
programación, con la diferencia de que el evaporador sobrecalienta el refrigerante 6°C
(BOHN, 2008) para asegurar que el refrigerante entre al compresor en estado vapor,
después se asume una eficiencia del compresor de 90% para hallar las propiedades
reales en el estado de salida del compresor, y a la salida del condensador la temperatura
se sub enfría 5°C (BOHN, 2011) para garantizar el estado líquido de ingreso a la
válvula de expansión y así retornar nuevamente al evaporador.
2.2.3. Selección del refrigerante. Para seleccionar el refrigerante, se carga el
programa EES a las condiciones necesarias, se realiza una comparación en función al
COP, entre cinco refrigerantes disponibles en el mercado, estos son: R-134a, R-404, R-
410A, R-600a y R-290. El que obtiene mejor resultado es el R-290.
Para el uso de refrigerantes, cabe recalcar que el Ecuador forma parte del Protocolo de
Montreal relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono (MIPRO, 2018).
16
Las condiciones ubican al refrigerante R-290, conocido como propano, hidrocarburo
con un alto grado de inflamabilidad, apto para el uso industrial en distintas aplicaciones,
ya que no contamina la capa de ozono. Para observar las propiedades del refrigerante
ver el Anexo D.
2.2.4. Optimización del ciclo. Para encontrar los valores óptimos que maximicen el
COP y se mantengan entre las condiciones necesarias en el invernadero, se utiliza la
herramienta de EES llamada Min/Max, que da como resultado los valores óptimos que
se utilizan para el funcionamiento del ciclo por compresión de vapor de la bomba de
calor.
2.2.5. Cálculo de la masa de refrigerante del ciclo. Para el cálculo del flujo másico
que se debe usar en la bomba de calor, es necesario dividir el valor de potencia de
refrigeración o calefacción obtenido en trabajos previos, entre en valor de energía que se
obtiene en el ciclo por compresión de vapor, el valor debe ser inferior al valor límite que
se ocupa en la refrigeración comercial de 3 galones por minuto (gpm). (Whitman &
Johnson, 2000)
2.2.6. Cálculo de la longitud de tubería del suelo. Para el cálculo de la longitud de la
tubería del suelo, primero, se elige el tipo de tubería adecuado, en este caso es
polietileno de alta densidad, se toma de un catálogo el diámetro, el valor recomendado
para tuberías horizontales que va entre 20 y 40 mm (IGSHPA, 2016), por ende, el
espesor se selecciona del catálogo en función a la presión y a la temperatura que se va a
aplicar en la tubería, los valores tanto de la rugosidad como de la conductividad del
material de igual manera se dan en el catálogo.
A continuación, se elige el fluido que va a pasar por la tubería, según la recomendación
es agua con anticongelante (IGSHPA, 2016), sin embargo, para esta aplicación no se
necesita el anticongelante ya que las temperaturas no llegan a ser tan bajas. Se calcula
para el sistema de refrigeración del invernadero, ya que es el mayor valor a alcanzar.
Con los datos de la temperatura de entrada, temperatura de salida y temperatura media,
se leen en tablas propiedades del agua como la densidad, viscosidad, conductividad y
calor específico.
17
Una vez que obtenidos los datos necesarios tanto de la tubería como del fluido, el flujo
másico viene dado por la ecuación que describe el cambio de entalpía a presión
constante, se realizan los cálculos de áreas tanto lateral como transversal, que sirven
para encontrar los valores de caudal, velocidad, pérdidas por fricción y potencia de la
bomba.
Para la parte de transferencia de calor, se usa la metodología que manifiestan Bergman,
Lavine, Incropera y DeWit (2011) en el caso de tener un flujo en el interior de una
tubería en una superficie con temperatura constante, para esto, es necesario conocer el
número de Reynolds, Prandtl, Nusselt para encontrar el coeficiente de convección en la
ecuación modelo de transferencia de calor.
Con la ayuda de Microsoft Excel® se ingresan todos los valores y ecuaciones, gracias a
la herramienta Solver, por medio de iteraciones logra obtener una longitud de tubería
que satisface los requerimientos de calor y de temperatura.
Para el ciclo de calefacción, se mantiene constante la longitud de tubería y se varían
tanto las temperaturas como el flujo para mantener el balance de energía.
2.2.7. Selección de los equipos. Para la selección de los equipos primero se hace una
lista de equipos que se necesitan en la bomba de calor y se seleccionan de catálogos
cumpliendo los requerimientos de temperatura y presión previamente establecidos.
Los equipos necesarios son:
Intercambiador de calor líquido - liquido. Se eligió un intercambiador calor de
placas soldadas, que trabaje a las temperaturas y flujo establecidos, tanto como
condensador y como evaporador, los mismos que presentan mayor eficiencia y son
útiles para aplicaciones como refrigeración y calefacción (ASHRAE, 2013).
Compresor. Se debe seleccionar un compresor que trabaje en el rango de presiones
que se definieron previamente, tomando en cuenta el fluido que va a circular por su
interior, que tenga velocidad variable, para poder adaptar el sistema de control.
Válvula de expansión. Para la válvula de expansión se selecciona una de acuerdo al
fluido y que soporte las condiciones de presión y temperatura a las que va a trabajar.
18
Válvula de cuatro vías. Una válvula de cuatro vías se debe seleccionar para dar
inversión al ciclo, que soporte las condiciones necesarias tanto de presión como de
temperatura.
Bomba. La bomba es de gran ayuda para circular el fluido del intercambiador de tierra a
las condiciones de flujo y presión necesarias.
Radiador. Representa un tipo recomendado de equipo de intercambio de calor con el
invernadero (Vega de Kuyper & Ramirez, 2014), se escoge un radiador como un
intercambiador de flujo cruzado, que incorpora ventiladores y tubos por donde circula el
refrigerante, que se va a enfriar o calentar dependiendo del funcionamiento del sistema.
2.2.8. Simulación del ciclo. Una vez que tenemos los pasos anteriores completos se
procede a simular el ciclo integrado en Aspen Hysys®, no se dispone de una válvula de
cuatro vías para inversión del ciclo, se realiza por separado, para calentamiento como
para enfriamiento. Ver Anexo H
2.2.9. Control del sistema. Al momento de alcanzar las temperaturas deseadas tanto
para calefacción como para refrigeración, es necesario, pero no obligatorio para este
trabajo de titulación, el control de encendido o inversión del sistema. Se realiza de una
manera simple usando sensores y un controlador lógico. Para la programación del
controlador lógico se utiliza el software LOGOSoft Comfort®. Ver Anexo I.
2.2.10. Diagramas de los equipos. Para el diagrama del sistema se utiliza el software
AutoCad®, se realiza por separado, el diagrama del ciclo y el esquema de la parte de
control, utilizando la norma ANSI/ASHRAE Standard 134-2005. Ver Anexo J.
19
3. CÁLCULOS Y RESULTADOS
3.1. Ciclo de compresión de vapor para refrigeración.
Como se puede observar en la Figura 8, se realiza en EES el ciclo real de compresión de
vapor para refrigeración. El diagrama de Presión vs Entalpía para el R-290 viene dado
en el programa, por lo tanto, se grafica el ciclo y se tienen las propiedades como:
presión, temperatura, entalpía, entropía para cada uno de los estados. Desde el punto 1
hasta el punto 2 trabaja el evaporador, desde el punto 2 hasta el punto 3 el compresor,
desde el punto 3 hasta el punto 4 el condensador y del punto 4 al punto 1 la válvula de
expansión. Se toma en cuenta, el sobrecalentamiento de 6°C a la salida del evaporador,
la eficiencia del compresor del 90% y el sub enfriamiento de 5°C a la salida del
condensador.
Figura 8. Diagrama P-h Ciclo de refrigeración (EES).
2 1
3 4
20
Cálculo del calor en el condensador ciclo de refrigeración. .
*
+ (1)
Los valores de se obtienen directamente de los datos del programa EES, por lo
tanto, al ingresar la Ecuación (1) en el entorno de programación, da como resultado:
[
]
Cálculo del calor en el evaporador ciclo de refrigeración. .
*
+ (2)
Los valores de se obtienen directamente de los datos del programa EES, por lo
tanto, al ingresar la Ecuación (2) en el entorno de programación, da como resultado:
[
]
Cálculo del trabajo real del compresor ciclo de refrigeración. .
*
+ (3)
Los valores de se obtienen directamente de los datos del programa EES, por lo
tanto, al ingresar la Ecuación (3) en el entorno de programación, da como resultado:
[
]
Cálculo del coeficiente de desempeño de refrigeración. .
Para el cálculo del COP de refrigeración es necesario dividir el valor del calor en el
evaporador del ciclo de refrigeración para el trabajo real del compresor en el ciclo
de refrigeración . Como se indica en la Ecuación (4)
(4)
21
Cálculo del Coeficiente de Eficiencia Energética. EER.
(5)
Cálculo del flujo másico de refrigerante para refrigeración. .
Para el cálculo del flujo másico de refrigerante para refrigeración es necesario dividir la
potencia para refrigeración del invernadero obtenida de los trabajos experimentales
previos, aumentado en un 5%, para el calor en el evaporador en el ciclo de refrigeración
. Como se indica en la Ecuación (6).
*
+ (6)
[
]
3.2. Ciclo de compresión de vapor para calentamiento.
De igual manera que en el numeral 3.1. se realiza el diagrama P-h para el R-290 en
EES, lo que se puede evidenciar en la Figura 9. De la misma manera que el ciclo de
refrigeración las propiedades son calculadas en cada estado por el programa. Desde el
punto 1 hasta el punto 2 trabaja el evaporador, desde el punto 2 hasta el punto 3 el
compresor, desde el punto 3 hasta el punto 4 el condensador y del punto 4 al punto 1 la
válvula de expansión. Se toma en cuenta, el sobrecalentamiento de 6°C a la salida del
evaporador, la eficiencia del compresor del 90% y el sub enfriamiento de 5°C a la salida
del condensador.
23
Cálculo del trabajo real del compresor ciclo de calefacción.
*
+ (9)
Los valores de se obtienen directamente de los datos del programa EES, por lo
tanto, al ingresar la Ecuación (9) en el entorno de programación, da como resultado:
[
]
Cálculo del coeficiente de desempeño ciclo de calefacción. .
Para el cálculo del COP de calefacción es necesario dividir el valor del calor en el
condensador del ciclo de calefacción para el trabajo real del compresor en el ciclo
de calefacción . Como se indica en la Ecuación (10).
(10)
Cálculo del flujo másico de refrigerante ciclo de calefacción.
Para el cálculo del flujo másico de refrigerante para refrigeración es necesario dividir la
potencia para calefacción del invernadero obtenida de los trabajos experimentales
previos, aumentado en un 5%, para el calor en el evaporador en el ciclo de refrigeración
. Como se indica en la Ecuación (11).
(11)
[
]
24
3.3. Cálculos del intercambiador de calor del suelo.
Se realizan los cálculos modelo en el caso de que el sistema trabaje en el ciclo de
refrigeración. Los cálculos se realizan en Microsoft Excel para utilizar la herramienta
Solver. Para el ciclo de calentamiento se utilizan las mismas ecuaciones a diferentes
condiciones.
Flujo másico de agua ciclo de refrigeración.
*
+ (12)
Dónde:
Potencia para refrigeración del invernadero. Obtenido de trabajos previos.
Cp del agua a presión constante. Obtenido de tablas.
(13)
Estos valores de temperaturas para el ciclo de refrigeración se establecen como 48°C a
la entrada y 33°C a la salida de la tubería.
Reemplazando estos valores en la Ecuación (12) se obtiene:
[
]
Área transversal tubería. .
(14)
Dónde:
Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante.
25
Caudal de agua ciclo de refrigeración. .
*
+ (15)
Dónde:
Flujo másico de agua ciclo de refrigeración. Obtenido por la Ecuación (12)
Densidad del agua. Obtenido de tablas.
[
]
Velocidad del agua ciclo de refrigeración. .
*
+ (16)
Dónde:
Caudal de agua ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (15)
Área transversal tubería. Obtenido de la Ecuación (14)
*
+
Número de Reynolds ciclo de refrigeración.
(17)
Dónde:
Velocidad del agua ciclo de refrigeración Obtenido de la Ecuación (16)
Densidad del agua. Obtenido de tablas.
Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante.
Viscosidad del agua. Obtenido de tablas.
Aplicando la Ecuación (17) se obtiene:
22
Figura 9. Diagrama P-h para ciclo de calentamiento (EES).
Cálculo del calor en el condensador ciclo de calentamiento. .
*
+ (7)
Los valores de se obtienen directamente de los datos del programa EES, por lo
tanto, al ingresar la Ecuación (7) en el entorno de programación, da como resultado:
[
]
Cálculo del calor en el evaporador ciclo de calefacción. .
*
+ (8)
Los valores de se obtienen directamente de los datos del programa EES, por lo
tanto, al ingresar la Ecuación (8) en el entorno de programación, da como resultado:
[
]
2 1
3 4
26
Número de Nusselt ciclo de refrigeración.
(
)( )
(
)
( ⁄ )
(18)
Dónde:
Factor de fricción de obtenido del Diagrama de Moody.
Número de Reynolds ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (17)
Número de Prandlt ciclo de refrigeración. Obtenido de tablas.
Se obtiene:
Coeficiente de convección ciclo de refrigeración.
*
+ (19)
Dónde:
Número de Nusselt ciclo de refrigeración
Conductividad térmica del material de la tubería
Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante
[
]
Coeficiente global de transferencia de calor ciclo de refrigeración. .
(
)
*
+ (20)
Dónde:
Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante
27
Diámetro externo de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante
Conductividad térmica del material de la tubería
Coeficiente de convección ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (19)
[
]
Media logarítmica ciclo de refrigeración.
Para la media logarítmica el agua trabaja temperaturas de 48 y 33°C, y el suelo se
encuentra a 29,5°C
(21)
Longitud de tubería .
Para el cálculo de la longitud se utiliza la herramienta Solver de Microsoft Excel, que
por medio de iteraciones establece un valor, que satisface con los requerimientos de
temperatura y energía.
Área lateral tubería. .
(22)
Dónde:
Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante
Longitud de tubería. Calculado por iteraciones.
28
Perdidas por fricción ciclo de refrigeración .
*
+ (23)
Factor de fricción de obtenido del Diagrama de Moody.
Longitud de tubería. Calculado por iteraciones.
Densidad del agua. Obtenido de tablas
Velocidad del agua ciclo de refrigeración Obtenido de la Ecuación (16)
Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante
*
+
Potencia de la bomba ciclo de refrigeración. .
(24)
Dónde:
Perdidas por fricción ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (23)
Caudal de agua ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (15)
3.4. Resultados del ciclo de compresión de vapor para refrigeración
En la Tabla 3 se muestran los resultados que muestra el programa EES para cada estado
en base a la Figura 8.
Tabla 3. Resultados ciclo por compresión de vapor para refrigeración
Entalpía
[kJ/kg]
Presión
[kPa]
Entropía
[kJ/kg]
Temperatura
[°C]
QHR
[kJ/kg]
QLR
[kJ/kg]
WR
[kJ/kg]
COPR
1 350,7 519,5 1,546 3 238,1 3,2
2 588,8 519,5 2,407 9 74,5
3 663,3 2 089,0 2,429 72,9 312,6
4 350,7 2 089,0 1,491 54,4
29
3.5. Resultados del ciclo de compresión de vapor para calefacción.
En la Tabla 4. Resultados ciclo por compresión de vapor para calefacciónse
muestran los resultados que muestra el programa EES para cada estado en base a la
Figura 9.
Tabla 4. Resultados ciclo por compresión de vapor para calefacción
Entalpía
[kJ/kg]
Presión
[kPa]
Entropía
[kJ/kg]
Temperatura
[°C]
QHBC
[kJ/kg]
QLBC
[kJ/kg]
WBC
[kJ/kg]
COPBC
1 308,4 519,5 1,393 3 280,4 5,8
2 588,8 519,5 2,407 9 58,4
3 647,2 1 543,0 2,425 57,6 338,8
4 308,4 1 543,0 1,362 40,3
3.6. Resultados del intercambiador de calor del suelo.
En la Tabla 5 se indican los resultados que se obtienen para el intercambiador de calor
del suelo en modo refrigeración.
Tabla 5. Resultados intercambiador de calor del suelo refrigeración
Descripción Valor Unidad
Flujo Pérdidas por fricción 8,51 x105
Pa
Área lateral 4,96 x101 m
2
Área transversal 7,07 x10-4
m2
Caudal 1,46 x10-3
m3/s
Flujo másico 1,45 kg/s
Velocidad 2,06 m/s
Longitud 5,26 x102 m
Bomba Potencia 1,24 x103 W
1,66 HP
Calor Reynolds 9,40 x104
Prandtl 4,32
Nusselt 5,44 x102
Coeficiente de convección 1,14 x104 W/m
2 °C
Coeficiente Global de
Transferencia de Calor
2,03 x102 W/m
2K
Media logarítmica temperaturas -9,01 °C
Calor total retirado -9,07 x104 W
30
En la Tabla 6 se indican los resultados que se obtienen para el intercambiador de calor
del suelo en modo calefacción.
Tabla 6. Resultados intercambiador de calor del suelo calefacción
Descripción Valor Unidad
Flujo Pérdidas por fricción 2,85 x105 Pa
Área lateral 4,96 x101 m
2
Área transversal 7,07 x10-4
m2
Caudal 8,81 x10-4
m3/s
Flujo másico 8,79 x10-1
kg/s
Velocidad 1,25 m/s
Longitud 5,26 x102 m
Bomba Potencia 2,51 x102 W
3,37 x10-1
HP
Calor Reynolds 3,62 x104
Prandtl 7,31
Nusselt 2,41 x102
Coeficiente de convección 4,74 x103 W/m
2 °C
Coeficiente Global de
Transferencia de Calor
1,98 x102 W/m
2K
Media logarítmica
temperaturas
2,52 °C
Calor total suministrado 2,47 x104 W
Temperaturas Temperatura entrada agua 22,0 °C
Temperatura salida agua 29,0 °C
Temperatura suelo 29,5 °C
Para la selección de la tubería, se puede observar el Anexo C.
3.7. Resultados de equipos utilizados en la bomba de calor
Compresor
En la Tabla 7 se muestran los resultados obtenidos para el compresor, se puede
evidenciar que en modo calefacción se obtienen los valores mínimos y para el modo
31
refrigeración se obtienen los valores máximos. Para la selección del compresor es
importante que englobe los valores mínimo y máximo.
Tabla 7 Resultados compresor
Presión
[kPa]
Temperatura
[°C]
Flujo
[kg/s]
Potencia
[kW]
Min Max Min Max Min Max Min Max
Succión 519,5 519,5 9,0 9,0 0,09 0,29 5,15 21,61
Descarga 1 543,0 2 089,0 57,6 72,9
Se selecciona un compresor cuyas especificaciones se pueden observar en el Anexo F.
Intercambiadores de calor del ciclo
La Tabla 8 muestra los valores obtenidos para el intercambiador de calor agua
refrigerante, el factor UA se obtiene de la ecuación de transferencia de calor de
intercambiadores y representa la multiplicación del coeficiente global de transferencia
de calor U por el área de transferencia A. Esto facilita la selección del equipo, tomando
en cuenta que los valores por separado no se conocen.
Tabla 8 Resultados Intercambiador de calor agua/refrigerante
Temperaturas [°C]
Fluido frío Fluido caliente
Refrigeración Entrada 33,0 72,9
Salida 48,0 54,5
Calefacción Entrada 3,0 29,0
Salida 9,0 22,0
Capacidad [kW] Refrigeración 90,7
Calefacción 24,7
UA[W/°C] 4 961,4
La Tabla 9 muestra los valores obtenidos para el intercambiador de calor refrigerante
aire, el factor UA se obtiene de la ecuación de transferencia de calor de
intercambiadores y representa la multiplicación del coeficiente global de transferencia
de calor U por el área de transferencia A. Esto facilita la selección del equipo, tomando
en cuenta que los valores por separado no se conocen.
32
Tabla 9 Resultados Intercambiador de calor refrigerante/aire
Temperaturas [°C]
Fluido frío Fluido caliente
Refrigeración Entrada 3,0 42,5
Salida 9,0 30,0
Calefacción Entrada 4,0 57,6
Salida 15,0 40,3
Capacidad [kW] Refrigeración 69,1
Calefacción 29,8
UA[W/°C] 3 117,7
Se seleccionan intercambiadores de calor que cumplan con los requerimientos, se
pueden observar en el Anexo G.
Válvulas
En la Tabla 10 se muestran los resultados obtenidos para la válvula de expansión, se
puede evidenciar que en modo calefacción se obtienen los valores mínimos y para el
modo refrigeración se obtienen los valores máximos. Para la selección de la válvula de
expansión es importante que englobe los valores mínimo y máximo.
Tabla 10 Resultados Válvula de expansión
Presión
[kPa]
Temperatura
[°C]
Flujo
[kg/s]
Mínima Máxima Mínima Máxima Mínimo Máximo
Entrada 1 543,0 2 083,0 40,3 54,4 0,09 0,29
Salida 519,5 519,5 3,0 3,0
En la
Tabla 11 se muestran los resultados obtenidos para la válvula de 4 vías, se puede
evidenciar que en modo calefacción se obtienen los valores mínimos y para el modo
33
refrigeración se obtienen los valores máximos. Para la selección de la válvula de 4 vías
es importante que englobe los valores mínimo y máximo.
Tabla 11 Resultados Válvula de 4 vías
Presión
[kPa]
Temperatura
[°C]
Flujo
[kg/s]
Mínima Máxima Mínima Máxima Mínimo Máximo
519,5 2 083,0 9,0 72,9 0,09 0,29
Para observar la selección de las válvulas se puede observar el Anexo E.
34
4. DISCUSIÓN
La capacidad máxima de enfriamiento del sistema, según los valores de trabajos
previos, es equivalente a 2,2 veces la capacidad máxima de calefacción, por lo tanto,
para cumplir con los balances de masa y energía combinados en la bomba de calor,
se necesita modificar las condiciones de operación para cada ciclo, esto se puede
evidenciar en todas las tablas de resultados. Además, el COP para calefacción
debería ser mayor al COP para refrigeración en un valor de 1, considerando las
mismas condiciones de operación (Cengel & Boles, 2011), sin embargo, en este caso
el COP de calefacción difiere con el de refrigeración en un valor de 2,6, debido a que
las condiciones de operación del ciclo varían en cada escenario.
Para el captador geotérmico se utiliza un sistema indirecto horizontal con una tubería
flexible de polietileno de alta densidad, por recomendación de la IGSHPA, con el fin
de asegurar una adecuada transferencia de calor y evitar la corrosión en el caso de ser
una tubería metálica. Se obtienen 526,14 m de longitud de tubería, lo que significa 30
m de tubería por cada TRF de refrigeración, 65 m de tubería por cada TRF de
calefacción, sin embargo, la bibliografía recomienda que se obtengan
aproximadamente de 120 a 180m por TRF ( Natural Resources of Canada, 2004),
esta diferencia podría deberse principalmente a las condiciones ambientales de
temperatura que se tienen en los lugares donde se aplican estos sistemas, como es el
caso de: Canadá, Estados Unidos, Países Bajos, Rusia, Hungría y Turquía, donde las
temperaturas del suelo pueden estar bajo los 0°C. Según los estudios previos de este
trabajo, las condiciones ambientales extremas son 4°C y 45,2°C, así como, la
temperatura del suelo a 2m de profundidad varía de 29 a 30°C aproximadamente, por
lo que, la transferencia de calor varía según las ecuaciones de cálculo utilizadas para
el diseño y de igual manera la longitud de la tubería.
La mayoría de modelos geotérmicos se encuentran desarrollados para dimensionar
sistemas verticales, por lo que, para este caso específico de tubería horizontal, se
utilizó la metodología de transferencia de calor en un fluido en movimiento dentro de
35
una tubería como lo recomiendan Bergman, Lavine, Incropera y DeWit (2011),
incorporando los datos experimentales de temperatura, conductividad, calor
específico del suelo a diferente profundidad y dando como resultado el
dimensionamiento del intercambiador de calor del suelo.
El valor de COP calculado en la bomba de calor para calefacción es 5,8; el COP de
estos sistemas se reporta en bibliografía especializada con valores entre 3 a 6
(Twidell & Weir, 2015), además, por los requerimientos Energy Star® el mínimo
valor es 3.
El valor de EER obtenido es 10,9 para bomba de calor en modo de refrigeración,
debajo de lo recomendado por el Energy Star® de 14,1. Por otro lado, se calculó un
COP para refrigeración de 3,2, el COP de estos sistemas se reporta en bibliografía
especializada con valores entre 3 a 6 (Twidell & Weir, 2015).
El simulador de procesos utilizado no tenía disponible entre su librería la válvula de
inversión de 4 vías, por lo que, es necesario simular por separado el proceso de
refrigeración y bomba de calor. No obstante, al comparar con el valor del COP de
calefacción en EES® y en Aspen HYSYS®, se observa que son 5,8 y 5,7
respectivamente, se tiene una precisión del 98,3% en el resultado, asimismo, al
comparar los valores obtenidos de COP de refrigeración en EES® y en Aspen
HYSYS® se observa que son 3,2 y 3,3 respectivamente, se tiene una precisión del
95,2% en el resultado.
.
36
5. CONCLUSIONES
Para refrigerar el invernadero de 350m2 con una capacidad máxima de enfriamiento
de 18,68 TRF (65,76 kW) se necesita: para el captador geotérmico 1,45 kg/s de agua,
para el ciclo de compresión de vapor 0,29 kg/s de refrigerante R-290 y para el emisor
7,5 kg/s de aire. Para calentar el invernadero con una capacidad máxima de
calefacción de 8,40 TRF (29,57 kW) se necesita: para el captador geotérmico 0,88
kg/s de agua, para el ciclo de compresión de vapor 0,09 kg/s de refrigerante R-290 y
para el emisor 2,7 kg/s de aire.
La longitud de tubería del captador geotérmico de polietileno de alta densidad, con
un diámetro nominal de 32 mm presenta un valor de 526,14 m, lo que significa, 30m
de tubería por cada TRF para refrigeración, 65m de tubería por cada TRF para
calefacción aproximadamente y 1,5 m de tubería por cada metro cuadrado de área en
el interior del invernadero. Menor al rango recomendado por la bibliografía y
discutido previamente.
En modo refrigeración la temperatura de entrada de agua al captador geotérmico es
48°C y de salida es 33°C, mientras que para la calefacción la temperatura de entrada
es 22°C y de salida es 29°C, además, la temperatura del suelo es 29,5°C. Por lo que,
el potencial energético del suelo es utilizable, tanto para calefacción como para
refrigeración en un invernadero en la zona, cuyo requerimiento de temperatura
ambiente esté entre 30 y 15°C.
El COP obtenido para calefacción es 5,8 lo que significa que por cada unidad de
energía eléctrica utilizada se obtienen 5,8 unidades de energía para calentar el
invernadero, de igual manera, el COP obtenido para refrigeración de 3,2, lo que
significa que por cada unidad de energía eléctrica utilizada se extraen 3,2 unidades
de energía para enfriar el invernadero, los valores obtenidos en este trabajo se ajustan
al rango de desempeño termodinámico adecuado consultado en la bibliografía.
37
La precisión de la comparación entre simuladores en función al COP alcanza el
98,3% para calefacción y 95,2% para refrigeración, lo que indica que el uso del
simulador de procesos como el modelo matemático son correctos.
38
6. RECOMENDACIONES
Se recomienda estudiar un sistema de captación geotérmica vertical, ya que se tiene
mayor cantidad de modelos desarrollados experimentalmente, debido a su alta
eficiencia y menor cantidad de área ocupada horizontalmente.
Se recomienda tomar en cuenta las precauciones de seguridad y simular las
condiciones de operación, con el uso de refrigerantes inflamables, en este caso R-
290. Ya que, si en el sistema se presentan fugas, podría ocurrir una explosión.
Se recomienda el uso de simuladores especializados según la disposición del
sistema, entre los cuales se pueden citar a los incluidos en el marco teórico para
bombas de calor geotérmicas, en los que se pueda modelar tanto el calentamiento
como el enfriamiento de los espacios.
Se recomienda realizar un análisis económico de todos los equipos que intervienen
en la operación, los costos de operación y mantenimiento, comparado con el
beneficio económico que se recibe por el cultivo en el invernadero, con el fin de
conocer su rentabilidad a largo plazo.
Se recomienda realizar el control completo de la bomba de calor, ya que solo se
realiza el control básico para el PLC, sin tomar en cuenta los elementos de control en
el ciclo.
Indirectamente se podrían controlar condiciones de humedad relativa partiendo de
valores conocidos de humedad específica, lo cual, puede ser analizado en una
siguiente fase del proyecto.
39
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
Aguilera, E., & Peláez, M. R. (2015). Estado de la exploración de la energía geotérmica
en Ecuador. Energías Renovables en Ecuador. Situación Actual Tendencias y
Perspectivas, 384-406.
Alarcón Creus, J. (1998). Tratado práctico de refrigeración automática. España:
Marcombo.
Alcivar, B. (22 de Noviembre de 2011). EntreTintas. BLOG DE LOS ESTUDIANTES
DE COMUNICACIÓN SOCIAL DE LA ESPOL. Obtenido de http://entre-
tintas.blogspot.com/2011/11/5-mayores-cultivos-del-ecuador.html
Alpi, A., & Tognoni, F. (1999). Cultivo en Invernadero. Madrid: MUNDI PRENSA
S.A.
ASHRAE. (2011). ASHRAE HANDBOOK HVAC Applications. Atlanta.
ASHRAE. (2013). ASHRAE FUNDAMENTALS. Atlanta.
Benli, H., & Durmuş, A. (2009). Evaluation of ground-source heat pump combined
latent heat storage system performance in greenhouse heating. Energy and
Buildings, 220-228.
Bergman, T., Lavine, A., Incropera, F., & DeWitt, D. (2011). Fundamentals of Heat
and Mass Transfer. United States of America: JOHN WILEY & SONS.
Blocon AB. (2018). Buildingphysics.com. Obtenido de https://buildingphysics.com/eed-
2/
BOHN. (2008). Boletín_N°29 Las fallas más comunes de su sistema de refrigeración y
su solución en campo. México: BOHN MÉXICO.
BOHN. (2011). Boletín_N°36 IMPORTANCIA DEL SUBENFRIAMIENTO EN LOS
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN. México: BOHN MÉXICO.
Bunces, P. (2017). Determinación del requerimiento energético dentro de un
invernadero del sector florícola (Tesis de pregrado). Quito, Ecuador:
Universidad Central del Ecuador.
40
Capelo, S. (2017). Análisis de la factibilidad técnica del uso de la energía geotérmica
en la industria florícola (Tesis de pregrado). Quito, Ecuador: Universidad
Central del Ecuador.
Castro, J. (2011). Perspectivas de la demanda energética global. Petrotécnia, 54-70.
Cengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2011). TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA.
Fundamentos y aplicaciones. México: McGraw-Hill.
Cengel, Y., & Boles, M. (2011). Termodinámica. México, MEXICO: MC GRAW
HILL.
Chávez, E. (2016). Diseño y construcción de una bomba de calor geotérmica (Tesis de
pregrado). Quito: Escuela Politécnica Nacional.
De Juana Sardón, J. M. (2003). Energías renovables para el desarrollo. España:
Paraninfo.
Dominguez, S. (2017). Diseño de una bomba de calor para calentamiento de agua y
abastecimiento al Laboratorio de Operaciones Unitarias (Tesis de pregrado).
Quito: Universidad Central del Ecuador.
EGEC. (2017). Geothermal use in Agriculture. Belgium: European Geothermal Energy
Council.
Egg, J., & Clark Howard, B. (2011). Geothermal HVAC: Green Heating and Cooling.
McGraw-Hill.
Ewings, S. K. (2008). Geothermal Heat Pumps: Installation Guide. United States of
America: Global Greenhouse Warming.
EXPOFLORES. (21 de Mayo de 2017). Clima baajo invernadero. Obtenido de
http://flor.ebizor.com/clima-bajo-invernadero/
Fridleifsson, I. B. (2001). Geothermal energy for the benefit of the people. Renewable
and Sustainable Energy Reviews, 5(3), 299-312.
Giancoli, D. (2008). Física para ciencias e ingeniería. México: PEARSON
EDUCACIÓN.
Hanan, J. (2017). Greenhouses: Advanced Technology for Protected Horticulture. USA:
CRC Press.
41
Hellström, G., & Sanner, B. (2001). PC-programs and modelling for borehole heat
exchanger design. International Goethermal Days Germany.
Hurtado, N. (2017). Evalucación del uso de bombas de calor geotérmicas en
invernaderos (Tesis de pregrado). Santiago de Chile: Universidad de Chile.
IGSHPA. (2016). Closed-Loop/ Geothermal Heat Pump Systems. Design and
Installation Standards. Oklahoma: International Ground Source Heat Pump
Association. Oklahoma State University .
IGSHPA. (2019). Software. Tools to design and support your Ground Source Heat
Pump installation. Obtenido de https://igshpa.org/software/
ISO, I. O. (2007). Plastics piping systems- Polyethylene (PE) pipings and fittings for
water suply (ISO 4427-2). Obtenido de
https://www.cidelsa.com/media/prod_brochure_2/Tuberia_Lisa_de_HDPE.pdf
Kavanaugh, S. P. (2014). Geothermal heating and cooling : design of ground-source
heat pump systems. Atlanta: ASHRAE.
Kurt, R. (2006). Termodinámica. México: PEARSON EDUCACIÓN.
Lund, J. W., Freeston, D. H., & Boyd, T. L. (2011). Direct utilization of geothermal
energy 2010 worldwide review. Geothermics, 159-180.
Lund, J., & Boyd, T. (2016). Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide
review. Geothermics, 66-93.
MIPRO. (2018). Reunión de las partes del Protocolo de Montreal 5-9 Noviembre de
2018. Obtenido de Mnisterio de Industrias y Productividad:
https://www.industrias.gob.ec/reunion-de-las-partes-del-protocolo-de-montreal-
5-9-noviembre-de-2018/
Moran, M. J., & Shapiro, H. N. (2004). Fundamentos de termodinámica técnica.
España: Reverté.
Natural Resources of Canada. (2004). Heating and Cooling With a Heat Pump. Canadá:
Natural Resources Canada's Office of Energy Efficiency.
Pous, J., & Jutglar, L. (2004). Energía Geotérmica. Barcelona: Ceac.
Reda, F. (2017). Solar Assisted Ground Source Heat Pump Solutions. Finland: Springer.
42
Sanz del Castillo, F., & Sanz del Castillo, D. (2014). Control de refrigeración. Madrid:
Universidad Nacional de Educación a Distanca.
Sarbu, I., & Sebarchievici, C. (2016). Ground-source heat pumps : fundamentals,
experiments and applications. London: Elsevier Science.
Thermal Dynamics Inc. (2018). GLD SOFTWARE. Obtenido de
http://www.groundloopdesign.com
Thermal Energy System Specialists. (2019). Transient Sistem Simulation Tool TRNSYS.
Obtenido de http://www.trnsys.com/
Twidell, J., & Weir, T. (2015). Renewable Energy Resources. New York: Routledge.
U.S. Department of Energy’s, National Renewable Energy Laboratory. (2018).
EnergyPlus. Obtenido de https://energyplus.net/
Vega de Kuyper, J., & Ramirez, S. (2014). Fuentes de Energía Renovables y No
Renovables. Aplicaciones. México: Alfaomega.
Watchel, A. (2010). Energy Today: Geothermal Energy . United States of America:
Infobase.
Whitman, W., & Johnson, W. (2000). Tecnología de la Refrigeración y Aire
Acondicionado II. Refrigeración Comercial. . Madrid: Paraninfo.
Yanucci, D. (Febrero de 2019). Los Desafíos del Clima en la Post-Cosecha. Obtenido
de Agricultura: https://www.engormix.com/agricultura/articulos/los-desafios-
clima-post-t43351.htm
Zabeltitz, C. v. (2010). Integrated Greenhouse Systems for Mild Climates. Climate
Conditions, Design, Construction, Maintenance, Climate Control. New York:
Springer Science & Business Media.
43
BIBLIOGRAFÍA
Aguilera, E., & Peláez, M. R. (2015). Estado de la exploración de la energía geotérmica
en Ecuador. Energías Renovables en Ecuador. Situación Actual Tendencias y
Perspectivas, 384-406.
Alarcón Creus, J. (1998). Tratado práctico de refrigeración automática. España:
Marcombo.
Alcivar, B. (2011, Noviembre 22). EntreTintas. BLOG DE LOS ESTUDIANTES DE
COMUNICACIÓN SOCIAL DE LA ESPOL. Retrieved from http://entre-
tintas.blogspot.com/2011/11/5-mayores-cultivos-del-ecuador.html
Alpi, A., & Tognoni, F. (1999). Cultivo en Invernadero. Madrid: MUNDI PRENSA
S.A.
ASHRAE. (2011). ASHRAE HANDBOOK HVAC Applications. Atlanta.
ASHRAE. (2013). ASHRAE FUNDAMENTALS. Atlanta.
Benli, H., & Durmuş, A. (2009). Evaluation of ground-source heat pump combined
latent heat storage system performance in greenhouse heating. Energy and
Buildings, 220-228.
Bergman, T., Lavine, A., Incropera, F., & DeWitt, D. (2011). Fundamentals of Heat
and Mass Transfer. United States of America: JOHN WILEY & SONS.
Blocon AB. (2018). Buildingphysics.com. Retrieved from
https://buildingphysics.com/eed-2/
BOHN. (2008). Boletín_N°29 Las fallas más comunes de su sistema de refrigeración y
su solución en campo. México: BOHN MÉXICO.
BOHN. (2011). Boletín_N°36 IMPORTANCIA DEL SUBENFRIAMIENTO EN LOS
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN. México: BOHN MÉXICO.
Bunces, P. (2017). Determinación del requerimiento energético dentro de un
invernadero del sector florícola (Tesis de pregrado). Quito, Ecuador:
Universidad Central del Ecuador.
44
Capelo, S. (2017). Análisis de la factibilidad técnica del uso de la energía geotérmica
en la industria florícola (Tesis de pregrado). Quito, Ecuador: Universidad
Central del Ecuador.
Castro, J. (2011). Perspectivas de la demanda energética global. Petrotécnia, 54-70.
Cengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2011). TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA.
Fundamentos y aplicaciones. México: McGraw-Hill.
Cengel, Y., & Boles, M. (2011). Termodinámica. México, MEXICO: MC GRAW
HILL.
Chávez, E. (2016). Diseño y construcción de una bomba de calor geotérmica (Tesis de
pregrado). Quito: Escuela Politécnica Nacional.
De Juana Sardón, J. M. (2003). Energías renovables para el desarrollo. España:
Paraninfo.
Dominguez, S. (2017). Diseño de una bomba de calor para calentamiento de agua y
abastecimiento al Laboratorio de Operaciones Unitarias (Tesis de pregrado).
Quito: Universidad Central del Ecuador.
EGEC. (2017). Geothermal use in Agriculture. Belgium: European Geothermal Energy
Council.
Egg, J., & Clark Howard, B. (2011). Geothermal HVAC: Green Heating and Cooling.
McGraw-Hill.
Ewings, S. K. (2008). Geothermal Heat Pumps: Installation Guide. United States of
America: Global Greenhouse Warming.
EXPOFLORES. (2017, Mayo 21). Clima baajo invernadero. Retrieved from
http://flor.ebizor.com/clima-bajo-invernadero/
Fridleifsson, I. B. (2001). Geothermal energy for the benefit of the people. Renewable
and Sustainable Energy Reviews, 5(3), 299-312.
Giancoli, D. (2008). Física para ciencias e ingeniería. México: PEARSON
EDUCACIÓN.
Hanan, J. (2017). Greenhouses: Advanced Technology for Protected Horticulture. USA:
CRC Press.
45
Hellström, G., & Sanner, B. (2001). PC-programs and modelling for borehole heat
exchanger design. International Goethermal Days Germany.
Hurtado, N. (2017). Evalucación del uso de bombas de calor geotérmicas en
invernaderos (Tesis de pregrado). Santiago de Chile: Universidad de Chile.
IGSHPA. (2016). Closed-Loop/ Geothermal Heat Pump Systems. Design and
Installation Standards. Oklahoma: International Ground Source Heat Pump
Association. Oklahoma State University .
IGSHPA. (2019). Software. Tools to design and support your Ground Source Heat
Pump installation. Retrieved from https://igshpa.org/software/
ISO, I. O. (2007). Plastics piping systems- Polyethylene (PE) pipings and fittings for
water suply (ISO 4427-2). Retrieved from
https://www.cidelsa.com/media/prod_brochure_2/Tuberia_Lisa_de_HDPE.pdf
Kavanaugh, S. P. (2014). Geothermal heating and cooling : design of ground-source
heat pump systems. Atlanta: ASHRAE.
Kurt, R. (2006). Termodinámica. México: PEARSON EDUCACIÓN.
Lund, J. W., Freeston, D. H., & Boyd, T. L. (2011). Direct utilization of geothermal
energy 2010 worldwide review. Geothermics, 159-180.
Lund, J., & Boyd, T. (2016). Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide
review. Geothermics, 66-93.
MIPRO. (2018). Reunión de las partes del Protocolo de Montreal 5-9 Noviembre de
2018. Retrieved from Mnisterio de Industrias y Productividad:
https://www.industrias.gob.ec/reunion-de-las-partes-del-protocolo-de-montreal-
5-9-noviembre-de-2018/
Moran, M. J., & Shapiro, H. N. (2004). Fundamentos de termodinámica técnica.
España: Reverté.
Natural Resources of Canada. (2004). Heating and Cooling With a Heat Pump. Canadá:
Natural Resources Canada's Office of Energy Efficiency.
Pous, J., & Jutglar, L. (2004). Energía Geotérmica. Barcelona: Ceac.
Reda, F. (2017). Solar Assisted Ground Source Heat Pump Solutions. Finland: Springer.
46
Sanz del Castillo, F., & Sanz del Castillo, D. (2014). Control de refrigeración. Madrid:
Universidad Nacional de Educación a Distanca.
Sarbu, I., & Sebarchievici, C. (2016). Ground-source heat pumps : fundamentals,
experiments and applications. London: Elsevier Science.
Thermal Dynamics Inc. (2018). GLD SOFTWARE. Retrieved from
http://www.groundloopdesign.com
Thermal Energy System Specialists. (2019). Transient Sistem Simulation Tool TRNSYS.
Retrieved from http://www.trnsys.com/
Twidell, J., & Weir, T. (2015). Renewable Energy Resources. New York: Routledge.
U.S. Department of Energy’s, National Renewable Energy Laboratory. (2018).
EnergyPlus. Retrieved from https://energyplus.net/
Vega de Kuyper, J., & Ramirez, S. (2014). Fuentes de Energía Renovables y No
Renovables. Aplicaciones. México: Alfaomega.
Watchel, A. (2010). Energy Today: Geothermal Energy . United States of America:
Infobase.
Whitman, W., & Johnson, W. (2000). Tecnología de la Refrigeración y Aire
Acondicionado II. Refrigeración Comercial. . Madrid: Paraninfo.
Yanucci, D. (2019, Febrero). Los Desafíos del Clima en la Post-Cosecha. Retrieved
from Agricultura: https://www.engormix.com/agricultura/articulos/los-desafios-
clima-post-t43351.htm
Zabeltitz, C. v. (2010). Integrated Greenhouse Systems for Mild Climates. Climate
Conditions, Design, Construction, Maintenance, Climate Control. New York:
Springer Science & Business Media.
47
ANEXOS
48
ANEXO A
Datos finales utilizados para el diseño de la bomba de calor
Figura A1. Hoja de Microsoft Excel® con las condiciones de diseño. (Bunces, 2017) (Capelo, 2017)
49
ANEXO B
Ciclo de compresión de vapor utilizando EES
Figura B1. Ciclo de compresión de vapor real para refrigeración usando R-290
Figura B2. Ciclo de compresión de vapor real para calefacción usando R-290
50
ANEXO C
Especificaciones del intercambiador de calor del suelo
Tabla C1. Espesor de la pared de la tubería (ISO, 2007)
Tabla C2. Criterios generales selección de tubería
Material Polietileno De Alta Densidad
(HDPE) Flexible PE-100 SDR17
Fabricante
CIDELSA
51
ANEXO C (continuación)
Tabla C3. Criterios específicos selección tubería
Descripción Valor Unidad
Diámetro nominal 32 mm
Espesor 2 mm
Diámetro interno 30 mm
Peso promedio 0,2 kg/ml
Rugosidad 0,007 mm
Rugosidad Relativa 0,0002 -
Conductividad material 0,4 W/m K
Longitud 530 m
Obtenido de: Catálogo Tuberías Lisas HDPE CIDELSA 2018
52
ANEXO D
Refrigerante R-290
Tabla D1 Propiedades termo físicas del refrigerante R-290 ASHRAE
53
ANEXO D (continuación)
Tabla D2 Propiedades del fabricante del refrigerante R-290
Nombre comercial Propano (R-290)
Codigo comercial R-290
Uso Gas refrigerante
Número CAS 74-98-6
Etiqueta Extremadamente
inflamable
Temperatura de ebullición [°C] -42,1
Temperatura de auto ignición [°C] 470
Temperatura crítica [°C] 96,7
Presión crítica [kPa] 42,48
Pureza Alta
Proveedor REFECOL
Obtenido de: Catálogo R-290 REFECOL 2018
54
ANEXO E
Selección de válvulas
Tabla E1 Especificaciones válvula de expansión
Modelo Válvula de expansión
termostática TCBE 3
Material Acero inoxidable
Fabricante Danfoss
Temperatura condensación máxima 55
Temperatura evaporación máxima °C 10
Máxima presión de trabajo kPa 4550
Refrigerante R290
Longitud del tubo capilar mm 900
Sobrecalentamiento Estático °C 4
Capacidad kW 32
Obtenido de: Catalogo de válvulas de expansión. Danfoss 2016
55
ANEXO E (continuación)
Tabla E2 Especificaciones válvula inversora de 4 vías
Modelo Válvula inversora de 4 vías para
R-290 BEL-DSF3400
Tipo Recta
Descarga [pulg] 7/8
Aspiración [pulg] 1.1/8
Capacidad [TRF] 6,5-20
Bobina [V] 220
Fabricante Línea DSF
Obtenido de: Válvulas inversoras compilación LINEA DSF. 2017.
56
ANEXO F
Selección de compresor
Tabla F1 Especificaciones del compresor
Modelo Compresor Copeland Scroll
para R-290 ZHV0291U
Velocidad Variable
Desplazamiento [cm3] 29
Tubo de succión [pulg] ⁄
Tubo de descarga [pulg] ⁄
Cantidad de aceite [l] 0,7
Longitud [mm] 207
Anchura [mm] 198
Altura [mm] 334
Peso [kg] 15
Potencia máxima [kW] 25
Temperatura mínima [°C] -7
Temperatura máxima [°C] 80
Fabricante Emerson
Obtenido de: Catálogo compresores Scroll Emerson R-290. 2016
57
ANEXO G
Selección Intercambiadores
Tabla G1 Especificaciones del Intercambiador de placas
Modelo Intercambiador de placas soldadas
CB30
Temperatura mínima de trabajo [°C] -196
Temperatura máxima de trabajo [°C] 225
Presión mínima de trabajo [bar] Vacío
Presión máxima de trabajo [bar] 40
Volumen por canal [l] 0,054
Tamaño de partícula máximo [mm] 1
Flujo máximo [m3/h] 14,5
Mínimo número de placas 4
Máximo número de placas 150
Material Acero inoxidable
Fabricante Alfa Laval
Dimensiones [mm]
A 149,2
Obtenido de: Catalogo intercambiadores de placas Alfa Laval. 2015
58
ANEXO G (continuación)
Tabla G2 Especificaciones del Intercambiador de flujo cruzado
Modelo Intercambiador de flujo
cruzado de flujo inducido
Heat Duty [kW] 70
U [W/m2°C] 550
Área [m2] 5,67
Paso Simple
Filas 3
Longitud del tubo [m] 5
Flujo de aire [kg/s] 7,5
Potencia ventiladores [kW] 51,77
Numero de ventiladores 2
Fabricante Kelvion
Obtenido de: Catalogo Air Fin Cooler. Kelvion. 2015
59
ANEXO H
Simulación del ciclo en Aspen HYSYS
Figura H1. Simulación del ciclo de refrigeración
60
ANEXO H (continuación)
Tabla H1. Balance de masa y energía para refrigeración obtenido de Aspen HYSYS
Case - Material Stream
Name 1 2 Agua Fría Agua
Caliente Aire Caliente Aire Frío 3 4
Pressure [kPa] 519,5 519,5 850 850 1000 100 2089 2089
Temperature [C] 2,9053877 9 33 48 42,5 30,5462647 72,9707323 49,9845924
Mass Flow [kg/s] 0,29 0,29 1,446 1,446 7,5 7,5 0,29 0,29
Std Ideal Liq Vol Flow [m3/h]
2,0612856 2,0612856 5,21610511 5,21610511 30,6966790 30,6966790 2,06128569 2,06128569
Molar Enthalpy [kJ/kgmole]
-118053,476
-107085,213 -285586,389 -284420,278 429,597445 151,162991 -103821,227 -118053,476
Utility Type
Stream Price Factor
Stream Price Basis Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow
Cost Flow [Cost/hr]
61
ANEXO H (continuación)
Figura H2. Simulación del ciclo de calefacción
62
ANEXO H (continuación)
Tabla H2. Balance de masa y energía para calefacción obtenido de Aspen HYSYS
Case - Material Stream
Name 1 2 Agua
Caliente Agua Fría 3 4 Aire Frío Aire Caliente
Pressure [kPa] 519,5 519,5 285 285 1543 1543 900 1000
Temperature [C] 2,901875595 9,486947866 29 22,52 57,92338193 40,25 4 15,23966683
Mass Flow [kg/s] 0,088 0,088 0,88 0,88 0,088 0,088 2,7 2,7
Std Ideal Liq Vol Flow [m3/h] 0,625493589 0,625493589 3,174393155 3,174393155 0,625493589 0,625493589 11,05080446 11,05080446
Molar Enthalpy [kJ/kgmole] -
119373,5611 -
107048,7319 -
285906,7543 -
286410,2751 -
104477,8292 -
119373,5611 -
685,2871817 -
366,5526232
Utility Type
Stream Price Factor
Stream Price Basis Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow
Cost Flow [Cost/hr]
63
ANEXO I
Programación del PLC en LogoSoft Comfort
Figura I1. Programación del PLC obtenido de Logosoft Comfort.
64
ANEXO J
Diagramas del diseño en AutoCad
+
-
D
CIRCUITO INTERIOR
INVERNADERO
CIRCUITO EXTERIOR
INVERNADERO
DE
H
G
A
C
B
D
SIMBOLOGÍA
INTERCAMBIADOR DE FLUJO
CRUZADO
+
-
INTERCAMBIADOR DE PLACAS
VÁLVULA DE EXPANSIÓN
VÁLVULA DE 4 VÍAS
COMPRESOR
TANQUE
BOMBA
DRENAJE DE AGUA
DRENAJE
TUBO FLEXIBLE
REFRIGERACIÓN
CALENTAMIENTO
SENSOR DE NIVEL
SENSOR DE PRESIÓN
T
SENSOR DE TEMPERATURA
F
F
I
110 VAC / 24 VDC
B C
H
D
E
F
0 V 0 V 0 V24 V 24 V 24 V
L1
L2 N
I1 I2 I3 I4 AI2 AI3 AI4
Q2 Q3 Q4 AQ1 AQ2 AQ3 AQ4
INICIO PARO
G
Q1
A
AI1
SIMBOLOGÍA
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
(PLC)
INDICADOR LED
CONEXIÓN A TIERRA
110 VAC / 24 VDC
0 V 0 V 0 V24 V 24 V 24 V
L1
L2N
I1 I2 I3 I4 AI2 AI3 AI4
Q2 Q3 Q4 AQ1 AQ2 AQ3 AQ4Q1
AI1
CONTACTOR NORMALMENTE
ABIERTO
CONTACTOR NORMALMENTE
CERRADO
I