CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL Y MODELIZACIÓN DE UNA ENFRIADORA DE ABSORCIÓN DE SIMPLEDOBLE EFECTO DE H

(1)

DE UNA ENFRIADORA DE ABSORCIÓN DE SIMPLE/DOBLE EFECTO DE H/ ₂₂O/LiBr/ CON ACCIONAMIENTO A DOS TEMPERATURAS

PARA CLIMATIZACIÓN DE EDIFICIOS

GUSTAVO RAUL FIGUEREDO

Prof. Dr. Alberto Coronas Salcedo Dr. Joan Carles Bruno Argilaguet

(2)

1.

Introducción y objetivos

1.

Introducción y objetivos

2.

Modelización teórica

3

Análisis energético de una instalación de climatización

3.

Análisis energético de una instalación de climatización

4.

Instalación experimental

5

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

5.

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

6.

Conclusiones

(3)

Ciclo de una enfriadora de

d bl f t (DE)

doble efecto (DE)

y H₂O-LiBr

y Circuito de solución en serie

14 13

17

C2 G2

P Alta

QG2

0.700Bar

14 15 13 16 18 19 HE2 QC1 QC2G1 3 ₄ 7 8 C1 G1 Media QC1 0.060Bar 1 2 ₅ 6 9 HE1

P1 1.2

(4)

d bl lift (DL)

double lift (DL)

y H₂O-LiBr

14 13

17

C2 G2

P Alta

QG2

QC2

0.700Bar

14 15 13 16 18 19 HE1 QC1 G2 3 . 1 2 1

2 + ≅

(5)

Ciclo de una bomba de calor de DE/DL

y H₂O-LiBr

14 13

17

C2 G2

P Alta

QG2

QC2

0.700Bar

14 15 13 16 18 19 HE2 QC1 QC2GA1 +Q Q 3 ₄ 7 8 16 CE1 GA1 Medi QC1 QGA1

0.060Bar 1.3

(6)

l d DE/DL

calor de DE/DL

y Entre 1985 y 1995 el Dr Alefeld desarrolló una bomba de y Entre 1985 y 1995 el Dr.Alefeld desarrolló una bomba de

calor DE/DL.

y Se construyó un prototipo y se lo utilizó para calefacción y

deshumidificación en un museo entre 1993 y 2001.

y El prototipo puede funcionar como El prototipo puede funcionar como

enfriadora accionada a dos temperaturas diferentes.

(7)

Enfriadora de simple/doble efecto (SE/DE)

Alta _C2 17 _G2

P G2 C2 HEX2 14 13

18 QG2

2 . 1

0 /DE = E ≅ R Q Q COP Media 15 16 7 19 QC1 2 G Q 0 0 E Q CO Media G1 C1 HEX1 3 4 7

8 QG1

7 . 0 1 0 / = ≅ G E SE R Q Q COP Q Fracción solar 1 2 5 9 QE0

y _H _O-LiBr

(8)

climatización convencional

30ºC

E í 0 29 kJ Enfriadora de

Electricidad

1.29 kJ

Energía

primaria 0.71 kJ

(9)

Fracción solar mínima necesaria para reducir el PER mediante la climatización solar con una enfriadora de simple efecto

30ºC 1.65 kJ 79 0 kJ Fracción solar Captador solar

0.79 kJ 2.43 kJ ₍₀_.₇₉ ₀_.₆₄₎ 0.55

79 . 0 _≅ + = kJ kJ f 48 . 0 ≅ col η 0.64 kJ Caldera Enfriadora de absorción de simple

(10)

la climatización solar con enfriadora de SE/DE 30ºC Captador solar 0.33 kJ 1.97 kJ 0.69 kJ 34 . 0 33 . 0 _≅ = kJ

f ηcol ≅ 0.48

Fracción solar 90°C 0.64 kJ Caldera Máquina absorción de Simple/Doble efecto solar 71 . 0 0 1 71 . 0 _≅ = kJ kJ PEr 34 . 0 ) 64 . 0 33 . 0

( + kJ ≅

f _90°C ηcol

(11)

Comparación de las diferentes

ó

alternativas de climatización

PER COP Calor _solar _captadorRend. Energía solar _incidente Fracción _solar _{a disipar}Energía

- kJ kJ kJ

1 5 2 2.5

nergía [kJ] kJ kJ kJ

CMV

0.71

3.50 - - - - 1.29

SE 0.70 0.79 0.48 1.65 0.55 2.43

DE 1.20 0.19 0.39 0.49 0.23 1.83

SE-DE 1.03 0.33 0.48 0.69 0.34 1.97

0.5 1 1.5

racción solar/E

n

0

CMV SE DE SE-DE

Fr

Fracción solar

(12)

Objetivos

Estudiar teórica/experimentalmente el comportamiento de un prototipo de enfriadora de absorción de SE/DE de LiBr/H O con accionamiento a dos temperaturas en virtud

de absorción de SE/DE de LiBr/H₂O con accionamiento a dos temperaturas, en virtud

del interés que despierta como medio para reducir el consumo de energía primaria.

y Desarrollo de modelos para estudiar la influencia de las temperaturas y la fracción

l l COP l d b ó d l f d b d l

solar en el COP y la distribución de las superficies de intercambio de calor.

y Modelización teorica detallada del prototipo.

y Cálculo del consumo de una instalación de climatización basada en el prototipoCálculo del consumo de una instalación de climatización basada en el prototipo.

y Diseño, montaje y puesta a punto de la instalación para el ensayo del prototipo.

y Desarrollo de una metodología para el tratamiento de datos experimentales basada

en reconciliación de datos y detección de errores.

y Cálculo de las prestaciones del prototipo.

(13)

2.

Modelización teórica

3

Análisis energético de una instalación de climatización

3.

Análisis energético de una instalación de climatización

4.

Instalación experimental

5

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

5.

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

(14)

Modelos teóricos:

Complejidad

Reversible

• Función de temperaturas

Endoreversible

• Función de

t t U A

Termodinámico

• Función de

t t U A

Térmico

• Función de

t t U A

temperaturas • Limita el COP a

máximos ideales

temperaturas y U.A.

• Predice potencia máxima

• Permite analizar distribución de áreas

temperaturas y U.A.

• Considera

irreversibilidades internas.

• Predice:

temperaturas, U.A.

y propiedades de fluidos.

• Predice:

• parámetros de • COP máximos

para potencias finitas.

• Permite analizar distribución de

p estado. • Flujos de

materia, energía . • comportamiento

de la máquina distribución de

áreas de la máquina.

(15)

Modelo térmico: hipótesis

P

y Estado estacionario

y _{Se desprecian las pérdidas de presión.}

Alta _C2 _G2

HEX2

14 13

17

18 QG2

p p p

y Se desprecian las pérdidas de calor. y _{Estados 4-14: La solución está saturada.} y Estados 8 y 18: líquido saturado.

y _{E t d 10} _t _d

Media G1 C1 3 15 16 7 19 QC1 QG1

y _{Estado 10: vapor saturado seco} y _{T7 es igual a la temperatura de}

saturación de la solución en la salida (4).

y T17 es igual a la temperatura de

saturación de la solución en la entrada HEX1 1 2 5 4 9 8 QE0

(16)

Proceso

Ecuaciones:

E ilib i é i á i

y Equilibrio térmico y mecánico. y Balances de energía y materia. y Correlaciones termodinámicas y Correlaciones termodinámicas.

y Trasmisión de calor con UA de diseño

• _{Propiedades termodinámicas.}

• _{Flujos de energía y materia}

16

(17)

(18)

COP en función de

f

COP en función de

f

1.5 350

1.1 1.3

250 300

W

0.7 0.9

150 200

CO

P

d

e Cal

o

r k

W

0.3 0.5

50 100

Flujo

d

0.1 0

0.0 0.2 0.3 0.5 0.6 0.8 0.9

Fracción Solar

Q Solar Q Caldera Q Total COP

18

(19)

COP vs potencia del evaporador

1.4 105

1.0 1.2

CO

P

95 100

T29

[°C

]

0.6 0.8

80 100 120 140 160 180 200 220

QE0 [KW]

85 90

80 100 120 140 160 180 200 220

QE0 [kW] QE0 [KW]

F=0.2 F=0.5 F=0.8

QE0 [kW]

F=0.2 F=0.5 F=0.8

(20)

COP vs temperatura de disipación

1.25 1.30

Entrada al generador G2 del agua de la caldera var. 6 kg/s Entrada desde la torre al absorbedor A0 var 12 kg/s

1.10 1.15 1.20

CO

P

Entrada desde la torre al absorbedor A0 var. 12 kg/s Entrada de agua fría al evaporador E0 12ºC 22 kg/s Entrada al generador de media presión desde

colector.

var. 12 kg/s

Caudal de solución a la salida del absorbedor 1 kg/s

1.00 1.05

20 22 24 26 28 30 32 34 36

T23[°C]

COP(100 kW) COP(200kW)

Fracción solar: 0.5

COP(100 kW) COP(200kW)

100 120 140 160 180 60 80 T29 [° C] 80 100 120 140 T21 [° C ] 20 40

20 22 24 26 28 30 32 34 36

60

(21)

2.

Modelización teórica

3

Análisis energético de una instalación de

3.

Análisis energético de una instalación de

climatización

4..

Instalación experimental

p

5.

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

6.

Conclusiones

(22)

Radiación s/sup. horizontal

Posición planta

solar Hora solarHora solar

Geometría Solar

Captadores de tubos de vacío VITOSOL 300 H30

Superficie total 192 m2 Azimut 30º

Solar

Temperatura Humedad Humedad

Radiación Superficie de

Inclinación 30º.

ambiente RelativaRelativa

s/colector colección

Modelo de la torre Modelo del

colector 1

22

Calor a 90ºC Temperatura

(23)

Proceso de cálculo

Calor a 90ºC Temperatura de

disipación Carga térmica

horaria

Proceso de cálculo

Máquina de absorción absorción

Calor a 170ºC Calor de T. de retorno a

disipación planta solar

Caldera 1

(24)

Fl j d

í

Flujos de energía

30

20 25

15 20

MWh

5 10

0

mayo junio julio agosto septiembre octubre diciembre enero febrero marzo

C T i Q l G / l G / l

24

(25)

2.

Modelización teórica

3

Análisis energético de una instalación de climatización

3.

Análisis energético de una instalación de climatización

4.

Instalación experimental

5

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

5.

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

(26)

Descripción del prototipo

Unidad E0 A0 CE1 GA1 C2 G2 HEX1/

HEX2

26

HEX2

Superficie m2 _40.8 _75.5 _17.2 _20.1 _15.3 ₃₅ _27.6

(27)

(28)

3

Análisis energético de una instalación de climatización

3.

Análisis energético de una instalación de climatización

4.

Instalación experimental

5

Ensayos y tratamiento de resultados

5.

Ensayos y tratamiento de resultados

experimentales

6.

Conclusiones

6.

Conclusiones

(29)

Ensayos en Doble Efecto

160 180

TG2e

100 120 140 160

TG2s

Estado

Temp [°C] Caudal [kg/s] Min Max Min Max 21 149 158 8 5 13 1

60 80 100

T[ºC]

TA0s

21 149 158 8.5 13.1 23 23.2 33.5 5.8 17.9 27 6.4 16.8 3.1 14.5

68 Periodos estacionarios

0 20 40

TE0s TE0e TA0e

TCE1s

12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00

Hora

(30)

Ensayos en SE/DE

180

TG2e

120

150 TG2s

Estado

Temp [°C] Caudal [kg/s] Min Max Min Max

60 90

T[ºC] TG1s

TG1e

sta o a a

21 154 162 8.5 13 23 30.3 17.1

27 12.4 14.3 29 87 92 9.5

30 60

TE0s

TE0e TA0e TCE1s

0

15 18 21 00 03 06 09 12

Hora

TE0s

Evolución de un ensayo

(31)

Tratamiento de resultados

i

t l

experimentales

Errores Variables Variables

Variables Restricciones

[26]

Residuos

ajustadas [26] calculadas [6]

medidas [26] normalizados [26] [12]

M. Lagrange

V. ajustadas V. Calculadas

(32)

Reconciliación de datos

Residuos normalizados:

26 ₍ ₎2

∑

= − = 26 1 2 2 ) ( ) ( i i i i i y u u σ

φ i =26

Restricciones:

3 Presiones 5 Caudales

10 Temperaturas externas 7 Temperaturas internas

0 ) ,

( _i _k =

j u z

ψ j =12 k =6

Restricciones: _{1 Densidad}

( , ) ( , )

) ,

( ₁₃ ₁₄

1 ui zk = msd ⋅hLiBr T Xd −msm ⋅hLiBr T Xm −

ψ

Ejemplo, restricciones para el G2:

( ₁₄, )+ ₂₁⋅ ( ₂₁ − ₂₂)−10 =0

⋅

−mr_a h_s T p_a m cp_w T T kW

0 )

, (

2 ui zk =msd⋅Xd −msm⋅Xm =

ψ 32 0 ) , (

3 ui zk =msd −msm−mra =

(33)

Reconciliación de datos

Método de Lagrange

0 ) , ( ) ( _ =      + ∂ ∂

_∑

j k i j j i i z u u

u φ λψ

0 ) , ( ) ( _ =      + ∂ ∂

∑

j k i j j i k z u u

z φ λψ

0 ) , ( ) , ( ) ( _ = =      + ∂ ∂

∑

j i k

j k i j j i j z u z u

u λψ ψ

φ

λj _ j _

(34)

(35)

C fi i t d t

f

i d

l

Coeficientes de transferencia de calor

Equipo Área U(d) U ∆TL Q U/U(d)

m2 _kW/m2_C _kW/m2_C _C _kW _%

m kW/m C kW/m C C kW %

A0 75.5 0.5 0.25 8.1 156 51%

C2 15.3 3.86 4.78 1.0 73 124%

CE1 15.3 3.86 2.34 1.9 68 61%

E0 40 8 1 5 0 24 12 9 125 16%

4 5

E0 40.8 1.5 0.24 12.9 125 16%

G2 35 0.78 0.10 30.8 109 13%

GA1 20.1 0.78 0.42 8.7 73 54%

HEX1 27.6 0.5 0.09 11.9 29 18%

3 4

W

/m

2 C] U(d)

U

HEX2 27.6 0.5 0.11 16.8 52 22%

1 2

U [

(36)

COP Temperatura enfriamiento

COP-Temperatura enfriamiento

1,2

y = 0,02x + 0,72 R2 = 0,87 1

0,6 0,8

COP

0,4

0 0,2

m[21]=5,4kg/s T[21]=150ºC m[23]=17,7kg/s T[23]=30ºC m[27]=14,3kg/s

36

0

6 8 10 12 14

(37)

COP Potencia de enfriamiento

COP-Potencia de enfriamiento

1,2

0 8 1

0,6 0,8

CO

P

0,4

0,2

(38)

(39)

COP fracción de accionamiento

COP-fracción de accionamiento

1,2

1

y = -0,49x + 1,10 R2 = 0,92 0,6

0,8

C

OP

0,4

C

(40)

3

Análisis energético de una instalación de climatización

3.

Análisis energético de una instalación de climatización

4.

Instalación experimental

5

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

5.

Ensayos y tratamiento de resultados experimentales

6.

Conclusiones

(41)

Modelos teóricos

y El modelo endorreversible desarrollado permite estudiar la influencia de las

d l f d l l COP d l f

temperaturas de las fuentes de calor en el COP de un ciclo y efectuar una estimación de la distribución de las superficie total de intercambio de calor entre los componentes principales de una enfriadora.

y Se desarrolló un modelo termodinámico que predice valores de potencia de

enfriamiento y COP máximos para condiciones cercanas a las nominales. Permitiendo estudiar además la influencia de las temperaturas en el COP y la Permitiendo estudiar además la influencia de las temperaturas en el COP y la distribución de aéreas de intercambio de calor durante una etapa de diseño de una enfriadora.

y El modelo térmico desarrollado permite determinar los flujos de materia, energía

(42)

Ensayos experimentales

• Se desarrolló una metodología para el procesamiento de los resultados experimentales utilizando la reconciliación de datos y la resultados experimentales utilizando la reconciliación de datos y la detección de errores sistemáticos.

• Se produjo una potencia máxima de enfriamiento de 150 kW produciendo agua fría a 9ºC y disipando calor a 25ºC, alcanzando

p g y p ,

un COP de aproximadamente 1.0.

• Se obtuvo un COP máximo de 1.11 para una potencia de 140 kW a 9ºC disipando calor a 26ºC y siendo accionada a 160ºC.p y

• Se demostró experimentalmente que la enfriadora opera en modo SE/DE lográndose una potencia de 120 kW a 10ºC con un COP de 0.83 para una fracción solar de 0.26 accionando con 104 kW ap 160ºC y 37 KW a 91ºC.

• Se obtuvieron datos experimentales de la operación de la enfriadora en modo SE/DE.

(43)

REVISTAS CIENTIFICAS

y _{Climatización basada en una enfriadora por absorción de doble etapa con}

accionamiento solar-gas: análisis energético. Figueredo, G.R.; Spotorno, R.; Pochettino, J.J.; Benítez, F. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente. 2010, 14, 385-392

392.

y Evaluación de la incertidumbre en la determinación experimental de la eficiencia

de una enfriadora de agua por absorción de doble etapa. Figueredo, G.R.; Benítez, F.; Coronas, A.Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente 2009, 13, 361-368..; Co o as, . a ces e e g as e o a es y e o e te 00 , 3, 36 368.

y Thermodynamic Modeling of a two-stage absorption chiller driven at two

temperature levels. Figueredo, G.R.; Bourouis, M.; Coronas, A. Applied Thermal Engineering 2008, 28(2-3) 211–217.

y Modelización y Caracterización de una enfriadora por absorción accionada

(44)

y _{Application of the data reconciliation methodology in a double-stage absorption chiller driven at two input}

temperatures Figueredo G R ; Martínez-Maradiaga D E ; Bruno J C ; Coronas A Heat Powered Cycles Conference

temperatures. Figueredo, G.R.; Martínez-Maradiaga, D.E.; Bruno, J.C.; Coronas, A. Heat Powered Cycles Conference 2012, ECNThe Netherlands, 10-12 September 2012.

y _{Hybrid Solar/gas single/double effect absorption chiller: Operational results using data reconciliation.}

Bruno, J.C.; Romera, S.; Figueredo, G.R.; Coronas, A.;; 2on _{International Solar Air Conditioning Conference, Tarragona}

(Spain), November 2007. ( p ),

y _{Modelo termodinámico de una maquina de absorción de doble etapa con accionamiento a dos niveles de}

temperaturas.Figueredo, G.R.; Bourouis, M.; Coronas, A.;; Congreso Español de ciencias y técnicas del frío. CYTEF-2005; I Congreso Iberoamericano de ciencias y técnicas del frío. Barcelona, 21-23 de julio de 2005.

y _{Análisis energético de una instalación de climatización solar con una maquina de absorción de doble etapa}_{Análisis energético de una instalación de climatización solar con una maquina de absorción de doble etapa}_._.

Figueredo, G.R.; Bruno, J.C.; Bourouis, M.; Coronas, A.; Best, R.; XXIX Semana Nacional de Energía Solar 3-7 de Octubre de 2005,Tuxtla Gutiérrez, Chiapas (México). SSDA13 – pp 303.

y _{Aplicación de un modelo endorreversible a una enfriadora de agua de absorción de doble etapa con}

accionamiento a dos niveles de temperatura.p Figueredo, G.R.; Bourouis, M.; Coronas, A.; Fellah, A.; Ben Brahim, A.;g IV Jornadas Nacionales de Ingeniería Termodinámica; Logroño (España) 2 y 3 de Junio de 2005.

y _{Climatización con una enfriadora de absorción de doble etapa con accionamiento combinado solar/gas.}

Figueredo, G.R.; Pérez de Viñaspre, M.; Ortiga, J.; Bruno, J.C.; Bourouis, M.; Coronas, A.; II Congreso Español de Ciencias y Técnicas del Frío CYTEF-2003,Vigo (España) 20 de septiembre de 2003.

44

y _{Bomba de calor/enfriadora de agua por absorción de H}₂_{O/LiBr de doble etapa accionada con energía solar.}

(45)

A l di

A l

id d

di

ó i

• A los directores.

• A las entidades que dieron apoyo económico

.

(46)

P

Q_C1

3 ₄

7

8

C1 G1

Alta

Q_C1

Q_G1 G1

0.060Bar

1

2 ₅

6 10

9

E0 A0

HE1 P1

Baja 0.010Bar

7 . 0

1 0 ≅

=

G E R

Q Q COP

46

E0 A0

T QE0

QA0

(47)

Simple

efecto COPT_act=90ºCR=0.7

Má i d

Má i d H2O/LiBr

Doble efecto COPR=1.2

T_act=160ºC

Máquinas de

absorción Triple efecto COPT_act=200ºCR=1.7

COP =1 3

NH₃/H₂O

Double Lift COPBC=1.3

(48)

solar con doble efecto

- solar con doble efecto

30ºC

0.49kJ ₍₀_.₄₉ ₀_.₆₄₎ 0.43

49 . 0 _≅ + = kJ kJ fsp Captador solar

0.19 kJ 1.83kJ ₀_.₂₃

) 64 . 0 19 . 0 ( 19 . 0 _≅ + = kJ kJ f 39 . 0 ≅ col η 0.64 kJ Caldera

(49)

(50)

Fuente de calor G1 – T1

C1 Q1 T1e Fuente de calor T2e G2 – T2

C2 – T3 Sumidero de calor T3e Q3c _Q2 Sumidero de calor T3e A – T3

E – T4 Espacio a enfriar T4e Q4 _Q3a T3e T4e 0 =

∑

Qi

0

=

∑

Q Q =U A (Ti Ti)

50 0 =

∑

i T 0 =

(51)

4

Variación del COP con la potencia de enfriamiento y la fracción solar

3

Q4max

4 3 2

1 A A A A

Ai i

+ + + =

θ

2

1/

CO

P

1

A_t=186.7 m2 _F=0.5

(52)

Ql

G1 T1

QlG1

T1e

C1

Q1

T2e

G2 T2

C2 T3

Q2

QlC2;G2

Q3c

E T4 A T3

T4e Q4

l QlA;E

QlG2

Qle QlA;E Q_3a

0 3 4 3 2 2 1

1 −QlG +Q −QlG −Q A +Qle +Q −QC =

Q 52 S C e E A E A a G C G C G G T Q T Q T Ql T Ql T Ql T Q T Ql T Ql T Ql T Q T Ql T Q ∆ = + − − − + + − + + − +

(53)

5

Variación del COP con potencia de enfriamiento y fracción solar

3 4

2 3

1/

CO

P

(54)

(55)

y Se obtuvo un COP de 1.20 para 200 kW de frío.

y El modelo predice un COP máximo para valores finitos de cargas de

refrigeración, próximos a la carga nominal.

y La distribución del área total de intercambio de calor, para igual

potencia y área total que el prototipo y operando en DE asigna a los generadores un 41% del area de los generadores del prototipo y al evaporador un 39% mas grande que el evaporador del

(56)

y Un 48% de la energía de accionamiento del sistema con

accionamiento combinado solar/gas se cubre con el aporte de la planta solar, obteniéndose un COP global medio de la máquina de

b ó l l d l d d 0 8 absorción a lo largo de la temporada de 0.8.

y En comparación con una instalación basada en una enfriadora de

d bl f t l i t l ió b d l f i d d i l /d bl doble efecto, la instalación basada en la enfriadora de simple/doble efecto que también opera en modo doble lift durante el invierno, reduce el consumo de gas anual a un 56%

reduce el consumo de gas anual a un 56%.

y La disminución de emisiones de CO2 implica un 34% de ahorro de

emisiones con relación al de la enfriadora operando en doble efecto.

56

(57)

y = 0,01x - 0,53 1,2

y

R2 = 0,96 1

0,6 0,8

CO

P

0,4

0,2

(58)

1,2

1

0,6 0,8

C

OP

y = -0,0032x + 1,0800 R2_{= 0,8026}

0,4

C

0 0,2

m[21]=5,9kg/s m[23]=17,1kg/s m[27]=14,5kg/s T[23]=30ºC T[27]=12,6ºC

58

0 20 40 60 80