CAPÍTULO 3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
3.2 Demanda de los equipos de aire acondicionado y refrigeración en la zona
Un ejemplo donde se puede apreciar el efecto del clima de las diferentes regiones del país en el consumo de energía eléctrica es comparado el consumo medio anual de cada región. Por ejemplo, el consumo medio anual nacional es de 137 kWh/usuario, mientras que en el sureste del país, en Oaxaca, se tiene un consumo medio anual de 84 kWh/usuario y Chiapas, tiene 92 kWh/usuario (en estas regiones la mayoría de la población no tiene equipos de consumo de energía eléctrica para la climatización artificial). En cambio en los estados del norte del país se presenta un mayor consumo medio anual de 218 kWh/usuario y Sinaloa con 258 kWh/usuario, esto principalmente por el uso de equipo para climatización artificial y al poder adquisitivo de la población de estos estados.
Lo cual demuestra que en la zona norte el consumo de energía aumenta en un 100% a 200%, en México la demanda de los equipos de aire acondicionado y de refrigeración es muy elevada dependiendo de la región geográfica en que se encuentren.
En México el clima está determinado por varios factores, entre los que se encuentran la altitud sobre el nivel del mar, la latitud geográfica, las diversas condiciones atmosféricas y la distribución existente de tierra y agua. Por lo anterior, el país cuenta con una gran diversidad de climas, los cuales de manera muy general pueden clasificarse, según su temperatura, en cálido y templado; y de acuerdo con la humedad existente en el medio, en: húmedo, subhúmedo y muy seco.
La tabla siguiente muestra como se comportan los climas en México dependiendo la región en la que se encuentran.
Tabla 1. Muestra de las diferentes temperaturas de acuerdo al clima humedad y precipitación
anual.
Clima Extensión territorial Precipitación
Anual Temperatura Seco 28.3% 300 a 600 mm 22° a 26° C Muy seco 20.8% 100 a 300 mm 18° a 22° C Cálido Húmedo 4.7% 2,000 a 4,000 mm 22° y 26°C Cálido Sub-húmedo 23% 1,000 y 2,000 mm 22° y 26° Templado Húmedo 2.7% 2,000 a 4,000 mm 18° y 22°C Templado Sub-húmedo 20.5% 600 a 1,000 mm 10° y 18° C y de 18° a 22°C
3.3 RÉGIMEN DE OPERACIÓN DE UN AIRE ACONDICIONADO EN
EL ESTADO DE MEXICO DE ACUERDO A LA TEMPERATURA
Considerando que la temperatura no varía al paso de los días se toman como patrón dos días del mes de Junio donde se mostrara el pronóstico de la temperatura respecto al tiempo. La siguiente grafica mostrara ese patrón.
Fig. 15. Temperaturas del Estado de México.
NOTA: Los parámetros de confort con respecto a la temperatura del aire acondicionado, de acuerdo a la organización ASHRAE son los siguientes:
• Temperatura: entre 22 y 24 grados centígrados.
3.4 COMPORTAMIENTO DEL MOTO-COMPRESOR
El moto-compresor como ahora le llamaremos tiene características distintas a un motor convencional ya que estos se encuentran internos dentro de una carcasa.
3.4.1 El motor eléctrico utilizado para accionar compresores.
El motor-compresor contiene un motor de inducción acoplado internamente y es usado para accionar los compresores de tipo Herméticos, Semi-herméticos y rotativos.
Los motores de inducción tipo jaula de ardilla es el que se utiliza en este tipo de sistemas y estos son los motores eléctricos más populares y utilizados dentro del ámbito industrial y doméstico.
Tradicionalmente a este tipo de motor eléctrico se le ha considerado como
“caballos de batalla” y son empleados en un sin número de aplicaciones.
Su gran posicionamiento en los mercados lo han ganado gracias a que ofrecen: - Una alta eficiencia en el proceso de conversión de energía electromecánica - Un bajo costo de mantenimiento
- Una excelente relación entre tamaño de armazón y potencia útil de salida - Una vida útil de operación adecuada
- Una gran facilidad de adaptación a aplicaciones especiales - Un razonable precio de venta
Solo presentaban hasta hace algunos años dos características que en algunas aplicaciones los dejaban en desventaja frente a otros tipos de motores eléctricos: -Su comportamiento al arranque.
-Su control de velocidad.
3.4.2. Dinámica de la maquina de inducción.
Entre los motores de inducción el problema dinámicos más comunes están relacionados con el arranque, paro y con la capacidad del motor de seguir trabajando durante ciertas perturbaciones del sistema eléctrico.
Sin embargo, ahora con la aplicación de los inversores de frecuencia, ambas características han sido controladas.
Más aún, gracias a su construcción física, el motor de inducción con rotor tipo jaula, tiene un excelente comportamiento dinámico, el cual puede ser utilizado
cuando se requiera arranques y paros continuos, reversiones, control de velocidad, etc.
Lo anterior debido a que posee un rotor con baja inercia, libre de conmutador, anillos rasantes y escobillas, una gran rigidez, y un control desde el diseño de la inductancia y resistencia.
Por todo esto se puede afirmar que el motor de inducción tipo jaula junto con los inversores de frecuencia representan una excelente alternativa de reemplazo contra los sistemas tradicionales como puede ser el motor de CD y el motor de inducción con rotor devanado.
3.4.3 Control del par.
.
Fig. 16. Par de arranque.
3.4.4 Control de velocidad.
La velocidad síncrona de un motor de inducción se puede modificar: a) Cambiando el numero de polos
b) Cambiando la frecuencia de suministro. c) Variando el voltaje de suministro
d) Variando la resistencia del rotor
Parte del desarrollo de la tesis es variar la velocidad del motor, cambiando la frecuencia de suministro, la cual se tratará con más detalle. Por tonto se requiere mantener la densidad de flujo constante, por lo que se debe hacer variar el voltaje directamente con la frecuencia, mientras que el par permanecerá constante.
El problema será determinar la fuente de frecuencia ajustable más efectiva y eficiente.
3.5 TARIFA DOMESTICA 1A TEMPERATURA MEDIA DE 25°C, DE ALTO CONSUMO (DCA) MAS DE 300KWH.
En el país se tienen distintas tarifas pero para cuestiones de esta tesis se utilizara la siguiente
Tabla 2. Tarifa domestica 1A más de 300KWH a 25°C.
3.6 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Se realizará un estudio en el comportamiento del aire acondicionado principalmente en el moto-compresor el cual para este caso será monofásico debido a que es el único equipo con el que se cuenta midiendo su corriente de arranque para saber si es factible el acoplamiento de un variador de frecuencia,
tratando de reducir el consumo eléctrico variando la frecuencia del sistema y evitando que la corriente de arranque sea de su valor máximo.
Para esto se tomara en cuenta el factor temperatura debido a que los equipos de aire acondicionado cuentan con un ciclo de operación durante un determinado tiempo, buscando la forma de reducir el consumo eléctrico y por ende el costo de facturación. A su vez se tomara la tarifa domestica 1A doméstica de 300 kWh para realizar las mediciones.
Se analizaran los resultados de mediciones correspondientes del equipo de aire acondicionado sin el variador de frecuencia, estos resultados serán comparados con el mismo equipo pero ahora con el convertidor de frecuencia DL2646 y Unidad de control PWM DL2648.
CAPÍTULO 4
CAPÍTULO 4
4.1 INTRODUCCIÓN
En este capitulo se dará a conocer las pruebas realizadas y los resultados obtenidos en laboratorio, para saber si se puede satisfacer el objetivo principal. Para esta prueba se utilizaran los siguientes equipos.
Unidad de aire acondicionado tipo ventana. Instrumento de medición Power Quality Analizer. Tarifa domestica más de 300 kWh a 25°C
4.2 PRUEBAS PARA LA UNIDAD DE AIRE ACONDICIONADO
TIPO VENTANA SIN MÓDULOS.
Se realizaron tres pruebas a la unidad de aire acondicionado las cuales se describen a continuación.
Prueba 1.
a) Se desarmó el equipo de aire acondicionado tipo ventana para visualizar el estado físico de cada uno de los componentes y su forma de operación.
b) La realización de las pruebas al equipo aire acondicionado unidad tipo ventana, fue con una tensión de 124.6 V en el laboratorio de electrónica de potencia utilizando el Power Quality Analizer , el cual se configuro a una escala pertinente.
Fig.18. Power Quality Analizer.
MEDICIONES CON EL POWER QUALITY ANALIZER.
c) En esta prueba se manejó una escala de: 1 seg. – 50 Amp.
Resultados obtenidos
Tabla. 3 Resultados obtenidos de la prueba 1.
IArranque
[A] INominal [A] Voltaje [V] F [Hz] [kW] P Q [kVAr] S [kVA] T [s] Escala (I) [A]
F.P Tiempo de
estabilización de IArranque 80 11.76 126.8 60 1.31 0.69 1.48 1 50 0.89 0.88 seg.
Graficas obtenidas con el Power Quality Analizer
Fig. 19. Formas de onda de la potencia y la corriente.
Esta gráfica muestra las diferentes potencias en kW, kVA, kVAr además de la frecuencia del sistema y el factor de potencia.
Fig. 21. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana.
En esta gráfica se observa la corriente máxima de arranque del moto-compresor la cual se estabiliza conforme pasa el tiempo para llegar a su corriente nominal. Prueba 2.
Escala utilizada para la segunda prueba: 5 seg. 50 A
Resultados obtenidos
Tabla 4. Resultados obtenidos de la prueba dos.
IArranque
[A] INominal [A] Voltaje [V] F [Hz] [kW] P Q [kVAr] S [kVA] T [s] Escala (I) [A]
F.P Tiempo de
estabilización de la IArranque 76 11.45 126.1 60 1.3 0.66 1.45 5 50 0.89 0.89 seg
Graficas con el Power Quality Analizer
Fig. 22. Formas de onda de la potencia y la corriente.
En esta grafica se logra ver las diferentes potencias en kW, kVA, kVAr además de la frecuencia del sistema y el factor de potencia.
Fig. 24. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana.
En esta grafica se logra ver la corriente máxima de arranque del compresor la cual se estabiliza conforme pasa el tiempo para llegar a su corriente nominal.
Prueba 3.
Escala utilizada para la tercera prueba: 10 seg. 50 A
Resultados obtenidos
Tabla 5. Resultados obtenidos de la prueba tres.
IArranque
[A] INominal [A] Voltaje [V] F [Hz] [kW] P Q [kVAr] S [kVA] T [s] Escala (I) [A]
F.P Tiempo de
estabilización de la IArranque 76 11.43 126.2 60 1.29 0.69 1.46 10 50 0.88 1 seg.
Graficas con el Power Quality Analizer
Fig. 25. Formas de onda de la potencia y la corriente.
En esta grafica se logra ver las diferentes potencias en kW, kVA, kVAr además de la frecuencia del sistema y el factor de potencia
Fig. 27. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana.
En esta grafica se logra ver la corriente máxima de arranque del compresor la cual se estabiliza conforme pasa el tiempo para llegar a su corriente nominal.
Ahora se dispondrá a realizar la media aritmética de los resultados obtenidos. IArranque
[A] INominal [A] Voltaje [V] [Hz] F [kW] P [kVAr] Q [kVA] S [s] T Escala (I) [A]
F.P Tiempo de
estabilización de la IArranque 77.3 11.54 126.2 60 1.3 0.68 1.46 n/a 50 0.88 0.92 seg.
Tabla 6. Media de los resultados Obtenidos.
Con estos resultados se procederá a realizar los cálculos de la potencia que demanda el aire acondicionado en el ciclo completo durante una hora, desde el arranque hasta la estabilización de su corriente nominal.
Considerando el tiempo de 1 hora se realizan mediciones para saber cual es el ciclo de operación del aire acondicionado.
Fig.28. Régimen de operación de un aire acondicionado.
En la tabla 7, se muestran los siguientes valores de arranque y paro del aire acondicionado en el periodo de 1 hora. Clima templado de la ciudad de México. Las mediciones se hicieron en un área de 12m3 a 24°C, para una temperatura de confort de 22 °C con un diferencial de 1°C en el Set-point. El experimento fue realizado a las 14:00 pm del día 14 de mayo del 2012.
Tabla. 7 Régimen de operación del motor.
Arranque Paro Tiempo
de trabajo [ min] Tiempo de paro [min] Temperatura Inicial [°C] Temperatura final [°C] 14:00 pm 14:08 pm 8 4 24 21 14:12 pm 14.18 pm 6 5 23 21 14:23 pm 14:29 pm 6 5 23 21 14:34 pm 14:40 pm 6 5 23 21 14:45 pm 14:51 pm 6 5 23 21 14:56 pm 15:00 pm 4 --- 23 21
Y de acuerdo a la figura 29, temperaturas tomadas en el mes de septiembre, se observa que el aire acondicionado entra solo en la demanda intermedia por eso no tomaremos en cuenta la demanda base ni la demanda punta.
Fig. 29. Temperaturas del Estado de México. Mes Septiembre.
En la grafica 29 se demuestra que el horario de funcionamiento del aire acondicionado será aproximadamente a partir de las 11:30 a.m. a las 19:00 p.m. operando continuamente 7 horas 30 minutos.
NOTA: Solo se toman en cuenta temperaturas ambientales más no la temperatura de la carga que se desea abatir.
Ahora procederemos a hacer los cálculos pertinentes utilizando la tarifa doméstica 1A con un factor de utilización de 80% y con los valores antes mencionados se calculan los siguientes parámetros y de acuerdo al tiempo de operación del aire acondicionado tipo ventana.
Tabla 8. Consumo total del aire acondicionado.
Tabla 9. Consumo del arranque del compresor.
De aquí solo se tomara en cuenta las temperaturas del clima sub-húmedo principalmente del Estado de México y Distrito Federal, donde se realizaron los experimentos correspondientes, sin embargo esta propuesta será factible para las ciudades del norte donde su consumo por climatización artificial es muy elevado ya que este tiene un mayor rango de operación.
4.3 PRUEBAS AL EQUIPO DE AIRE ACONDICIONADO CON LOS
MÓDULOS
Debido a que las primeras pruebas con los módulos DL2646 y DL2648 no fueron satisfactorias ya que presentaba ruidos no deseables, además de que se accionaban sus protecciones en cuanto lo conectábamos debido a que estos módulos son monofásicos de 220 V, por lo que se retiraron las pruebas, por que podríamos dañar el equipo, Después se conectan otros módulos acondicionando a la tensión de 120 V, para el arranque suave del aire acondicionado tipo ventana.
Fig.30. Conexión nueva de módulos.
Se regula el ancho de pulso para accionar los IGBT.
Se comienza a desarmar el control del equipo de aire acondicionado para el acoplamiento del variador de frecuencia. Figura 32 y figura 33.
Fig. 32. Control del aire Acondicionado
Fig. 33. Conexión al aire acondicionado tipo ventana.
Se obtiene la señal de tensión después de los IGBT’S, comprobando que si funciona el nuevo diseño.
Fig. 34 Tensión de salida de los IGBT´S.
NOTA: Cuando se colocan los filtros la onda de salida de tensión en corriente alterna se podrá apreciar más pura.
Al encender se presentaba resonancia en los equipos y las protecciones se disparaban al llegar a 70 V en la salida de los IGBT´s. El equipo utilizado es propiedad del laboratorio de la escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica unidad zacatenco del instituto politécnico nacional, por lo que decidimos no arriesgar el equipo ya que además es muy costoso, por ende, no se continuo con las pruebas, por lo que el cálculo del ahorro de energía solo se visualiza con los parámetros obtenidos en la prueba sin módulos.
CAPÍTULO 5
5.1 ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO
El análisis costo-beneficio es una herramienta financiera que mide la relación entre los costos y beneficios asociados a un proyecto de inversión con el fin de evaluar su rentabilidad, entendiéndose por proyecto de inversión no solo como la creación de un nuevo negocio, sino también, como inversiones que se pueden hacer en un negocio en marcha tales como el desarrollo de nuevo producto o la adquisición de nueva maquinaria.
Mientras que la relación costo-beneficio , también conocida como índice neto de rentabilidad, es un cociente que se obtiene al dividir el Valor Actual de los Ingresos totales netos o beneficios netos (VAI) entre el Valor Actual de los Costos de inversión o costos totales (VAC) de un proyecto.
(Ecuación 1) Según el análisis costo-beneficio, un proyecto o negocio será rentable cuando la relación costo-beneficio es mayor que la unidad.
5.1.1 Implementación en el proyecto.
Este proyecto lleva el nombre de ahorro de energía en equipos de aire acondicionado por lo que éste análisis costo-beneficio solo se aplicara en el consumo de energía del compresor específicamente con la corriente de arranque del compresor tipo ventana del aire acondicionado utilizado en este proyecto, al final de este análisis se observara si es rentable la aplicación de equipos electrónicos para disminuir la corriente de arranque y conocer que tantos beneficios o costos incluye este proyecto.
Este análisis solo incluye los costos y beneficios de la disminución de la corriente de arranque con dispositivos electrónicos con su consumo y facturación de energía, por lo que se deja fuera de este análisis los siguientes costos y/o beneficios:
a) Mantenimiento preventivo y/o correctivo al equipo.
b) Mano de obra para la instalación del dispositivo electrónico. c) Calibre de conductores.
d) Protecciones. e) Canalizaciones.
La tabla 10, muestra el consumo de energía que tiene el compresor con la corriente de arranque.
Tabla 10. Consumo de energía del compresor.
Corriente (A) Potencia (kW) Tiempo (s) Energía consumida en kWh/día 77.3 9.7552 0.0115 0.1121848
Dado que se utiliza un factor de utilización para la facturación de energía en pesos el consumo de energía queda de la siguiente manera:
Tabla 11. Consumo de energía en kWh/día.
Factor de utilización Energía consumida en kWh/día
0.8 0.08974784
La compañía suministradora de energía toma lecturas cada dos meses por lo que su consumo en dos meses es el siguiente:
Tabla 12. Consumo de energía en kWh/mes.
No. de Meses Energía consumida en kWh/Mes
2 5.3848704
Para conocer si un proyecto es rentable se hace una proyección en cinco años tomando en cuenta los siguientes datos:
a) El valor de la tarifa por kWh no cambia. b) El valor de la moneda nacional no se devalúa.
La siguiente tabla muestra el consumo de energía en un año y en cinco años.
Tabla 13. Consumo de energía en kWh/cinco años.
Energía consumida en kWh/Año Energía consumida en
kWh/Cinco Años
32.3092224 161.54112
Para la facturación de la energía se consulto el precio de la tarifas y condiciones que proporciona la compañía suministradora de energía eléctrica, conforme a el consumo del aparato de aire acondicionado entra en la tarifa 1A domestica.
La tabla 14 muestra los datos de esta tarifa.
Tabla 14. Tarifa 1A.
Tarifa Precio en pesos Mexicanos
Tarifa 1A Domestica $ 0.971
Multiplicando la tarifa por el consumo en un año y cinco años el valor en pesos en la siguiente tabla:
Tabla 15. Total a pagar de 1 y 5 años en moneda nacional.
Total a pagar en 1 Año Total a pagar en 5 Años
$ 31.37225495 $ 156.8612748
El valor de cinco años es el ahorro en pesos que tendríamos con la disminución de la corriente de arranque.
Los dispositivos electrónicos en el mercado tienen el siguiente costo:
Tabla 16. Precio de acuerdo a fabricantes.
Fabricante Precio
Siemens $1000
Aplicando la fórmula del costo-beneficio nos arroja lo siguiente:
(Ecuación 1) Sustituyendo en la ecuación 1.
El resultado obtenido de la operación anterior es = 0.15
Como el valor es menor a la unidad se demuestra que este proyecto no es rentable con el solo hecho de disminuir la corriente de arranque del compresor.
5.2 TABLAS COMPARATIVAS
La procuraduría federal del consumidor (PROFECO) tiene estudiadas y analizadas diferentes marcas de aires acondicionados siendo las más representativas las siguientes marcas:
a) LG
b) Samsung c) York d) Carrier
Las siguientes tablas muestran la comparación de estas marcas en las siguientes especificaciones:
a) Tensión de alimentación.
Tabla 17. Tensión de alimentación.
Marca Tensión ( V )
LG 220
Samsung 220
York 127
b) Corriente nominal.
Tabla 18. Corriente nominal.
Marca Corriente Nominal (A)
LG 5.5 Samsung 5.5 York 7.0 Carrier 11,1 c) Potencia. Tabla 19. Potencia. Marca Potencia (W) LG 1220 Samsung 3000 York 1500 Carrier 1229 d) Frecuencia Tabla 20. Frecuencia. Marca Frecuencia (Hz) LG 60 Samsung 60 York 60 Carrier 60 e) Modelo Tabla 21. Modelo. Marca Modelo LG W122CM Samsung AW12PKBGXAX
York YCUSC24 Carrier MCB121RB-C f) Precio Tabla 22. Precio. Marca Precio ($) M.N. LG $ 2000 Samsung $ 2500 York $ 2300 Carrier $ 2900
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y
TRABAJOS A FUTURO
6.1 CONCLUSIONES
En esta tesis se trabajó con el ahorro de energía en equipos de aire acondicionado utilizando un variador de frecuencia para el arranque suave del compresor del aire acondicionado. Con referencia a los resultados obtenidos en el desarrollo del proyecto se concluye lo siguiente:
a) En los primeros cálculos obtenidos en el aire acondicionado sin módulos, obtuvimos una potencia de arranque muy grande en el orden de los 10kW, sin embargo como el tiempo de estabilización es muy corto se utilizó el