Rediseño y pruebas de un sistema de refrigeración para ser operado por energía eólica

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(1)REDISEÑO Y PRUEBAS DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN PARA SER OPERADO POR ENERGÍA EÓLICA. DIEGO BERNARDO BARBOSA RODRÍGUEZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2009. 1.

(2) REDISEÑO Y PRUEBAS DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN PARA SER OPERADO POR ENERGÍA EÓLICA. POR: DIEGO BERNARDO BARBOSA RODRÍGUEZ. PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. ASESOR: RAFAEL BELTRÁN Ingeniero Mecánico, Msc.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2009. 2.

(3) Diciembre del 2009. Ingeniero RAFAEL BELTRÁN PULIDO Profesor Asesor Universidad de los Andes Cuidad. Apreciado Profesor:. Por medio de la presente me dirijo a usted con el fin de poner a su consideración la tesis titulada “REDISEÑO Y PRUEBAS DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN PARA SER OPERADO POR ENERGÍA EÓLICA”, con lo cual opto para el título de Ingeniero Mecánico.. Atentamente. Diego Bernardo Barbosa Rodríguez.. 3.

(4) AGRADECIMIENTOS. Aprovecho está oportunidad para dar mis más sinceros agradecimientos a mis padres Bernardo y Maritza, que durante todo este tiempo de vida universitaria me apoyaron, me entendieron y me brindaron la seguridad para afrontar cada día de la mejor forma. A mi Papá que con su conocimiento en Aire acondicionado contribuyó en nuevas ideas para mejor el diseño del sistema. Agradecer a la Universidad y a la facultad de Ingeniería por esforzarse para tener los mejores recursos para sus estudiantes y una tecnología de punta, líder en nuestro en torno universitario y social. Agradecer a mi asesor Rafael Beltrán que durante todo el pregrado me dirigió, ayudó y apoyó en el proceso de convertirme en Ingeniero Mecánico. Todo el cuerpo técnico del laboratorio de Ingeniería Mecánica, especialmente a Hugo Sierra. Igualmente al cuerpo técnico de BBS Net One Ltda., que estuvo disponible en momentos importantes.. 4.

(5) TABLA DE CONTENIDOS. Capítulo 1 : INTRODUCCIÓN………………………………………………………...10 Capítulo 2 : OBJETIVOS……………………………………………………………... 11 2.1. Objetivo General……………………………………………………………….11 2.2 Objetivos Específicos………………………………………………………… 11 Capítulo 3 : MOTIVACIÓN…………………………………………………………….12 Capítulo 4 : MARCO TEÓRICO………………………………………………………14 4.1 Generalidades………………………………………………………………….14 4.2 Principios de Refrigeración………………………………………………….. 16 4.2.1 Propiedades del aire……………………………………………............. 16 4.2.2 Circulación del aire………………………………………………………. 16 4.2.3 Pérdida de calor………………………………………………………….. 16 4.2.4 Energía de Calor…………………………………………………………..17 4.2.5 Calor Específico………………………………………………………….. 17 4.2.6 Calor Sensible……………………………………………………………. 18 4.2.7 Calor Latente……………………………………………………………... 18 4.2.7.1 Calor Latente de Fusión………………………………............ 18 4.2.7.2 Calor Latente de Evaporación………………………………... 19 4.2.8 Humedad Relativa……………………………………………………….. 19 4.3.9 Temperatura del punto de Rocío………………………………………. 19 4.3 Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor………………………….20 4.4 Banco de pruebas anteriores…………………………………………………22 Capítulo 5 : FUNCIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL BANCO DE PRUEBAS DISEÑADO……………………………………………………………………………… 23 5.1 Requerimientos del sistema………………………………………………. 23. 5.

(6) 5.2 Descripción del nuevo Diseño……………………………………………. 24 5.3 Equipos y componentes utilizados………………………………………. 26 5.3.1 Compresor Sanden SD5H14……………………………………26 5.3.2 Fuente reguladora de Voltaje…………………………………… 27 5.3.3 Motor Siemens…………………………………………………… 28 5.3.4 Multiplicador de velocidad………………………………………. 28 5.3.5 Tubo capilar………………………………………………………. 29 5.3.6 Condensador y filtro secado……………………………………. 29 5.3.7 Evaporador y nevera…………………………………………….. 30 5.4 Instrumentación…………………………………………………………….. 31 5.4.1 Termostato Digital…………………………………………………31 5.4.2 Variador de Frecuencia…………………………………………..31 5.4.3 Manómetros Análogos R-134ª…………………………………..32 5.4.4 Sistema Infrarrojo………………………………………………… 33 5.4.5 Sensor de Torque………………………………………………... 33 5.5 Carga de refrigerante y tuberías…………………………………………..34 Capítulo 6 :RESULTADOS……………………………………………………………36 6.1 Pruebas Experimentales………………………………………………….. 36 6.1.1 Perfil de viento a velocidad constante…………………………. 36 6.1.2 Diagrama de Mollier para R-134ª………………………………. 39 6.2 Perfil de viento velocidad variable……………………………………….. 44 6.3 Registro de Fotos banco de pruebas experimentales…………………. 46 Capítulo 7 : DISCUSIÓN……………………………………………………………… 48 7.1 Trabajo de campo………………………………………………………….. 49 Capítulo 8 : CONCLUSIONES………………………………………………………..51 Capítulo 9 : BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS……………………………………53. 6.

(7) LISTADOS DE FIGURAS Figura 1: Componentes y diagrama T-s del ciclo de compresión de Vapor [1]… 20 Figura 2: Banco de pruebas anterior………………………………………………… 23 Figura 3. Ubicación de los componentes en el laboratorio………………………...25 Figura 4. Compresor SANDEN con su respectivo Embrague electromagnético. 26 Figura 5. Eficiencia Volumétrica compresor Sandem SD5H14………………….. 27 Figura 6. Fuente reguladora de voltaje……………………………………………... 28 Figura 7. Motor Siemens…………………………………………………………….. 28 Figura 8. Multiplicador de velocidad………………………………………………… 29 Figura 9. Tubo capilar………………………………………………………………….29 Figura 10. Condensador y filtro de secado………………………………………….30 Figura 11. Nevera y Evaporador…………………………………………………….. 30 Figura 12. Termostato MT512Ri. Esquema de conexión…………………………. 31 Figura 13. Variador de frecuencia Altivar 71 [3]……………………………………. 31 Figura 14. Velocidad de giro del motor……………………………………………… 32 Figura 15. Manómetros de presión baja y alta………………………………………32 Figura 16. Sistema infrarrojo…………………………………………………………..33 Figura 17. Sensor de torque………………………………………………………….. 33 Figura 18. Gráfico torque de arranque contra tiempo a velocidad constante……36 Figura 19. Cambio de Temperatura en la nevera contra tiempo…………………. 37 Figura 20. Trabajo del compresor contra velocidad………………………………...37 Figura 21. Temperatura del evaporador contra velocidad del motor…………….. 38 Figura 22. Temperatura del condensador contra velocidad del motor…………... 38 Figura 23. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 16 m/s…...39 Figura 24. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 12,5 m/s…40 Figura 25. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 10 m/s…...41. 7.

(8) Figura 26. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 8,34 m/s... 42 Figura 27. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 5,46 m/s…43 Figura 28. Velocidad Vs. C.O.P……………………………………………….……... 44 Figura 29. Vientos en la Guajira……………………………………………………… 44 Figura 30. Velocidad Vs. Tiempo…………………………………………………….. 45 Figura 31. Temperatura Vs. Velocidad……………………………………………….45 Figura 32. Potencia Vs. Velocidad…………………………………………………… 46 Figura 33. Fuente reguladora de voltaje. Embrague electromagnético…………. 46 Figura 34. Nevera y manómetros análogos R-134ª………………………………...46 Figura 35. Variador de voltaje. Termostato digital…………………………………. 47 Figura 36. Condensador y filtro de secado…………………………………………. 47 Figura 37. Etapa de potencia………………………………………………………….47 Figura 38. Esquema sistema híbrido………………………………………………… 50 Figura 39. Aerogenerador 200 W……………………………………………………..52 Figura 40. Aspas de fibra de vidrio…………………………………………………... 52 Figura 41. Celda solar………………………………………………………………….52. 8.

(9) LISTADOS DE TABLAS Tabla1. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 16 m/s……… 39 Tabla 2. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 12,58 m/s…..40 Tabla 3. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 10 m/s……... 41 Tabla 4. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 8,34 m/s…….42 Tabla 5. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 5,46 m/s…… 43 Tabla 6. Especificaciones técnicas del aerogenerador…………………………….. 49. 9.

(10) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN La realización de este proyecto de grado reside en el. acondicionamiento y. desarrollo experimental de un Sistema de Refrigeración para ser Operado por Energía Eólica en el nuevo edificio de Ingeniería Mario Laserna, para uso estudiantil y de la facultad de Ingeniería. Se implementará un modelo a nivel de laboratorio con la disposición que los elementos tendrían en campo. Por esta razón es importante la instalación de este sistema perfectamente funcional y eficiente que permita a los estudiantes realizar ensayos de manera confiable para poder analizar cálculos teóricos que permitan desarrollar nuevas ideas para la implementación de estos sistemas de refrigeración en zonas no interconectadas a la red eléctrica. La gran mayoría de los sistemas de refrigeración empleados en el hogar, el comercio y la industria, corresponde al llamado sistema estándar el cual consta de compresor, condensador, válvula de expansión, y evaporador. Opcionalmente, puede haber un tanque de almacenamiento de refrigerante o recibidor. En la Universidad de los Andes se han propuesto diseños de sistemas de refrigeración para ser operado por Energía Eólica como el proyecto de grado de Manuel Caldas en el cual presenta unos estudios en la Península de la Guajira, estudiando la potencia proporcionada por el viento para ser convertida en Energía mecánica para adquirir movimiento al compresor de un sistema de refrigeración directamente. Adicionalmente Lina Huertas hizo un estudio para al parque Eólico de las Empresas públicas de Medellín, y Francisco Arango hizo una investigación sobre posibles soluciones a las rancherías del cabo de la Vela por medio de Energía renovables. Se pretende en primera instancia optimizar el banco de pruebas realizado por el estudiante Alberto Rodríguez, en el cuál se aprecia algunos inconvenientes a simple vista. El embrague al girar a cierta velocidad se desacopla del compresor. 10.

(11) haciendo que este falle parcial o total, lo que trae deficiencias para el sistema. Se necesita mejorar el aislamiento de las tuberías debido a que se generan perdidas de calor, disminuyendo la eficiencia. Es necesario implementar cambios. que. permitan vigilar el funcionamiento del sistema y, de esta forma analizar la eficiencia de los componentes, para tomar un análisis final que permita llegar a concluir con relativo éxito un sistema de climatización que consuma solo la energía necesaria y contribuya a un menor impacto ambiental, que proporcione confort térmico y grandes ahorros energéticos. CAPÍTULO 2. OBJETIVOS. 2.1 Objetivo General Implementar mejoras en los bancos de pruebas anteriores para operar el sistema de refrigeración eólico, con el ánimo de desarrollar ensayos que buscan mejorar la calidad y eficiencia, consiguiendo un sistema autónomo de bajo costo de mantenimiento para regiones donde no existe conexión eléctrica y donde se encuentra un alto régimen de viento.. 2.2 Objetivos Específicos - Instalar. nuevos. componentes. mecánicos. que. permitan. funcionamiento del sistema. - Calibración y optimización del banco de ensayo. - Configuración del sistema - Control, adquisición y procesamiento de datos. - Análisis del desempeño de los componentes del sistema.. 11. un. adecuado.

(12) CAPÍTULO 3. MOTIVACIÓN Energías renovables y medio ambiente: tanto en Europa. En América Latina crece el interés y la conciencia de utilizar cada vez más las Energías renovables como opción válida para preservar el medio ambiente. Alemania innova constantemente en este sector: las Energías eólica, fotovoltaica, Geotérmica y los biocombustibles generan más de 235.000 empleos en ese país. Es por esto que Colombia, puede ver las Energías renovables como una nueva opción para generar empleos, cuidar el medio ambiente y generar nuevas oportunidades de negocios. Según la serie de guías avanzadas para el Diseño de Energía (AEDG), los edificios existentes, consumen por encima del 72% de toda la generación de energía eléctrica y el 55% del consumo de gas natural [1]. La serie de Guías Avanzadas para el diseño de Energía (AEDG) recomiendan un uso de 26.700 Btu/. - año es decir aproximadamente, 221.490 Btu/. - año,. para el 2010 [1]. No tenemos en Colombia datos precisos de estos consumos proporcionales, pero de acuerdo a datos manejados por el ASHRAE, los almacenes de grandes superficies el 80% de la factura de energía eléctrica lo representa el aire acondicionado y la refrigeración. En plantas de dulcería en climas cálidos ese valor es del 60% y también en laboratorios farmacéuticos se puede hablar de cifras similares [2]. Para disminuir el consumo de energía y. minimizar la huella de carbono que. impacta el medio ambiente, el diseño sostenible se convierte en una herramienta de importancia para el mundo actual y futuro. Las características del diseño sostenible tienen la mejor eficiencia energética de los equipos que componen los diferentes sistemas involucrados en un proyecto de climatización, acompañado de una alta conciencia del medio ambiente, del cambio climático y que cumple con la calidad del aire en el interior del recinto. Todo esto. 12.

(13) de acuerdo con las normas que regulan cada aspecto del diseño, la operación y el mantenimiento de los sistemas [3]. La Energía sostenible es la producida y utilizada de forma que garantice el desarrollo. humano. en. todas. sus. dimensiones. sociales,. económicas. y. medioambientales. Las Energías renovables nos conducen a un mundo más justo, viable económicamente, más lógico desde el punto de vista del medioambiente. Incentiva la eficiencia energética, la tecnología y ayuda a los países en vías de desarrollo. Los recursos renovables están distribuidos más uniformemente que los recursos fósiles y nucleares, pero su potencial económico está afectado por muchos obstáculos. Las energías renovables tienen el potencial de proporcionar servicios energéticos con emisiones nulas o casi nulas. Actualmente aportan el 14% de la demanda total de energía en el mundo y debe fomentarse su utilización en gran medida. Entre ellas se destacan la biomasa, la Energía solar, eólica, geotérmica y la hidroelectricidad [4]. De acuerdo con ACAIRE, en el caso colombiano las fuentes alternativas con mayor empleo son: . Biomasa para producción de calor.. . Hidroenergía a pequeña escala.. . El bombeo mediante uso de Energía eólica.. . Solar para calentamiento y secado.. . Algunas aplicaciones de biogás.. Nuestro reto como colombianos y consumidores, es lograr entre el 30% o más de ahorro energético en nuestro sistema de climatización y refrigeración ya instalados. 13.

(14) y futuros. El uso racional de la Energía es posible, rentable e ingenierilmente ecológico.. CAPÍTULO 4. MARCO TEÓRICO. 4.1 Generalidades Energías renovables y medio ambiente: tanto en Europa. La refrigeración mecánica se ha utilizado por cerca de dos siglos, con la aparición del condensador inventado por James Watt en 1769. Watt realizó su invento al observar el paso cíclico del agua líquida a vapor y viceversa en sistemas cerrados que se calentaban o enfriaban [3]. Aún cuando los primeros antepasados del hombre, conocieron y observaron, los efectos del frío, hielo y nieve sobre sus cuerpos y sobre las cosas alrededor de ellos, tales como la carne que traían de sus cacerías, no es hasta la temprana historia China que encontramos alguna referencia al uso de estos fenómenos naturales de refrigeración, para mejorar la vida de la gente y luego únicamente para el enfriamiento de bebidas. Posteriormente otros usos se desarrollaron; los chinos fueron los primeros en recolectar y almacenar hielo del invierno empacándolo en paja o hierba seca, para utilizarlo en los meses de verano [5]. En la década de 1900 se desarrolló la refrigeración industrial mediante el uso del ciclo mecánico. Con el crecimiento de la industria eléctrica y del alambrado de las casas, los refrigeradores domésticos se popularizaron, sustituyendo los bloques de hielos. La refrigeración ha mejorado la económica de muchas maneras, desde conservar un producto, hasta colaborar en el desarrollo de regiones agrícolas a través de una mayor demanda en la producción y almacenamiento de lácteos. Desde la II guerra Mundial, ha existido un incremento en industrias petroquímica, plantas textiles, procesamiento de datos, son grandes usuarios de los procesos de. 14.

(15) refrigeración. Sin la refrigeración (y aire acondicionado), muchos de estos nuevos productos no podrían ser manufacturados y usados [5]. Durante los últimos cuarenta años se han desarrollado plenamente sistemas completos de acondicionamiento de aire para producir confort y para control de productos industriales. El término aire acondicionado, probablemente fue primero empleado para significar el proceso de humidificación del aire en plantas textiles y poder controlar los efectos de la electricidad estática y reducir el rompimiento de las fibras. En invierno, cuando el aire se calentaba y se secaba, producía cargas estáticas en los hilos que estaban en movimiento volviéndose frágiles y frecuentemente se rompían. La humidificación “que significa agregar humedad al aire” reduce o elimina esta posibilidad, lo cual dio un gran ímpetu al desarrollo del aire acondicionado en la industria. El desarrollo industrial del aire acondicionado ha permitido la creación de mejores condiciones de comodidad. Es obvio que sistemas similares de enfriamiento para fines industriales deberían también diseñarse para producir comodidad. La función más importante en un sistema de aire acondicionado para producir comodidad es el abatimiento de temperatura, sea o no necesaria también la des humidificación. Un sistema de refrigeración es, por lo tanto, auxiliar de un sistema de aire acondicionado en donde es necesario tener temperaturas menores que la atmósfera que lo rodea. La refrigeración por enfriamiento, la cual ocupa un lugar muy importante en el aire acondicionado [7]. Cada vez más, los aparatos empleados para enfriamiento de edificios están combinándose con los de calefacción y ventilación, de tal manera que el mismo equipo puede emplearse para ambos fines durante todo el año. El único costo agregado aun sistema de calefacción en un conjunto diseñado, es lo correspondiente al enfriamiento del aire. Los ductos que llevan el aire caliente durante el invierno, pueden conducir el aire frío durante el verano y los mismos ventiladores y convectores pueden usase en verano e invierno.. 15.

(16) Es importante notar que cualquier aspecto del aire acondicionado es una aplicación de uno o más de los principios fundamentales de la termodinámica, flujo de fluidos o transferencia de calor, utilizada para adaptarse mejor a las necesidades fisiológicos. de los ocupantes o para establecer las condiciones. apropiadas para la conversión de productos almacenados o materiales en procesos. 4.2 Principios de Refrigeración. 4.2.1 Propiedades del Aire [6]. El aire es una mezcla de dos gases principalmente; 23 partes de oxígeno y 77 partes de nitrógeno, por peso. Existen en el aire gases, tales como bióxido de carbono, monóxido de carbono, ozono y neón en cantidades muy pequeñas, y ciertos gases que carecen de interés particular en el campo del acondicionamiento de aire. El ozono se produce por chispas en los equipos eléctricos, y por la descarga de electricidad atmosférica. El neón, en su forma natural, es un gas, y nos resulta familiar por el gran uso que se hace de él en los anuncios lumínicos. El monóxido de carbono no está presente en la atmósfera excepto en el tráfico intenso de automóviles y camiones, y es peligroso, siendo producido por la combustión incompleta del carbón. El oxígeno, el elemento más importante del aire, constituye aproximadamente la cuarta parte del aire por peso y un quinto por volumen, y de él depende la existencia de la vida animal. El nitrógeno es un gas relativamente inerte cuya función estriba en diluir el oxígeno. 4.2.2 Circulación del Aire. El aire debe estar en continuo movimiento para llevarse la humedad y el calor que rodean el cuerpo. El aire debe ser atraído constantemente al acondicionador y. 16.

(17) hecho pasar sobre el evaporador de enfriamiento, a fin de que la humedad que absorbe de la habitación pueda condensarse y eliminarse por el desagüe. 4.2.3 Pérdida de Calor. La palabra calor hace referencia a la energía calorífica que se aplica a un cuerpo. Existen tres formas en que un cuerpo pierde su calor propio: conducción, convección y radiación [7]. La conducción es la transferencia de calor que se produce en los líquidos y gases, donde las moléculas llevan el calor de un lugar a otro. La convección es la transferencia de calor que se produce en los líquidos y gases, donde las moléculas llevan el calor de un lugar a otro. La radiación es la transferencia de calor en el movimiento de las ondas, que se producen a través de un medio transparente sin afectar la temperatura del mismo. El calor radiante no es aparente hasta que choca contra una superficie opaca, donde es absorbido y se revela o manifiesta en una elevación de temperatura. 4.2.4 Energía y Calor. La temperatura de un cuerpo varía con la sustracción o adición de calor. Una de las formas de extraer calor, que es la que se emplea en la técnica del aire acondicionado, es la descompresión de un fluido gaseoso. Los sólidos y los líquidos están considerados como incomprensibles debido a que sus moléculas no pueden ser aproximadas entre sí. En cambio, los gases y los vapores son compresibles, es decir, que pueden ser confinados en espacios de volumen variable. Los gases y vapores se caracterizan por las enormes distancias que existen entre sus moléculas. Cuanto más separadas están sus moléculas, mayor es la energía que emplean para recorrer esas largas distancias. Si un gas o un vapor se comprimen, las distancias entre sus moléculas se acortan en proporción directa al aumento de presión. En estas condiciones, como las. 17.

(18) moléculas recorren distancias menores antes de chocar con otras, emplean menos energía. La energía sobrante se cede en forma de calor. Esta es la razón del porqué un gas o un vapor se calienten si se comprime [6]. 4.2.5 Calor Específico. Los BTU's requeridos para elevar la temperatura de una libra de una sustancia un Fahrenheit recibe el nombre de su calor específico. Por definición, el calor específico del agua es 1.00 pero la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de varias sustancias hasta una temperatura dada varía. Dado que el agua tiene una capacidad calorífica amplia, se le ha tomado como norma, y dado que una libra de agua requiere un BTU para elevar su temperatura en un grado, su clasificación en la escala de calor específico es de 1.00 [5]. 4.2.6 Calor Sensible. El calor sensible es aquella forma de calor que produce un cambio en la Temperatura de una sustancia y puede medirse con un termómetro. Así, por ejemplo, cuando la Temperatura del agua se eleva de 32°F a 212°F., se está produciendo un aumento en el calor sensible [5]. 4.2.7 Calor Latente. El calor latente, es aquella forma que hace que una sustancia cambie su estado físico de sólido a líquido, que un líquido se evapore, o vice versa. Por ejemplo, cuando un líquido se evapora y se convierte en gas, el cambio de estado físico va siempre acompañado por absorción de calor. La evaporación tiene un efecto refrescante en el medio que rodea al líquido, dado que éste obtiene del medio circundante el calor necesario para cambiar su estructura molecular. Esta acción tiene lugar en el evaporador de un sistema de acondicionamiento de aire. Cualquier líquido tiende a saturar el espacio circundante con su vapor. Esta propiedad de los líquidos es un elemento importante en todo trabajo de acondicionamiento de aire [5].. 18.

(19) Por otra parte, cuando el gas se condensa o licúa, el cambio de estado físico va siempre acompañado de la pérdida de calor. Esta acción tiene lugar en el condensador del sistema, debido al trabajo mecánico ejercido sobre el gas por el compresor. 4.2.7.1 Calor Latente de Fusión. El cambio de una sustancia de sólida a líquida, o a la inversa, envuelve el calor latente de fusión. Una libra de agua a una temperatura de 32°F requiere la extracción de 144 BTU para alcanzar la congelación, o sea, la transformación en hielo sólido a 32°F. Toda sustancia sólida tiene un valor de calor latente en grado diverso, y la cantidad requerida para convertirlo o provocar un cambio, se denomina calor latente de fusión [7]. 4.2.7.2. Calor Latente de Evaporación.. El cambio de una sustancia de líquido a gas o viceversa envuelve el calor latente de evaporación. Medidas cuidadosas han determinado que la conversión de una libra de agua pura a 212°F requiere 970 BTU cuando se lleva a cabo a la presión normal de la atmósfera que se encuentra al nivel del mar. Si se añade calor y se mantiene un conteo de los BTU’s gastados, se encontrará que cuando toda el agua se ha transformado en vapor, se habrían usado 970 unidades de calor. El añadir más calor sólo serviría para calentar el vapor, tal como sería posible si hubiera sido atrapado o el experimento llevado a cabo en una vasija cerrada, de modo que pudiera aplicársele calor [8]. 4.2.8 Humedad Relativa. Puede definirse la humedad relativa como la relación de la cantidad de vapor presente realmente en el aire a la mayor cantidad posible en una temperatura dada. De esto deduce que la humedad relativa del aire a una Temperatura dada puede obtenerse sencillamente dividiendo la cantidad de humedad existente realmente en el aire entre la cantidad de humedad que puede soportar el aire a. 19.

(20) esa Temperatura dada, y multiplicando el resultado por 100, a fin de obtener el factor de porcentaje [8]. 4.2.9 Temperatura del Punto de Rocío. La Temperatura de saturación para cualquier cantidad dada de vapor de agua en la atmósfera se conoce como punto de rocío. Por definición, el punto de rocío es la Temperatura de saturación para una presión atmosférica dada. Puesto que ésta es la Temperatura a la cual la humedad comienza a asumir la forma de minúsculas gotitas de agua [8]. 4.3 Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor. La gran mayoría de los sistemas en la industria, comercio, hogares, utilizan el ciclo de compresión de vapor debido a su eficiencia y costos. Según la figura 1, los componentes del ciclo de refrigeración por compresión de vapor son: evaporador, condensador, compresor, y una válvula de expansión o tubo capilar.. Figura 1: Componentes y diagrama T-s del ciclo de compresión de Vapor [1]. Cada uno de los cuatro componentes de un sistema de compresión de vapor: compresor, condensador, dispositivo de expansión y evaporador, tiene una forma peculiar de funcionamiento. Al mismo tiempo, cada componente está influenciado. 20.

(21) por las condiciones impuestas por los otros miembros del sistema. Por ejemplo, un cambio en la temperatura del condensador refrigerado por agua, puede ocasionar el cambio en el caudal del refrigerante que mueve el compresor, lo cual, a su vez, puede obligar a un reajuste de la válvula de expansión y puede cambiar la presión de trabajo del evaporador. Los condensadores son intercambiadores de calor del tipo de superficie en los cuales el refrigerante proveniente del compresor, a alta temperatura y presión, se enfría hasta alcanzar el estado de saturación y luego se condensa o pasa al estado líquido. El condensador disipa toda la energía térmica que el refrigerante absorbió a su paso por el evaporador, así como el trabajo realizado en el compresor. Para realizar el proceso de condensación se requiere que exista otro fluido con el cual intercambiar calor desde el refrigerante. La temperatura y la cantidad o flujo disponible de este fluido son importantes para fijar las condiciones de operación del sistema de refrigeración. Los dos fluidos más abundantes son el agua y el aire; tanto el uno como el otro se encuentran a temperaturas fijadas por el ambiente [8]. El evaporador de un sistema de refrigeración permite eliminar o absorber el calor del espacio con el fin de mantener la temperatura deseada del cuarto refrigerado. Este es un intercambiador de calor en el que el calor pasa del ambiente o de un fluido secundario, al refrigerante el cual hierve o pasa del estado líquido al gaseoso durante el proceso [8]. El compresor es un elemento mecánico que se encarga de succionar el refrigerante para comprimirlo y bombearlo a alta Temperatura por todo el sistema. La válvula de expansión o tubo capilar, es la encargada de reducir y controlar la Temperatura y la presión del refrigerante entre la zona de alta presión y baja. De acuerdo a la figura 1, el refrigerante entre al compresor en estado de vapor saturado a baja presión y Temperatura desde el evaporador, y lo comprime haciendo elevar su presión y temperatura hasta la presión de operación del. 21.

(22) condensador. Este proceso de compresión isentrópica aumenta la Temperatura y la Presión del refrigerante hasta convertirse en vapor súper calentado. El gas súper calentado, entra al condensador en donde pierde calor y la temperatura disminuye en un proceso isobárico hasta llegar al estado de vapor saturado. Entre mayor sea la Temperatura que entra en el condensador que la Temperatura ambiente, existirá un flujo de calor en cantidad suficiente desde el refrigerante al ambiente para que pase a la válvula de expansión, donde el refrigerante sufre un estrangulamiento y la Presión y Temperatura disminuyen para ser llevados al espacio refrigerado. Con la disminución de la Presión se evapora el refrigerante, se observa una mezcla de líquido y vapor. Finalmente, el líquido, mezclado con algo de vapor, entra al evaporador, el cual absorbe la Energía en forma de calor del ambiente refrigerado y hierve hasta que a la salida se encuentra como vapor saturado a baja presión. De está forma se completa el ciclo, y vuelve a iniciar con la entrada del vapor saturado al compresor [9]. 4.4 Banco de Pruebas Anteriores. La necesidad de producir refrigeración por medio de Energía Eólica, nace de la financiación y colaboración de COLCIENCIAS y la Universidad de los Andes, con la intención de solucionar un problema de impacto social en la Guajira Colombiana. EL primer estudiante en proponer un diseño y tal vez el más cercano a la realidad, fue Alejandro Talero. Talero construyó dos bancos de pruebas. El primer banco de pruebas constaba de un Altivar 66, un motor eléctrico Siemens de 3 Hp, refrigerante 22, compresor de 2 pistones, evaporador de aletas, tuvo capilar, condensador de serpentín, y un cuarto frío construido con poliestireno expandido [10]. El segundo bancos de pruebas, fue modificado por el mismo Talero, cambiando el compresor por un más pequeño y eficiente de 5 cilindros, que tenía un embrague electromecánico que era alimentado por una batería con un alternador conectado al eje del motor. Se cambio también el condensador y evaporador, por uno de. 22.

(23) ventilador y placas respectivamente. Por primera vez, se introdujo un amplificador de velocidad [10]. El tercer banco de pruebas fue elaborado por Manuel Caldas. La principal modificación de Caldas fue eliminar el alternador, la batería, y colocar un compresor centrifugó para eliminar el embrague electromecánico. Instaló una nevera de camping, y simulo los elementos a 10 metros sobre el nivel del piso para asemejar la realidad de cómo irían los elementos en campo. Luego de varios años de abandonado el proyecto, debido a la construcción de los nuevos laboratorios y la nueva infraestructura del edificio ML, Alberto Rodríguez recuperó las diferentes piezas mecánicas e instaló estos componentes en el nuevo laboratorio de conversión de Energía. Rodríguez mantuvo el compresor centrífugo, la nevera camping, el multiplicador de velocidad y el motor eléctrico. Las principales modificaciones elaboradas, fueron modelar el sistema de acuerdo a la instalación en campo, eliminó el condensador por más tubería y las tuberías del evaporador se cambiaron por flexibles para reducir las uniones que ayudan a la pérdida de Energía. La etapa de potencia se ubicó a 4,18 metros de altura [11].. 23.

(24) Figura 2 Banco de pruebas anterior [11].. Capítulo 5. FUNCIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL BANBO DE PRUEBAS DISEÑADO. 5.1 Requerimientos del Sistema El nuevo diseño del sistema de refrigeración movido por Energía Eólica, se basa en las recomendaciones y problemas que presentaron los anteriores bancos de pruebas. De acuerdo con Rodríguez, existe un desacople esporádico del embrague centrífugo que genera grandes pérdidas en el rendimiento del sistema. Es recomendable hacer un ajuste en las tuberías y analizar su longitud debido a que esto hace que existan pérdidas en la Energía en forma de calor.. 24.

(25) Como consecuencia de la longitud de las tuberías, Caldas observó que no se presenta una condensación totalmente debido a este problema. Caldas recomendó un sistema de control de lazo cerrado, el cual sería adecuado para controlar el accionamiento del compresor en caso que sea necesario. Talero concluye que el consumo de torque en el arranque es un problema, debido a que la potencia y la etapa de amplificación de velocidad no son las adecuadas. Para esto, propone un sistema en el cual el molino este conectado a un regulador que se encarga de cargar una batería y, está es la encargada de alimentar el voltaje para el compresor. Es un sistema que tiene varias ventajas, como lo es tener todos los elementos a la misma altura, excepto el aerogenerador. Vale la pena tener en cuenta que el promedio de velocidad del viento es de 7.7 m/s dirección norte- sur. La radiación es de 5,5 KWhr/m^2. Estos datos son basados en estudios de las Empresas Públicas de Medellín en la construcción del parque Jepirachi, en Puerto Bolívar, Guajira. 5.2 Descripción del nuevo Diseño. Una vez elaborada la primera inspección de los componentes existentes, se observó que el sistema estaba descargado. Una vez cargado y encendido el motor, el embrague centrífugo nunca funcionó, es decir, la etapa mecánica presentó problemas por lo que el ciclo de refrigeración nunca se inició. Como el gran problema era el desacople del embrague centrífugo, es necesario contemplar la necesidad de un embrague electromagnético. Se conservó el motor Siemens, el multiplicador de velocidad, el sensor de torque, en la etapa de transmisión mecánica. Se eliminó la trampa de aceite, debido a que no cumplía ninguna función, y generaba pérdidas innecesarias de Energía debido a los acoples y tuberías que pasaban por allí. Se instaló un nuevo condensador para observar el proceso isobárico que sufre el refrigerante, donde se tiene que disminuir la temperatura hasta alcanzar el estado de líquido saturado. Se reemplazaron los manómetros, de refrigerante R-22 por refrigerante 134ª. Se. 25.

(26) modificó las longitudes de las tuberías, para disminuir la pérdida de calor. Se mantuvo la nevera, el tubo capilar y la base de hierro donde está la etapa mecánica. Se instaló un nuevo Altivar o controlador de frecuencia para manipular el motor. Se instaló un termóstato digital, el cuál permite controlar la temperatura a la cuál se desea el espacio refrigerado y el cual permite enviarle la señal de 12 voltios al embrague por medio de una fuente para que este cumpla su función de acoplar o desacoplar dependiendo el rango de Temperatura que se desee. Debido a que se instaló este termóstato digital, se observa el segundo gran cambio del banco de pruebas. Se necesita hacer un sistema híbrido entre la Energía Eólica, que hace generar el movimiento del aerogenerador, y la Energía Fotovoltaica, que aprovecha la luz solar para generar Energía. En nuestro caso es un panel solar que almacena la Energía para suministrar los 12 voltios. En nuestro banco de datos es simulada por la fuente anteriormente mencionada.. Figura 3. Ubicación de los componentes en el laboratorio.. 26.

(27) 5.3 Equipos y Componentes utilizados. 5.3.1 Compresor SANDEN SD5H14. Figura 4. Compresor SANDEN con su respectivo Embrague electromagnético. El nuevo compresor SANDEN SD5H14, tiene un desplazamiento de 138cc., utiliza refrigerante 134ª, pesa aproximadamente 7,8 Kg. Este compresor trabaja en los sentidos CW y CCW. Tiene ocho orejas y su fitting es en V. Este compresor de 5 pistones es de uso automotriz y necesita de una corriente eléctrica para acoplar o desacoplar el clutch. Este embrague electromagnético tiene en su interior una bobina que al pasar los 12 voltios produce un campo magnético entre la corona de este y el disco de acero produciendo el acople del embrague. La potencia de este compresor es de 1,5 W, y obtiene sus mejores desempeños a revoluciones alrededor de las 4000 rpm, donde la presión de descarga es alrededor de los 202 psi, de acuerdo a la figura 5. Este es un compresor mucho más grande al anterior, se escogió simplemente por la facilidad en el momento de adquirirlo, sabiendo que es para pruebas en el laboratorio.. 27.

(28) Figura 5. Eficiencia Volumétrica compresor Sanden SD5H14 [12] 5.3.2 Fuente Reguladora de Voltaje. Una fuente reguladora de voltaje, es un dispositivo que da una corriente directa por medio de una tensión de salida, necesaria para hacer funcionar la mayoría de los circuitos eléctricos, que en nuestro laboratorio experimental es enviar los 12 voltios para el embrague electromagnético. Nuestra fuente como lo muestra la figura 6, simula un panel solar el cual almacena la energía solar y envía la señal de voltaje para cumplir su función de embragar o desembragar. La fuente es de 12 voltios y 3,5 amperios.. 28.

(29) Figura 6. Fuente reguladora de voltaje. 5.3.3 Motor Siemens. La función del motor Siemens de 3 HP es simular el rotor del aerogenerador. Desarrolla velocidades de 0 a 1500 rpm. Para nuestro estudio, debido a las condiciones del viento, se trabajara de 0 a 1200 rpm, donde la velocidad máxima del viento es aproximadamente 25 m/s.. Figura 7. Motor Siemens 5.3.4 Multiplicador de Velocidad La función del multiplicador de velocidad como su nombre lo indica, es amplificar la velocidad del motor al compresor, debido a que los regímenes de viento son variables, y los cambios en el torque del motor hacen que las revoluciones sean modificadas para mover el compresor. Está ampliación es de 1:1.5.. 29.

(30) Figura 8. Multiplicador de velocidad 5.3.5 Tubo Capilar El tubo capilar tiene como función separar el lado de bajas presiones del de alta presión. El proceso de estrangulamiento del refrigerante sucede de una tubería de 3/8” a una tubería de 1/32” conectado al tubo evaporador.. Figura 9. Tubo capilar. 5.3.6 Condensador y Filtro de Secado. El condensador es de flujo paralelo de 12*18 de 1,5 hp. Contiene un filtro secador para R134a, tiene como función evitar que el líquido sub-enfriado que viene del condensador, no contenga ningún tipo de humedad antes de entrar al tubo capilar.. 30.

(31) Figura 10. Condensador y filtro de secado. 5.3.7 Evaporador y Nevera El evaporador de 0.5 hp, está ubicado dentro de la nevera con capacidad para 200 litros. El evaporador permite eliminar o absorber el calor del espacio con el fin de mantener la temperatura deseada del cuarto refrigerado.. Figura 11. Nevera y Evaporador.. 31.

(32) 5.4 Instrumentación. 5.4.1 Termostato Digital Controlador con función de deshielo natural por parada de compresor y ventilación permanente. Este instrumento tiene una salida que es comandada internamente por un controlador de temperatura conjugado a un timer con tiempo de refrigeración y deshielo programables.. Figura 12. Termostato MT512Ri. Esquema de conexión [13].. 5.4.2 Variador de Frecuencia. Para poder realizar los perfiles de viento, y poder simular los cambios en la velocidad angular del rotor, el Altivar 71 trabaja hasta 60 Hz, para motores desde 0,5 a 100 hp. El Altivar tiene una precisión de +/-0,1Hz.. Figura 13. Variador de frecuencia Altivar 71.. 32.

(33) Figura 14. Velocidad de giro del motor. En la figura 14, se relaciona la entrada de frecuencia en Hz, con la salida de velocidad del motor. Para lograr esta variación, se utiliza un potenciómetro, el cual permite hacer la variación manualmente.. 5.4.3 Manómetros Análogos para R-134ª Se instalaron dos manómetros para R-134ª. Los anteriores manómetros eran para R-22. Fueron instalados en el final de la tubería cobre de la condensación y al comienzo del evaporador.. Figura 15. Manómetros de presión baja y alta.. 33.

(34) 5.4.4 Sistema Infrarrojo AGEMA La pistola térmica infrarroja, serie 90, es un instrumento portátil de medición no destructiva. Con este equipo puede medirse la temperatura de operación mecánica, eléctrica y de equipos de producción sin contacto directo. Durante el proceso de producción se pueden realizar las mediciones de temperatura sin que con ello se contaminen los productos. Es un instrumento que permitirá medir la temperatura en cualquier punto del ciclo de refrigeración.. Figura 16. Sistema infrarrojo. 5.4.5 Sensor de Torque. Este torquímetro Omega permite medir el par que el motor le transmite al multiplicador de velocidad. Es importante tener el rango de operación del torque para conocer la velocidad que llegará al compresor.. Figura 17. Sensor de torque.. 34.

(35) 5.5 Carga de Refrigerante y Tuberías. Una vez instalado todos los componentes del sistema de refrigeración, se cargó el sistema con R-134ª aproximadamente con 40 libras, con el fin de observar y escuchar fugas presentes entre tuberías, acoples y, uniones. Una vez detectas las fugas pertinentes, se eliminó y se calibró con delicadeza cualquier tipo de unión que produzca algún tipo de fuga. Luego de esto, se incorporó una bomba de vacío al sistema, para eliminar cualquier tipo de porosidad, humedad y desechos que estuvieren presentes en la tubería. Este proceso se realizó durante 45 minutos aproximadamente. La carga del refrigerante se hace por medio de unos manómetros de alta y baja presión para el R-134ª. Se enciende el sistema para que el refrigerante fluya por las tuberías y de esta forma obtener la presión deseada, que en nuestro caso los rangos son entre 0-4 psi para la presión de baja y de 100-150 psi para la presión de alta. La resistencia al flujo de vapor a través de las tuberías se incrementa por la presencia de válvulas y uniones y, por lo tanto la capacidad de conducción se ve reducida. EL diseño adecuado de la longitud de la tubería permite un control uniforme en la distribución de vapor en las diferentes salidas, con un mínimo de ruido y con la salida necesaria para expulsar el aire del sistema. Las tuberías flexibles permiten balancear el transporte de gas por todo el sistema, y ayuda a eliminar uniones y válvulas que estaban presentes en el sistema. Es de mucha importante el aboquillamiento completo de las tuberías con los racores, debido que está puede ser una causa para presentar fugas. Refrigerante HFC - 134a [9]. No contiene cloro y su ODP es cero. Debido a su vida atmosférica relativamente corta, y a sus concentraciones atmosféricas más bajas, este químico contribuye mucho menos al calentamiento global calculado, en comparación al R-12. La. 35.

(36) compañía ICI realizó estudios de las combinaciones de los nuevos refrigerantes y lubricantes habiendo obtenido las siguientes conclusiones: •. El HFC 134a es química y térmicamente más estable que el R-12. •. El HFC 134a no reacciona con los lubricantes sintéticos del tipo polialquilén_glicoles, PAG, o esteres. Los refrigerantes CFC-12 y los aceites minerales si reaccionan con estas sustancias.. •. Algunos aditivos anti-desgaste para aceites sintéticos son corrosivos con el cobre, pero se han identificado actualmente alternativas no corrosivas.. Aún cuando las propiedades del HFC 134a son similares a las del R-12, los aceites minerales comunes, utilizados con el R-12, no son miscibles con el nuevo refrigerante y esto ha dado lugar al uso de lubricantes sintéticos. Existen algunos requisitos claves que influyen en la elección de lubricantes y al mismo tiempo contribuyen al funcionamiento de un sistema de refrigeración. Estos requisitos incluyen la estabilidad química y térmica, compatibilidad con todos los materiales de construcción de los sistemas, buena lubricidad, características apropiadas de retorno del lubricante al compresor, seguridad en su uso y aceptabilidad ambiental, además de costo. El estudio inicial se centró en el uso de los polialquilén_glicoles PAG, que son solubles en HFC 134a y se consiguen en diferentes grados de viscosidad ofreciendo lubricidades superiores a las de los aceites minerales. En cuanto a la eficiencia energética se ha demostrado luego de numerosas pruebas que el consumo de energía para una determinada capacidad de refrigeración no es mayor con el HFC 134a que con el R-12.. 36.

(37) Capítulo 6: RESULTADOS. El enfoque de este trabajo de grado, es rediseñar un sistema de refrigeración para ser operado por Energía Eólica. Necesitamos saber y comprobar la eficiencia de este sistema para brindar una solución particular a las rancherías en la Guajira. Sin embargo, puede generarse otras soluciones, es por eso que realizamos un modelo a campo real, para realizar una comparación con los datos experimentales y de esta forma llegar a una conclusión que nos permitan dar un fallo final. 6.1 Pruebas Experimentales. 6.1.1 Perfil de Viento a Velocidad Constante Se realizó un perfil de viento constante para evaluar el desempeño del ciclo de refrigeración y mirar la eficiencia de cada componente. A continuación se presenta los datos obtenido:. Figura 18. Gráfico torque de arranque contra tiempo a velocidad constante.. 37.

(38) Figura 19. Cambio de Temperatura en la nevera contra tiempo.. Figura 20. Trabajo del compresor contra velocidad.. 38.

(39) Figura 21. Temperatura del evaporador contra velocidad del motor.. Figura 22. Temperatura del condensador contra velocidad del motor.. 39.

(40) 6.1.2 Diagramas de Mollier para r-134ª Diagrama de Mollier para 800 rpm Presión de alta(bar) 14,78. Presión de baja (bar) 1,2893. Efecto neto Refrigeración T(°C) alta 27. T(°C) baja -2,1. KJ/Kg. 167. Tabla1. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 16 m/s. Figura 23. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 16 m/s El rendimiento energético de sistema de refrigeración está dado por el coeficiente de operación C.O.P. el cual se define como la razón entre el calor del evaporador sobre el trabajo del compresor:. 40. Trabajo compresor KJ/Kg. 58.

(41) Diagrama de Mollier para 600 rpm Presión de alta(bar) 14,11. Presión de baja (bar) 1,25. Efecto neto Refrigeración T(°C) alta 29. T(°C) baja 0,8. KJ/Kg. 163. Tabla 2. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 12,58 m/s. Figura 24. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 12,5 m/s. 41. Trabajo compresor KJ/Kg. 57.

(42) Diagrama de Mollier para 533 rpm Presión de alta(bar) Presión de baja (bar) T(°C) alta 13,42 1,32 38,8. T(°C) baja 1,8. Efecto neto Refrigeración KJ/Kg. 159. Tabla 3. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 10 m/s. Figura 25 Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 10 m/s. 42. W compresor KJ/Kg. 57.

(43) Diagrama de Mollier para 400 rpm Presión de alta(bar) Presión de baja (bar) T(°C) alta 13,76 1,34 58. T(°C) baja 2,3. Efecto neto Refrigeración KJ/Kg. 135. Tabla 4. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 8,34 m/s. Figura 26. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 8,34 m/s.. 43. W compresor KJ/Kg. 49.

(44) Diagrama de Mollier para 264 rpm Presión de alta(bar) Presión de baja (bar) T(°C) alta 13,42 1,23 53,7. T(°C) baja 3,4. Efecto neto Refrigeración KJ/Kg. 125. Tabla 5. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 5,46 m/s. Figura 27. Resultados del diagrama P-h con velocidad del viento de 5,46 m/s. 44. W compresor KJ/Kg. 46.

(45) Figura 28. Velocidad Vs. C.O.P. 6.2 Perfil de Viento a Velocidad Variable La Guajira se caracteriza por ser una zona costera, con alta densidad de vientos. Fueron suministradas unas magnitudes del viento durante el año en la estación de gas de T.G.I. (transportadora de gas del interior) ubicada en Uribía.. Figura 29. Vientos en la Guajira. 45.

(46) Figura 30. Velocidad Vs. Tiempo. Figura 31. Temperatura Vs. Velocidad. 46.

(47) Figura 32. Potencia Vs. Velocidad. 6.3 REGISTRO FOTOGRÁFICO BANCO DE PRUEBA EXPERIMENTAL. Figura 33. Fuente reguladora de voltaje. Embrague electromagnético.. 47. Figura 34. Nevera y manómetros análogos R-134ª..

(48) Figura 36. Condensador y filtro de secado. Figura 35. Variador de voltaje. Termostato digital.. Figura 37. Etapa de potencia.. 48.

(49) Capítulo 7: DISCUSIONES Como lo muestra la figura 18, a medida que los vientos son menores requiere mayor torque de arranque, es decir, que a medida que se tiene mayores revoluciones del motor, menor es el torque necesario para hacer trabajar el compresor. En la figura 19, la Temperatura contra el tiempo, se observa que a medida que los vientos producen unas mayores revoluciones en el motor, la Temperatura disminuye más rápido, mientras son menores las revoluciones, mayor es el tiempo que debe emplear el compresor para obtener la Temperatura deseada. Lo anterior se comprueba con la figura 20, donde a mayores revoluciones el trabajo del compresor es mayor. En la figura 21, el evaporador a medida que la velocidad aumenta, la Temperatura disminuye, en tanto que el condensador mientras las revoluciones son altas, la Temperatura también lo es, como lo muestra la figura 22. De esta forma es claro ver como los elementos mecánicos hacen que los elementos de refrigeración cumplan con la función de obtener un espacio refrigerado. Se realizó un perfil de vientos a velocidad constante, y los resultados del comportamiento del sistema fueron ilustrados en distintos diagramas de Mollier para R-134ª. En las figuras 23 a la 27, se puede observar el comportamiento del sistema al modelar a diferentes velocidades. En la figura 28, se muestra la velocidad contra el coeficiente de operación, el cual indica que a mayor velocidad del viento el coeficiente operacional del sistema es mayor, y a medida que la velocidad disminuye, este también lo hace. En la figura 29, se encuentra un perfil de vientos suministrados por la empresa T.G.I. donde se observa el cambio de los vientos mes tras mes. De acuerdo con está figura, el promedio de los vientos en Uribía Guajira, son de 7,77 m/s. En la figura 30, se realizó un perfil a velocidad variable cada 25 segundos, para entender el comportamiento del sistema simulando un perfil real. En la Figura 31, se muestran cambios de velocidad para analizar el cambio de Temperatura en la nevera. Es claro ver de acuerdo a está figura, que la Temperatura cambia a medida que transcurre el tiempo, pero el gradiente de variación de Temperatura no es proporcional a la variación de velocidad. Es decir, una vez el rotor gira a mayores velocidades se obtiene una menor Temperatura, pero es viceversa con la disminución de Temperatura. En la figura 32, la potencia que actúa sobre el compresor es mayor cuando se está a mayores revoluciones debido a que este tiene que ejercer un mayor trabajo.. 49.

(50) A continuación se pretende mostrar un modelo a escala real, utilizando elementos y tecnología disponible en el comercio para tratar de generar algún tipo de comparación. 7.1 Trabajo de Campo. En análisis anteriores, como el de Talero, se había determinado que para solucionar el problema del par de arranque del compresor, se debería analizar la solución utilizando un compresor eléctrico. También se sugirió la eliminación de las correas debido al ambiente salino de la Guajira. Dado lo anterior, se. efectuó una experimentación en campo, utilizando un. compresor Danfoss bd35f de 12 voltios. La tecnología actual, nos proporciona este tipo de compresores para aplicaciones de refrigeración. Este compresor, elimina el problema de arranque que teníamos en el banco de pruebas experimental debido a que toma la energía de una batería. Para mantener cargada la batería, se ha construido un sistema híbrido conformado por un panel de Energía solar de 55 patios, y un aerogenerador de las siguientes características. Marca Modelo Diámetro del Rotor Material aspas Promedio de velocidad de viento Rango de vientos Freno de seguridad de viento Promedio de velocidad angular Tipo generador Voltaje de suministro Altura de la torre. Wuxi Kingship Machinery Co. KSW-2 2,2 metros Fibra de vidrio 8 m/s (3-25) m/s 40 m/s 450 rpm Trifásico DC 24/36V; AC 220V 7.5 metros. Tabla 6. Especificaciones técnicas del aerogenerador.. 50.

(51) Un cargador de batería recibe las dos fuentes de energía, la solar y la eólica así como lo muestra la figura 38. Este se encarga de regular la corriente de carga hacia la batería de 12 voltios.. Figura 38. Esquema sistema híbrido.. Finalmente se obtuvo una solución optima de refrigeración utilizando la Energía Eólica y solar para obtener buenos resultados de temperatura de la nevara, la cual también se controla a través de un termostato digital para obtener la temperatura deseada de enfriamiento o congelación. Se experimente en régimen de conservación de líquidos a 4°C durante ocho horas y en régimen de congelamiento a -5°C en otras ocho duras. El sistema trabajó bien y la batería suministro la Energía sin problema.. 51.

(52) Capítulo 8: CONCLUSIONES. Como primera medida, se logró solucionar el problema de embrague, ya que se sustituyó el de tipo mecánico, por el electromagnético. En la realidad, esto funciona bien porque el voltaje para la bobina de embrague siempre va ser suministrada por la batería que estará cargada por el sistema híbrido tanto por el panel solar como de la generación eólico. Se logra un control de temperatura en la cámara frigorífica muy exacto debido a la operación del termostato digital, con lo cuál se asegura una temperatura deseada de enfriamiento. Se logra un equilibrio en los cuatros componentes del sistema principalmente en la condensación que era un defecto de los anteriores prototipos como se pueden observar en los diagramas de Mollier. Se logró un prototipo muy eficiente como lo muestra los C.O.P. calculados, ya que su coeficiente operacional es casi 3, es cual es un valor para neveras de casa. En la realidad se debe utilizar un generador Eólico de tipo vertical para facilitar el montaje del sistema y aprovechar mejor la dirección de los vientos. Queda en duda si se requiere de un volante para romper la inercia en el momento de arranque del compresor o si por el contrario, con el aditamento de un control de velocidad (rpm) instalado en serie con el termostato digital, permita el arranque del compresor en un régimen adecuado de revolución del rotor. Esta aplicación posiblemente solo sirve para sistemas pequeños de refrigeración, es decir, menores a 1 hp o aproximadamente 12000 BTU/h. Es claro observar que este prototipo, trabaja bien con vientos mayores a 7 m/s, pero en días que haga vientos menor a este valor, no se obtiene el torque ni la potencia para hacer mover eficientemente el compresor.. 52.

(53) Se logró rediseñar y dimensionar el prototipo para que funcione bien, y en forma eficiente. Aunque llevarlo a la realidad todavía no es viable, ya que como se muestra en el trabajo de campo ya existen los elementos para brindar una solución, esto es demasiado costoso. Sin embargo, este es un material didáctico para que los estudiantes puedan identificar los cuatro componentes del ciclo de refrigeración y analizar su comportamiento por medio de pruebas, incentivando la utilización de las Energías Renovables. Registro Fotográfico trabajo de Campo. Figura 39. Aerogenerador 200 W.. Figura 40. Aspas de fibra de vidrio.. .. Figura 41. Celda solar.. 53. Figura 42. Montaje en campo..

(54) 9. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS •. [1] Tomado y adaptado de: http://www.ilustrados.com/publicaciones/multimedia/ebapl6.jpg. •. [2] ASHRAE (1977) Handbook of Fundamentals, the American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, New York.. •. [3] Harris, N.C. (2005). Equipos de aire acondicionado, Editorial Hispano Americana. México D.F.. •. [4] Pinilla Sepúlveda, Álvaro. “Manual de Aplicación de la energía eólica”. Universidad de los Andes. Bogotá D.C. 1997.. •. [5] Jennings-Lewis. (1982) “Aire Acondicionado y Refrigeración” Compañía Editorial Continental.. •. [6] Triconi Ernest. (1989) “ABC del Aire Acondicionado” Boixareu Editorese Marcombo.. •. [7] BELTRAN, R. Principios de Conversión Térmicas de Energía, Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniería, Bogotá, 1997.. •. [8] CARRIER, Willis. Modern Air conditioning, heating, and ventilating. New York: Pitman Pub. 1959.. •. [9] BELTRÁN, R. Principios Aire Acondicionado. Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniería, Bogotá, 1981.. •. [10] TALERO, Alejandro. “Sistemas de refrigeración movidos por energía eólica”. Tesis de Magíster, Bogotá: Uniandes, Facultad de Ingeniería, 2005.. •. [11] RODRIGUEZ, Alberto. “Montaje y puesta en marcha de un sistema de refrigeración a operar con energía eólica”. Bogotá: Proyecto de grado, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes.. •. [12 ]SADEN. (1999). Manual técnico compresor SD para R-134ª. México.. •. [13] Tomado y adaptado de www.fullgauge.com.. •. CARRIER, Willis. Modern Air conditioning, heating, and ventilating. New York: Pitman Pub. 1959.. •. Althouse, Turnquist & Bracciano. Modern Refrigeration and Air Conditioning, Goodheart Willcox, 1979.. 54.

(55) •. Alarcón, C. J. Tratado Práctico de Refrigeración Automática, 11ª edición, Marcombo S.A., Barcelona, 1992. •. Arbon, I. The design and application of rotary twin-shaft compressors in the oil and gas process industry. Mechanical Engineering Publications Limited, London, 1994. •. ARI., Refrigeration and Air Conditioning., 3 Edition, Prentice Hall, Inc, 1998. •. Ashrae Handbook, Refrigeration - Systems and Applications, 1986.. •. Ashrae, Ashrae Handbook – Systems , ASHRAE, New York, 1976. •. Ashrae, Ashrae Handbook – Fundamentals, ASHRAE, New York, 1977. rd. 55.

(56)