Modelización termodinámica de una bomba de calor para ACS

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(1)ETS I NGENIEROS I NDUSTRIALES G RADO EN I NGENIERÍ A EN T ECNOLOGÍ AS I NDUSTRIALES T RABAJO F IN DE G RADO. Modelizacion ´ termodinámica de una bomba de calor para ACS Juan Recuero Abad. Tutores: ´ Ignacio Lopez Paniagua Rafael Nieto Carlier. febrero de 2018.

(2) 2.

(3) Agradecimientos ´ el esfuerzo de mis padres. En primer lugar quiero agradecer de corazon La paciencia que han demostrado conmigo, en las buenas y en las malas. Al final nada evito´ que por fin pueda terminar lo que empecé y que sin vuestro apoyo nunca hubiera sido posible. También quiero agradecer a todas aquellas personas que me han apoya´ do a su manera, en el d´ıa a d´ıa, desde la distancia o incluso simbolicamente. Gracias a todos vosotros, en especial a Javi que me presento´ a mi tutor y a ˜ mi eterna companera de taquilla por su ayuda prestada. Quiero agradecer este trabajo a mi tutor por todo lo que he aprendido, no solo relacionado con la Ingenier´ıa, sino con muchas otras cosas. Gracias Ignacio, sin ti este trabajo no lo habr´ıa disfrutado ni la mitad y desde luego no habr´ıa sido lo mismo. Ojalá pueda volver a trabajar contigo. ´ Y por ultimo, pero sobre todo, agradecerte a ti, chica de los ojos marrones, con lo que ello conlleva. Quién me iba a decir al escribir aquel poema ˜ después tu, ´ Mariv´ı, me ibas a salvar, o que ibas a caminar conque anos migo tanto tiempo. La vida es un camino donde se elige caminar solo o ˜ acompanado, deseo que este trabajo sea la primera piedra de una calzada más larga y duradera que las de los romanos, para ti y para m´ı, juntos.. 3.

(4) 4.

(5) Resumen ´ ekimProVe (ver Este trabajo se enmarca en el proyecto de investigacion ´ El proyecto ekimcap´ıtulo 2, p. 17) sobre eficiencia energética en edificacion. ´ energética innovadora para edificios con faProVe propone una solucion chadas ventiladas fotovoltaicas, integrando la fachada, una bomba de calor ´ del movimiento de aire y un sistema de alpara ACS, un sistema de gestion macenamiento térmico latente en el mismo sistema del edificio (ver figura 2.1, p. 19). ´ demandaLa bomba de calor producirá parte del ACS y la calefaccion da por el edificio. La electricidad generada por los paneles fotovoltaicos cubrirá una parte significativa del consumo eléctrico de la bomba de calor. El aire, calentado a su paso por la cámara ventilada, pasará por el evaporador de la bomba de calor, de manera que actuará como foco fr´ıo. La bomba suministrará calor a temperatura elevada que podrá ser empleado directamente para ACS (ver figura 3.6, p. 24). La bomba de calor funcionará por tanto con un foco fr´ıo a temperatura superior a las usuales, lo que le permitirá alcanzar una mejor eficiencia. Una de las tareas del proyecto ekimProVe consiste en estimar el consumo eléctrico anual de la bomba de calor del edificio. Sin embargo, el hecho de que la bomba opere en unas condiciones tan diferentes a las usuales hace que no existan datos sobre su eficiencia, ya que los parámetros usuales (SCOP) aparte de ser en realidad valores promediados con un ciclo tempo´ usuales. ral, están calculados para las condiciones de operacion Este trabajo fin de grado pretende obtener unos valores de eficiencia en ´ del proyecto. Para ello, se basa en una bomba de cael rango de operacion lor de ACS situada en el Laboratorio de Termodinámica (ver figura 3.2, p. 23). Se trata de una bomba comercial dimensionada para una vivienda media, por lo que los datos de eficiencia son extrapolables a los equipos que ´ 3.3, existir´ıan en un edificio. Está parcialmente instrumentada (ver seccion p. 26). Como se verá, el no disponer de todos los sensores necesarios dificultará el problema. Las tareas del proyecto han sido de cuatro naturalezas fundamentalmente: ´ de pruebas, ajuste de la plataforma de ensayos Práctica: Realizacion 5.

(6) 6 ´ ´ y emplaza(bomba + sistema de instrumentacion), caracterizacion miento de sensores (ver secciones 3.2 y 3.3, pp. 25-33). ´ del laboratorio para los ensayos, concepExperimental: Preparacion ´ y fabricacion ´ de utiles ´ cion de ensayo, estudio de las condiciones de ´ de procedimiento de ensayo y ejecucion ´ de las ensayo, elaboracion series (ver secciones 3.4 y 3.5, pp. 33-39). ´ de datos: Análisis de series de datos, descarAnálisis e interpretacion ´ (ver cap´ıtulo 4, p. 41). te de ensayos, caracterizacion ´ Diseno ˜ de hipotesis, ´ Modelizacion: procesamiento de datos, construc´ del modelo y validacion ´ (ver cap´ıtulo 5, p. 51). cion Los resultados principales de este proyecto son: ´ de las temperaturas de los focos 1. Matriz de eficiencia como funcion fr´ıo y caliente (ver tabla 8.6, p. 73). ´ de las tempe2. Matriz de potencia eléctrica consumida como funcion raturas de los focos fr´ıo y caliente (ver tabla 8.5, p. 73). 3. Procedimiento de cálculo basado en parámetros propios y las matri´ del tiempo de duracion ´ y ces anteriores que permite la simulacion ´ el consumo energético de un proceso de calentamiento (ver seccion 5.2.1, pp. 53-54) . Como resultados secundarios están los procedimientos de ensayo (ver ´ 3.5, pp. 35-39) y la base de datos de ensayo. seccion De los resultados anteriores, solamente la matriz de eficiencia (ver tabla 8.6, p. 73) de la máquina es de interés directo para el proyecto ekimProVe. ´ en profundidad sobre este tipo de El resto son parte de una investigacion ´ en Terequipos que se está llevando a cabo en el Grupo de Investigacion modinámica Aplicada a la Ingenier´ıa Industrial. Como se ha mencionado, la bomba de calor empleada en este trabajo ´ del ciclo. no consta de todos los sensores necesarios para la modelizacion ´ (ver seccion ´ 3.3, p. En concreto, no se dispone de los sensores de presion 25). Esto impide conocer con exactitud dos parámetros fundamentales: el ´ subenfriamiento a la salida del condensador y el rendimiento isentropico del compresor.1 Si bien se esperaba que la empresa instaladora pudiese instalarlos en el transcurso de este trabajo, no ha podido ser debido a dificultades técnicas. 1. ´ puede suplirse conociendo los detalles consEl no disponer del sensor de baja presion tructivos de la máquina y los valores de temperatura en todos los puntos del ciclo, que s´ı están disponibles..

(7) 7 ´ de un sensor de intensidad (ver seccion ´ 3.3.1, Mediante una reubicacion ´ del compresor, s´ı ha sido p. 28) originalmente situado en la alimentacion posible medir el consumo de potencia eléctrica total de la bomba. Con este dato y las mediciones de los otros sensores de la plataforma ha sido posible ´ 5.2.2, ecuacion ´ 5.5, p. 55). estimar la eficiencia de la bomba (ver seccion Finalmente se ha logrado modelizar tanto la potencia consumida como la eficiencia de la bomba funcionando con temperaturas de foco fr´ıo ´ y consumo total un de entorno a 25◦ C, y estimar en términos de duracion ´ proceso completo de calentamiento del agua del deposito de ACS de 45◦ C ´ 5.3, p. 58). a 55◦ C (ver seccion En cuanto al desarrollo del proyecto, es de destacar que dada su naturaleza experimental ha sido necesario invertir una parte significativa de ´ total en las tareas más prácticas como la identificacion ´ de la dedicacion ´ ˜ de soluciones, ajuste de sensores, etc. La naturaleza del fenomenos, diseno ´ de los sensores de presion ´ del proyecto y la espera a la posible instalacion ´ ciclo han condicionado en varios puntos los procesos de toma de decision..

(8) 8.

(9) ´ Indice general 1. Objetivos. 11. 2. Introduccion ´. 13. 3. Preparacion ´ del banco de ensayos ´ del equipo . . . . . . . . . . . . 3.1. Descripcion ´ de la máquina . . . . . . . . . . . 3.2. Operacion 3.3. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Medida de la potencia consumida . 3.3.2. Otros sensores . . . . . . . . . . . . . 3.4. Control de las condiciones de ensayo . . . . 3.4.1. Control del momento de encendido 3.4.2. Temperatura del foco fr´ıo . . . . . . 3.5. Procedimiento de ensayo . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 17 18 21 22 23 28 29 29 30 31. 4. Análisis de los datos obtenidos ´ de todos los ensayos realizados . 4.1. Recopilacion 4.2. Descarte de los ensayos forzados . . . . . . . . 4.3. Análisis exhaustivo de los ensayos no forzados 4.4. Descarte ensayos con Ta laboratorio variable . ´ del modelo . . 4.5. Ensayos restantes, construccion. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. 37 38 41 42 43 44. . . . . . . . . . .. 47 47 49 49 51 51 52 54 55 56 57. . . . . . . . . .. 5. Modelizacion ´ ´ por componentes . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Modelizacion 5.2. Modelizado E/S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Proceso de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . ˙ (T5 , T7 ) . . . . . . . . . 5.2.2. Cálculo de ε (T5 , T7 )y W ˙ (T5 ,T7 ) y (T5 ,T7 ) ´ de las matrices W 5.2.3. Construccion ´ del parametro Cc . . . 5.2.4. Estimacion ´ del modelo E/S . . . . . . . . . 5.3. Validacion ´ . . . . . . . . 5.3.1. Consumo y duracion 5.3.2. Periodos transitorios . . . . . . . . 5.4. Rango de validez y ampliaciones posibles 9. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . ..

(10) 10. ´ INDICE GENERAL. 6. Conclusiones. 59. 7. Gestion ´ del proyecto. 61. 8. Anexo Tablas. 67. 9. Bibliograf´ıa. 71. ´ 10. Indice de tablas. 73. ´ 11. Indice de figuras. 76.

(11) Cap´ıtulo 1. Objetivos En este trabajo de fin de grado (TFG) se encuentra integrado dentro ´ ekimProVe1 sobre eficiencia energética en de un proyecto de investigacion ´ Se ha buscado desarrollar la l´ınea de investigacion ´ corresponedificacion. ´ de agua caliente diente al estudio de bombas de calor para la generacion sanitaria (ACS). ´ del comEl objetivo principal de este proyecto reside en la modelizacion portamiento de una bomba de calor en un rango de temperaturas de trabajo fuera de lo usual. Con el fin de poder realizar el modelizado de la bomba de una manera satisfactoria, se procedio´ a cumplimentar unos objetivos secundarios: ´ del modelo con instruEstudio de la viabilidad de la construccion ´ parcial. mentacion ´ de construccion ´ • Viabilidad de sustituir la l´ınea de investigacion ´ de un de un modelo por funcionamiento, por la construccion modelo basado en Entrada/Salida (E/S) debido a problemas de ´ en la máquina. instrumentacion • Viabilidad de reubicar sensores respecto a los estudios previos que estaban enfocados en el desarrollo de un modelo por funcionamiento y estudiar su funcionamiento. ´ de los sensores en el tiempo. • Análisis de la evolucion ´ de las variables m´ınimas necesarias para tener la • Determinacion máquina caracterizada instantáneamente en eficiencia y potencia para un modelo E/S. Estudiar la viabilidad de introducir simplificaciones en la construc´ del modelo. cion 1. Se explicará con mas detalle en el cap´ıtulo 2. 11.

(12) 12. ´ CAPITULO 1. OBJETIVOS ´ de hipotesis ´ • Identificacion sobre el funcionamiento de la bomba ´ del modelo. para la construccion ´ de estudios comparativos, entre el modelo y las cur• Realizacion vas de comportamiento real. ´ de los transitorios en la construccion ´ del • Viabilidad de supresion modelo. ´ del • Viabilidad de simplificar variables durante la construccion modelo..

(13) Cap´ıtulo 2. Introduccion ´ Este trabajo está encuadrado dentro del proyecto ekimProVe,1 de inves´ sobre eficiencia energética en edificacion. ´ Este proyecto explora la tigacion ´ de agua caliente sanitaria posibilidad de integrar un equipo de generacion (ACS) en un edificio con fachada ventilada fotovoltaica (PV) dotado tam´ de ACS. bién de otros sistemas de generacion La eficiencia de una bomba de calor es un parámetro instantáneo, , que compara la potencia calor´ıfica inyectada por la bomba al foco caliente, Q˙ c , ˙ . La bomba de calor de este trabajo con la potencia eléctrica consumida, W ´ inyecta la potencia calor´ıfica Q˙ c en un deposito de agua que suministra el ACS para una vivienda, aunque para este trabajo está instalada en un laboratorio. El valor de la eficiencia con la que funciona una determinada bomba de calor depende de las condiciones en las que esté operando, fundamen´ talmente las temperaturas de los focos fr´ıo y caliente. Cuanto más proximas estén estas temperaturas, mayor será la eficiencia. Como se mencionaba arriba, el foco caliente de la bomba estudiada está ´ conectado a un deposito de ACS cuya temperatura deberá mantenerse en ◦ torno a 55 C. En uso normal, esta temperatura sufrirá variaciones debido a los vaciados y llenados, sin embargo este efecto no desea estudiarse en el presente trabajo, como se mencionará más adelante. ´ convencional, el foco fr´ıo, el evaporador de la bomEn una instalacion ba, es la unidad exterior e intercambia calor con el aire ambiente. Por tanto, ´ se encuenla temperatura del foco fr´ıo ser´ıa la del ambiente. La instalacion tra estabilizada, sin vaciados ni llenados teniendo lugar y a su temperatura de consigna. La diferencia de temperaturas de los focos, que determina la eficiencia con que opera la máquina, ser´ıa la diferencia entre la temperatura ´ ambiente y los 55◦ C del deposito de ACS. 1. ekimProVe: Sistema de aprovechamiento de energ´ıa solar mediante fachada ventilada fotovoltaica para calefacción y agua caliente sanitaria con unidad compacta de almacenamiento térmico latente. ´ Desarrollo e Ministerio de Econom´ıa y Competitividad, Programa Estatal de Investigacion, ´ Orientada a los Retos de la Sociedad, convocatoria 2015. ENE2015-71083-R. Innovacion. 13.

(14) ´ ´ CAPITULO 2. INTRODUCCION. 14. El proyecto ekimProVe estudia el efecto que tendr´ıa reducir esta diferencia de temperaturas sobre el consumo de bombas instaladas en edificios con fachada ventilada fotovoltaica. Para ello, va a analizar el efecto de instalar los evaporadores en la parte superior del edificio, en contacto con el aire que asciende por la cámara entre la fachada ventilada y la pared. Este aire llega tras haber refrigerado las placas fotovoltaicas de la fachada, y por tanto esta a mayor temperatura que el aire ambiente. La estrategia del proyecto por tanto tiene tres ventajas: Las bombas de calor operar´ıan con mayor eficiencia puesto que las ´ temperaturas de los focos están más proximas de lo que estar´ıan con los evaporadores situados al aire ambiente. La fachada fotovoltaica genera electricidad que puede cubrir parte del consumo de la bomba de calor. El rendimiento de los paneles fotovoltaicos disminuye al aumentar su temperatura, lo que ocurre naturalmente al funcionar bajo la in´ por el aire de la fachada cidencia del sol. Por tanto, la refrigeracion ventilada incrementar´ıa su rendimiento. ´ los estudios realizados dentro del proyecto ekimProVe, la temSegun peratura del aire proveniente de la fachada ventilada, que constituir´ıa el foco fr´ıo, puede encontrarse entre los 20 y los 45◦ C. Se trata de un rango de temperaturas fuera de lo usual (en esas condiciones ambiente lo normal ser´ıa el uso de máquinas de aire acondicionado) por lo que los datos de prestaciones ofrecidos por el fabricante (en particular SCOP [11]) no ser´ıan ´ 2 . No se dispone por tanto de ningun ´ parámetro que permita de aplicacion evaluar el comportamiento de las bombas de calor funcionando en las condiciones del proyecto, y es necesario estimarlo, l´ınea de trabajo en la que se incluye el presente trabajo. Existen varias alternativas para calcular la eficiencia de una bomba de calor. En principio puede procederse de dos modos: o bien simulando el proceso termodinámico que realiza, o bien midiendo directamente potencias eléctrica y calor´ıfica en un equipo semejante al que pudiera emplearse en un edificio. Como se ha mencionado, para este trabajo se dispone de una bomba de calor instalada en un laboratorio. Se trata de un equipo estándar comercial que podr´ıa representar el necesario para abastecer de ACS a una vivienda media. El equipo original está parcialmente instrumentado, de forma 2. Además, el parámetro SCOP no es instantáneo sino un promedio temporal calculado de acuerdo a una metodolog´ıa que tiene en cuenta factores de uso y temperaturas medias que no permiten conocer el comportamiento real de la máquina..

(15) 15 ´ de algunas de sus variables interque se puede monitorizar la evolucion nas durante el funcionamiento. No están disponibles todas las variables que ser´ıan necesarias para definir perfectamente el ciclo, lo que planteará algunas dificultades en el desarrollo del trabajo, como se desarrollará más adelante. ´ puede emplearse para validar modelos termodinámiEsta instalacion cos de la máquina, l´ınea en la que el equipo de trabajo hab´ıa avanzado previamente a este trabajo, o para llevar a cabo series de ensayos que permitan medir eficiencias y potencias en diferentes condiciones de funcionamiento. Este trabajo se centra en esta segunda v´ıa. El presente trabajo analiza los datos de una serie de ensayos realizados con la bomba de calor descrita, y ha obtenido valores de potencia y eficien´ Para ello, ha sido necesario cia para un rango de condiciones de operacion. ´ y acondicionamiento de medirealizar ciertas tareas de instrumentacion ´ das, desarrollo de utiles de ensayo espec´ıficos, ensayos de prueba, análisis ´ de datos y finalmente modelizacion.. ´ del TFG Figura 2.1: Diagrama del marco de investigacion.

(16) 16. ´ ´ CAPITULO 2. INTRODUCCION.

(17) Cap´ıtulo 3. Preparacion ´ del banco de ensayos En el siguiente diagrama (figura 3.1) se muestra qué pasos se han se´ de un procedimiento experimental controlado guido para la construccion y reproducible para el análisis del funcionamiento de la máquina.. ´ del banco de ensayos Figura 3.1: Preparacion. ´ de este Se puede observar en el diagrama 3.1 que para la realizacion ´ de un banco de ensayos (1) para fijar unas TFG fue necesaria la preparacion condiciones de contorno estables y obtener as´ı unos datos fiables y reproducibles. ´ se dividio´ el trabajo en tres tareas (2, 3 y 4) se Para dicha preparacion 17.

(18) ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. 18. ´ fue utilizada para analizaron unos estudios previos (2), cuya informacion realizar un correcto ajuste de los sensores (3), y para finalmente determinar las condiciones de contorno de interés para este TFG (4).. 3.1.. Descripcion ´ del equipo. El presente TFG se basa en el estudio de una bomba de calor de Daikin, ´ modelo EKHHP300AA2V3, que funciona calentando un deposito de agua caliente sanitaria (ACS) de 300 litros de capacidad. La bomba funciona siguiendo un ciclo de Rankine inverso (Figura 3.4). Es decir, trabaja entre un foco fr´ıo (aire ambiental) y un foco caliente (agua ´ del deposito). Además del ciclo de Rankine inverso, si se necesita calentar agua de manera más rápida, la bomba cuenta con el apoyo de una resistencia eléctrica. ´ de la bomba Pero para el presente TFG el estudio se limito´ a la utilizacion en el modo Eco, que se limita a trabajar con el ciclo de Rankine. Para ello el fluido de trabajo de la bomba es el gas R410A [3, 8, 9], un ´ en aire acondicionado que presenta un ´ındice de GWP1 gas de uso comun similar a su predecesor el R-22 pero cuyo su valor de ODP2 es 0 frente a ˜ otros gases que s´ı tienen aunque sea en valores pequenos. Dicho fluido de trabajo pasa por un circuito cerrado que consta de las siguientes partes (ver ´ se puede entender Figura 3.4). Observando el diagrama de la instalacion ´ mejor donde esta situada cada parte (ver figura 3.6). ´ y la temperatura Un compresor que se encarga de elevar la presion del fluido de trabajo. El intercambio de calor entre el ACS y el fluido de trabajo hace las veces de condensador, y as´ı es como se calienta el ACS. ´ que enfr´ıa el fluido de trabajo por debajo Una válvula de expansion de la temperatura ambiente. Un evaporador, que obtiene calor del ambiente para dársela al fluido de trabajo mediante un ventilador. ´ la tabla de especificaciones de la bomba (ver tabla 3.1), Además, segun ´ sabemos todas sus caracter´ısticas de operacion. ´ El deposito de ACS tiene una capacidad de 300 litros y actuará como foco caliente en el ciclo de la bomba de calor. Las entradas y salidas de agua ´ el esquema del ocurren por la parte superior del mismo, aunque segun 1. Es una medida relativa de cuánto calor puede ser atrapado por un gas de efecto inver´ con el gas de referencia CO2 nadero en comparacion 2 ´ de ozono en comparacion ´ con el Es una medida relativa del potencial de destruccion gas de referencia CFC-11..

(19) ´ DEL EQUIPO 3.1. DESCRIPCION. 19. ´ Conexiones con el deposito de ACS. ´ el tunel ´ Vista trasera de la bomba de aire. Se situa para la entrada ´ constante del aire en dicha parte trasera. Detrás de la rea seccion jilla negra de la imagen se encuentra el serpent´ın del evaporador.. ´ Figura 3.2: Imágenes del equipo, bomba de calor junto al deposito de ACS..

(20) 20. ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. ´ Figura 3.3: Diagrama del funcionamiento de la instalacion. Figura 3.4: Ciclo de funcionamiento de la bomba. ´ manual de uso, la tuber´ıa de agua entrante termina en el fondo del deposito y la de salida se encuentra en la parte superior como se puede ver en la ¨ del laboratorio figura 3.6. Ambas se conectan con un grifo y un desague.

(21) ´ DE LA MAQUINA ´ 3.2. OPERACION ´ Fuente de alimentacion Refrigerante Peso neto Fusible PS HIGH/LOW Corriente nominal (max) GWP /tCO2eq. 21 230 V 50 Hz R410A / 1.05 kg 35 kg 10 A 4.17 / 2.50 MPa 8.0 A 2087.5 / 2.20. Tabla 3.1: Caracter´ısticas de la Bomba de Calor, de la tabla de especificaciones del equipo.. respectivamente.. 3.2.. Operacion ´ de la máquina. Para poder realizar experimentos con el equipo lo primero fue estudiar y comprender cada parte del mismo, as´ı como cuál era su principio de funcionamiento y el método utilizado para recopilar datos de los ensayos. ´ 3.1 y una vez ha quedado claro el modo Como se indico´ en la seccion de funcionamiento de la bomba y de los sensores se analizaron los estudios previos (ver [1] y [2] ). ´ para comprenEn dichos estudios se realiza una primera aproximacion ´ der el funcionamiento de la máquina. En dichos estudios unicamente se analizo´ el funcionamiento de la bomba cada vez que la temperatura del ´ deposito disminu´ıa de manera natural, sin salida ni entrada de ACS. Se detectaron en dichos estudios dos modos de funcionamiento diferenciados y dos transitorios, uno en el arranque y otro de menor longitud al cambiar de un modo a otro de funcionamiento. ´ de este trabajo (ver figuras Como se observará durante la realizacion 4.6 y 4.3) el criterio para localizar el cambio de modo de funcionamiento Func será uno diferente al utilizado en los estudios previos que se basan en diferencias de temperatura. El motivo principal reside en el hecho de que ´ 3.3.1. el sensor de intensidad se reubico´ como se indicará en la seccion Hay que destacar que en dichos estudios se pretend´ıa enfocar el estudio de la máquina desde un punto de vista termodinámico estudiando el funcionamiento del fluido de trabajo y basado en un modelo por componentes ´ 5.1). Pero como se indicará en la seccion ´ 3.3.2, los sensores de (ver seccion ´ al inicio y durante toda la realizacion ´ de este TFG no estuvieron presion instrumentados por lo que este TFG se enfocará en construir un modelo E/S (ver 5.2)..

(22) 22. ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. Figura 3.5: Gráfica análisis estudios previos. [1]. 3.3.. Sensores. ´ La bomba y el deposito se monitorizan con sensores de la marca Hobo (ver figura 3.6). Todos ellos están conectados con un puerto emisor. Como se puede observar hay varios puntos de entrada libres a los emisores que ´ que por motivos técnicos no corresponder´ıan con los sensores de presion están instrumentados. ´ Estos puertos, cuya nomenclatura es data logger seguido del numero ´ asociado al puerto correspondiente se encargarán de enviar la informacion a un receptor conectado al ordenador v´ıa inalámbrica. Las variables se muestrean una vez por minuto, los datos son enviados ´ periodicamente al receptor conectado con el ordenador, donde se pueden gestionar los valores recibidos con el software HOBO node manager (ver ˜ figura 3.7). La interfaz viene acompanada de una herramienta muy potente que permite generar para un determinado intervalo de tiempo, desde d´ıas hasta meses, las gráficas de valor de los sensores que se seleccionen (ver figura 3.8), además presenta otra caracter´ıstica fundamental y es que permite exportar los datos de la plataforma de HOBO hacia Excel de manera automática. ´ no se pierde, En caso de corte de suministro eléctrico la informacion puesto que los sensores seguir´ıan registrando los valores en los nodos emisores, y los enviarán cuando el suministro se restablezca y tanto el ordenador como el receptor estén disponibles..

(23) 3.3. SENSORES. 23. ´ de los sensores Figura 3.6: Conexion. ´ de los sensores HOBO Figura 3.7: Interfaz de gestion. 3.3.1.. Medida de la potencia consumida. Los estudios previos se hab´ıan realizado con el sensor de intensidad colocado a la entrada del compresor con el objetivo de medir la potencia instantánea consumida. Se parte de un compresor trifásico con variador de frecuencia. Asumiendo un reparto homogéneo de la carga, se necesi´ tar´ıa completar esta medida al menos con la de la diferencia de tension entre fases y cos φ, variables que fue imposible medir. Como consecuencia, la medida de la intensidad resulto´ inservible..

(24) ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. 24. Figura 3.8: Interfaz para visualizar los datos HOBO. Se decidio´ ubicar en otro punto el sensor en concreto a la entrada de la bomba de calor, con el objetivo de monitorizar el consumo total de la ´ que permitiese conocer qué magnimisma. No se dispon´ıa de informacion tud exactamente indicaba el sensor, por lo que se comparo´ con un sensor ´ 3 situado en la toma de red (pared). patron. ´ (pared) Figura 3.9: Imagen del sensor patron. ´ [5] ofrec´ıa mediciones de: Este sensor patron Potencia consumida 3. Es un contador de consumo eléctrico, modelo GT-PM-04, de Globaltronics.

(25) 3.3. SENSORES. 25. Intensidad ´ Tension cos(φ) Se situo´ por lo tanto un sensor en paralelo en la toma de corriente de la pared. Dado que el sensor de pared no hab´ıa forma de conectarlo con el ordenador para registrar sus datos instantáneos, se procedio´ a realizar un estudio mediante la toma manual de los datos del sensor. Si comparamos los gráficos de las figuras 3.10 y 3.11 de dichos ensayos, los valores obtenidos mediante el sensor de la máquina frente a los valores tomados manualmente discrepan en valor, aunque se observa una tendencia similar ´ de ambos. en la evolucion. Figura 3.10: Comparativa de intensidades, ensayo 1. Figura 3.11: Comparativa de intensidades, ensayo 2 Pero en los ensayos que se hicieron se observo´ en el sensor de pared que el cos(φ) variaba a lo largo del funcionamiento de la máquina, as´ı que para.

(26) 26. ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. ´ se realizo´ también su recopilacion ´ poder analizar también esta variacion manual, as´ı como la de la potencia. Se pudo comprobar gracias a los saltos que se observan en las gráficas, ´ entre los saltos de las intensias´ı como en el cos(φ), que existe una relacion ´ entre los 3 dades y del cos(φ), por lo que se procedio´ a buscar una relacion valores. ´ Tras realizar un análisis de los datos se encontro´ la ecuacion: Imaquina = Ipared ∗ cos(φ). (3.1). Y la diferencia en la igualdad no superaba los 0,01 A como se puede ver en las figuras 3.12 y 3.13, salvo en el final del Ensayo 2 que coincide con un menor salto del cos(φ) como se ve en la figura 3.11. A pesar de ello, se asumio´ que era una diferencia aceptable para poder obtener la potencia instantánea de la máquina sin necesidad de observar el ´ sensor de potencia en sensor de la pared. Ya que no hab´ıa instalado ningun la bomba.. ´ la ecuacion ´ 3.1, ensayo 1 Figura 3.12: Diferencia de intensidades segun Por lo tanto, tras hacer esta comparativa y dado que en los ensayos recopilados del sensor de la pared también se hab´ıan tomado las medidas ´ de que la W le´ıda en el de potencia. Se realizo´ la pertinente comprobacion ´ la la ecuacion ´ sensor de la pared se correspond´ıa con la W calculada segun : W = I ∗ cos(φ) ∗ V (3.2) ´ 3.1 la intensidad medida en el senY como se menciona en la ecuacion ´ 3.2 con el término de la sor de la máquina se corresponde en la ecuacion intensidad por el cos(φ).

(27) 3.3. SENSORES. 27. ´ la ecuacion ´ 3.1, ensayo 2 Figura 3.13: Diferencia de intensidades segun. Por lo tanto y como se muestra en las Figuras 3.14 y 3.15 la diferencia ´ y la calculada oscila en el ensayo 1 entre entre la potencia le´ıda en el patron 25 y 10 w y en el ensayo 2 entre 30 y 10 w que son valores inferiores al 5 % ´ entre ambos. de desviacion. ´ la ecuacion ´ 3.2, Figura 3.14: Diferencia de potenc´ıas le´ıda y calculada segun ensayo 1 ´ de utilizar las lecturas de la intenEn consecuencia se tomo´ la decision sidad del sensor a la entrada de la bomba. Y utilizando dicha intensidad junto con el voltaje de la red (230 V), considerado constante, se tienen también las lecturas de la potencia..

(28) ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. 28. ´ la ecuacion ´ 3.2, Figura 3.15: Diferencia de potencias le´ıda y calculada segun ensayo 1. 3.3.2.. Otros sensores. Además de las lecturas de potencia hay que destacar otros sensores sobre los que hay que tener en cuenta algunas consideraciones: Uno de los sensores que se considero´ importante era el de la entrada del flujo de aire. Dado que la bomba recoge aire del ambiente, se ´ ´ de aire con dos objetivos. decidio´ instalar un tunel de aspiracion • Evitar interferencias en la lectura de la temperatura de entrada del laboratorio debidas a que el aire que enfr´ıa la bomba se expulsa sobre una pared situada a 1 metro y medio de la misma, y en caso de rebotar podr´ıa influir en la lectura una temperatura inferior a la real en el sensor de la máquina. • Conseguir un flujo de entrada constante desde un punto en reposo más centrado en el laboratorio4 . El sensor de temperatura T4 se encontraba durante los ensayos registrando valores considerados inválidos por estudios anteriores por lo que no tiene cabida en los análisis a lo largo de este documento. ´ a los cuales ya se hace referencia en la Los dos sensores de presion ´ 3.3 y se explicará en detalle en la seccion ´ 5.1 los problemas seccion ´ que presentaron y su influencia que tuvieron en de instrumentacion ´ del tipo de modelo, pero en definitiva no se pudieron utila eleccion ´ de este TFG ya que no se encontraban lizar durante la realizacion correctamente instrumentados. 4. Se verá en el punto 3.4.2 que tuvo sus inconvenientes que hubo que corregir..

(29) 3.4. CONTROL DE LAS CONDICIONES DE ENSAYO. 29. ´ La máquina funciona en el rango de temperaturas del deposito que se consigne, siendo su arranque automático cuando el sensor de tem´ peratura interno del deposito alcanza el valor de referencia marcado. Aunque la temperatura m´ınima de arranque no puede superar los ´ viene en el manual de la bomba [3]. 45o C segun ´ El sensor que ten´ıamos en el deposito, T7 , se coloco´ desde fuera y aun˜ Hay que destacar, que su distancia respecto al sensor T7 ∗5 era pequena. como se verá en el cap´ıtulo 4, que hab´ıa una diferencia entre lo que marca nuestro sensor cuando arranca la máquina y el supuesto valor consigna ´ 45o C para el arranque. Esta diferencia se deb´ıa a una diferencia de posicion ´ ˜ gradiente de temperatudentro del deposito y por lo tanto a un pequeno ra entre el punto del sensor interno de la máquina y nuestro sensor. En el arranque en reposo nuestro sensor T7 se encontraba entorno a 44,627o C en todos los ensayos realizados por lo que se considerará dicha temperatura como aproximadamente la de partida en los ensayos no forzados.. 3.4.. Control de las condiciones de ensayo. Una vez ajustados todos los sensores de la máquina, y realizadas cier´ tas hipotesis sobre las aproximaciones pertinentes respecto a los valores registrados por los sensores, se procedio´ a configurar unas condiciones de ensayo determinadas, que fueran reproducibles para dar validez a los resultados. Para ello se desarrollo´ un protocolo de ensayos, mediante el cual todos los ensayos ten´ıan que estar dentro de dicho protocolo para ser considerados válidos. Habiendo, dentro de dicho protocolo, dos variantes de ensayos válidos: Ensayo con arranque forzado. Ensayo con arranque no forzado.. 3.4.1.. Control del momento de encendido. El objetivo del experimento era estudiar el funcionamiento de la máquina entre T7 ∈(45,55)o C, pero si el ensayo no se forzaba se realizaba uno cada ´ 3 d´ıas ya que el deposito está muy bien aislado. Con el objeto de aumentar la frecuencia de los ensayos se procedio´ a realizar vaciados hasta 45o C, ´ cuidando de que el ensayo empezara sin que la temperatura del deposito (debido a la inercia térmica del llenado con agua fr´ıa) bajara a 42o C. Durante las primeras pruebas el grifo de entrada de agua se abr´ıa hasta que 5 El sensor T7 ∗ se corresponde con el sensor interno del sistema, y es independiente de nuestro sensor T7.

(30) 30. ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. el sensor de la máquina marcaba 45o C, pero la bomba no consegu´ıa estabi´ lizar el agua del deposito hasta que esta alcanzaba los 42o C, lo que no era adecuado y requirio´ mejorar el procedimiento. Se procedio´ a realizar una serie de vaciados forzados desde diferentes temperaturas de T7 ∈(45,55)o C con un caudal determinado y siempre constante para conseguir el arranque forzado de la máquina controlando su du´ Dichos ensayos se consideran válidos si la T7 no bajaba de 44,5o C. El racion. tiempo que se puede ver en la Tabla 3.2 es el correspondiente al tiempo de apertura del caudal, pero la temperatura de arranque de la máquina tarda más tiempo en alcanzarse hasta que los gradientes de temperatura se esta´ bilizan en el interior del deposito, solo que con esta tabla nos aseguramos ´ que la inercia térmica no haga bajar la temperatura del deposito por debajo de 44,5o C, lo que supondr´ıa un ensayo nulo. Temperatura de apertura 56o C 55o C 54o C 53o C 52o C 51o C 50o C 49o C 48o C 47o C. Tiempo de apertura 8 Minutos 7 Minutos 45 Segundos 7 Minutos 30 Segundos 7 Minutos 6 Minutos 30 Segundos 6 Minutos 5 Minutos 40 Segundos 5 Minutos 4 Minutos 2 Minutos 30 Segundos. ´ ´ de la temperatura Tabla 3.2: Tiempos de apertura del deposito en funcion. ´ de todos los ensayos forzados de Esta tabla se utilizo´ en la realizacion los cuales se hablará en el cap´ıtulo 4 Se recomienda, si otra persona pretende reproducir estos ensayos, reducir en 20 segundos el tiempo de apertura de agua entrante, aunque la máquina pueda tardar en arrancar más tiempo, con el objeto de asegurarse que el ensayo se considera válido y no se baja del umbral de 44,5o C de T7. 3.4.2.. Temperatura del foco fr´ıo. ´ de contorno, y habernos aseguAdemás de haber fijado esa condicion rado un flujo entrante constante como se explico´ en 3.3.2. No era suficiente ´ de con asegurarse un flujo de aire entrante constante mediante una seccion entrada de aire controlada. También era necesario controlar la temperatura del laboratorio. Con el objeto de realizar los ensayos a una temperatura constante que oscilará en-.

(31) 3.5. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO. 31. tre 22,5o C y 27o C. Con dicho objetivo se utilizo´ la bomba de aire que climatiza el laboratorio con una temperatura consigna de 26o C. Figura 3.16: Todas las T5 de todos los ensayos Pero este procedimiento resulto´ no ser satisfactorio (ver figura 3.16), ´ del lapuesto que al entrar en funcionamiento la bomba de climatizacion boratorio, el sensor de temperatura ambiente T5 , sub´ıa incluso hasta 32o C. Este suceso se deb´ıa a que el aire caliente de dicha bomba incid´ıa directa´ mente sobre la bomba objeto de estudio y más en concreto dentro del tunel ´ de entrada de aire fuese instalado al lado de la bomba para que la seccion ´ de calor directamente constante. Por lo que se provocaba una acumulacion ´ dentro del tunel de entrada de aire. Para subsanar dicho defecto, se instalo´ un deflector acoplado al techo ´ contraria a la bomba que solo permit´ıa enviar aire caliente en direccion ´ no fue del todo satisfactoria en la objeto de estudio. Si bien esta solucion totalidad de los ensayos, se dio por buena. Pues como se verá en el cap´ıtulo 4 en determinadas situaciones influ´ıa ligeramente en las condiciones de los ensayos.. 3.5.. Procedimiento de ensayo. ´ descrita anteEl procedimiento de ensayo en base a toda la informacion rior dentro del cap´ıtulo 3 se fundamenta en la necesidad de poder controlar las condiciones de contorno de los ensayos, as´ı como su reproducibilidad. Se decidio´ realizar dos tipos de ensayos diferentes, una serie de ensayos se har´ıan forzando el arranque de la máquina y la otra serie de ensayos se ´ natural. realizar´ıa dejando la temperatura T7 con su evolucion ´ de que el agua del Los ensayos forzados han de cumplir la condicion ´ ´ el sensor de la máquina. deposito no baje de 44,5o C segun.

(32) 32. ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. ´ del laboratorio Figura 3.17: Deflector en la bomba de climatizacion Los ensayos no forzados arrancarán todos a la temperatura de 44,627o C que es el que marcará nuestro sensor cuando el sensor interno de la ´ 3.3.2 máquina marque 45o C como se indico´ en la seccion En segundo lugar hab´ıa que fijar la temperatura del laboratorio para que estuviera en el rango de estudio deseado. Los ensayos se realizaron entre finales de octubre y finales de noviembre, por lo que debido a las ´ del condiciones climáticas externas era necesario emplear la climatizacion laboratorio. ´ Por ultimo para que los ensayos fueran válidos, ten´ıa que estar instalado el deflector en la bomba de calor para minimizar las interferencias si este se encontraba funcionando durante el experimento. Y acoplada a la ´ ´ constante entrada de aire de la bomba el tunel para controlar una seccion de entrada de aire. Por lo tanto el procedimiento de ensayo es el siguiente: Paso 1. Comprobar las condiciones del ensayo. ´ del ensayo es comprobar las El primer paso para la realizacion condiciones del laboratorio, puesto que de no cumplirse con todas ellas, el ensayo no podrá ser considerado válido. Para ello hay que comprobar:.

(33) 3.5. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO. 33. ´ del conducto que garantiza un a) Verificar la correcta instalacion ´ 3.4.2) flujo de aire constante a la entrada (ver seccion ´ del deflector en el techo, b) Comprobar la correcta colocacion puesto que, si se produce un arranque del climatizador del laboratorio durante el ensayo, este ser´ıa considerado nulo si ´ 3.4.2) no hay deflector. (ver seccion ´ a la toma de corriente c) Verificar la conexion d) Verificar la apertura de las mangueras de entrada y salida de ´ agua del deposito. Paso 2. Verificar el correcto funcionamiento de los sensores. Para no realizar un ensayo considerado nulo, por el mal funcionamiento en alguno de los sensores hay que realizar una comproba´ rutinaria del buen funcionamiento de los sensores: cion a) Verificar que todos los nodos emisores estén conectados. Di´ se realiza comprobando que la luz verde esté cha verificacion intermitente en los ledes indicadores de estado (ver figura 3.6) b) Verificar en la interfaz (ver figura 3.7) de HOBO que no hay ´ valor anomalo ´ ningun en las medidas que muestran los sensores c) Durante el arranque del ensayo comprobar que aquellos sensores, cuyo valor es nulo mientras la máquina esta apagada, ´ comiencen a registrar valores no anomalos Paso 3. Elegir el tipo de ensayo a realizar; forzado o no forzado. Como exist´ıan dos tipos de ensayo teniendo en cuenta si el arranque era forzando T7 mediante llenado con agua fr´ıa o dejando a ´ natural por enfriamiento del la temperatura seguir su evolucion ´ deposito. Hay que tener las siguientes consideraciones si el ensayo es forzado: ´ Paso 3.1. Realizar la apertura de vaciado/llenado del deposito. Al realizar la apertura de las válvulas hay que verificar ´ que la entrada y la salida del deposito se encuentren abier¨ tas y conectadas a sus correspondientes grifos o desagues. Además hay que comprobar que el caudal de apertura se corresponde con el utilizado para realizar todos los ensayos anteriores. Paso 3.2. Cierre de válvula de vaciado/llenado. Siguiendo la tabla 3.2 asegurarse de no sobrepasar el tiempo de apertura que en ella se indica, o de lo contrario si.

(34) ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION. 34. la T7 disminuye por debajo de 44,5o C el ensayo se considerará nulo. ´ de los datos obtenidos. Paso 4. Recopilacion El registro de los valores captados por los sensores se realiza en HOBO, por lo que hay que migrar dichos datos a EXCEL que será ´ de nuestro modelo. donde se realizará la modelizacion Para lo cual habrá que seguir los siguientes pasos: a) Utilizando la interfaz de HOBO a EXCEL (ver figura 3.7) que a su vez utiliza la herramienta HOBO wire pro (ver figura 3.8) se pueden exportar los datos directamente de HOBO a EXCEL. b) Los datos exportados incluyen gran cantidad de valores irrelevantes correspondientes a cuando la máquina está apagada y también per´ıodos de funcionamiento que no cumplen las condiciones del ensayo 6 . Será necesario eliminar todos esos datos, dejando solo 10 valores antes y después de los ensayos7 . Paso 5. Análisis de datos. El análisis de los datos consiste en calcular una serie de valores ´ del sistema y que posteriormente se utilizarán para la construccion ´ de que el sistema simula unos resultados parepara la verificacion cidos a los propios datos experimentales. Por lo que en el análisis de datos se busca obtener: ´ del ensayo en minutos a) Obtener la duracion b) Obtener la T5 media a la que ocurre el ensayo c) Obtener la energ´ıa consumida durante Func1, Func2 y todo el ciclo de funcionamiento de la máquina ´ de ecuacion ´ 5.5 d) Calcular la ε en funcion ´ clasificacion ´ y descarte de los ensayos. Paso 6. Validacion, Utilizando los datos del análisis anteriormente descrito se procede a comprobar que el ensayo se encuentra dentro del rango de validez: ´ de la duracion ´ del ensayo a) Verificacion 6. Aperturas prolongadas de la puerta del laboratorio u otras perturbaciones que puedan invalidar el ensayo 7 Se considera iniciado el ensayo cuando el valor del sensor del caudal de aire (ver figura 3.6) es distinto de cero.

(35) 3.5. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO. 35. ´ de que la evolucion ´ de T5 no presente anomal´ıas b) Verificacion c) Comprobar si existen dos o tres modos de Func ´ del ensayo segun ´ los criterios: d) Clasificacion 1) Forzado, no forzado 2) T5 se puede considerar constante/no constante ´ dato anomalo ´ e) Si el ensayo presenta algun en alguno de los sensores o su comportamiento no es el esperado en el comportamiento general, analizar y registrar el fallo y descartar el ensayo..

(36) 36. ´ DEL BANCO DE ENSAYOS ´ CAPITULO 3. PREPARACION.

(37) Cap´ıtulo 4. Análisis de los datos obtenidos ´ En el siguiente diagrama se puede observar cuál ha sido la evolucion del análisis de todos los ensayos obtenidos bajo unas condiciones de contorno válidas. Puesto que hasta que se fijaron unas condiciones de contorno ´ 3.4 hubo que realizar una serie determinadas como se indica en la seccion de ensayos considerados pruebas de ajuste del procedimiento experimental y no se incluyen al no ser considerados válidos.. Figura 4.1: Diagrama del análisis de los datos experimentales. 37.

(38) 38. 4.1.. ´ ´ CAPITULO 4. ANALISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS. Recopilacion ´ de todos los ensayos realizados. Como se observa en la Figura 4.1 La primera etapa en el análisis de los datos, fue escoger y clasificar todos aquellos ensayos considerados válidos. ´ 3.5 se siguieron dos caminos para la Como ya se indico´ en la Seccion ´ de ensayos, con el objetivo de obtener mayor variabilidad de realizacion ´ de partida para modelizar la bomba. resultados y tener mayor informacion Por lo tanto, de todos los ensayos realizados, se recopilaron todos aque´ 3.5 para ser llos ensayos que cumplen con las indicaciones de la seccion considerados válidos. En la figura 4.2 se recogen todos los ensayos realizados siguiendo los dos procedimientos. Como se puede observar parece que hay dos patrones de funcionamiento dado que se han realizado ensayos con dos variables en ´ del el arranque. Lo primero fue realizar un análisis de los datos en funcion modo de inicio del ensayo.. Figura 4.2: Intensidades. Todos los ensayos Empezando por los ensayos forzados, como se puede ver en las figuras 4.3, 4.4 y 4.5 se pueden observar varias caracter´ısticas de los ensayos que se pondrán en contraste con los ensayos no forzados más adelante. En primer lugar se puede observar que la intensidad en todos los ensayos forzados presenta 3 zonas diferenciadas, con un transitorio de arranque y dos transitorios intermedios. Si tenemos en cuenta que en los estudios previos de los que se habla en ´ 3.3 se mencionaban dos modos de funcionamiento de la bomba: la Seccion Func1y Func2, y en este caso existen 3 modos de funcionamiento parece que ´ previa disponible. los datos no coinciden con la informacion Además, si observamos la gráfica de la intensidad y la comparamos ´ de la temperatura del deposito ´ con la evolucion podemos observar que es prácticamente constante en el aparente primer y nuevo modo de funcio-.

(39) ´ DE TODOS LOS ENSAYOS REALIZADOS 4.1. RECOPILACION. 39. namiento respecto a los dos que exist´ıan en los estudios previos y al cual llamaremos Func0. Figura 4.3: Intensidades, Ensayos Forzados. Figura 4.4: Temperatura entrada aire (T5), Ensayos Forzados ´ es necesario comparar Pero para poner en contexto dicha informacion las figuras anteriores con las correspondientes a los ensayos no forzados (ver figura 4.6, realizados con las mismas condiciones del laboratorio que los anteriores. En ellos se puede observar que la intensidad presenta a diferencia de en la figura 4.3 solo un transitorio de arranque y uno intermedio entre lo que ser´ıan los modos de funcionamiento Func1y Func2 que s´ı se corresponder´ıan con los estudios previos. Pero como en los estudios previos los ensayos se realizaron con arranque no forzado igual que en este apartado, tiene sentido que en estos ensayos los datos se ajusten a los estudios previos..

(40) 40. ´ ´ CAPITULO 4. ANALISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS. ´ Figura 4.5: Temperatura del deposito (T7), Ensayos Forzados. Figura 4.6: Intensidades, Ensayos no Forzados ´ Además podemos observar que la temperatura del deposito, T7 , en este ensayo comienza a aumentar más deprisa, puesto que durante los ensa´ yos forzados el tiempo en el que la temperatura del deposito permanec´ıa constante se correspond´ıa con la llamada Func0 de la que no hab´ıa registros previos. Una vez se han estudiado por separado ambas series de ensayos, se observa un comportamiento diferente entre unos ensayos y otros dentro de cada serie. Se puede observar que hay algunos experimentos en los cuales la temperatura del laboratorio, T5 permanece prácticamente constante, y otros en los que la temperatura var´ıa dentro del rango aceptable del ensayo. Pero ´ durante el ensayo se debe a que la bomba del laboratorio esesta variacion ´ taba en funcionamiento y tendrá su importancia como se verá en la Seccion 4.4. ´ de los ensayos Para concluir, hay que indicar que el tiempo de duracion que no fueron forzados para su arranque, tardan menos tiempo en aumen-.

(41) 4.2. DESCARTE DE LOS ENSAYOS FORZADOS. 41. Figura 4.7: Temperatura entrada aire (T5), Ensayos no Forzados. ´ Figura 4.8: Temperatura del deposito (T7), Ensayos no Forzados ´ tar la temperatura del deposito desde 45o C a 55o C. Lo cual influirá a la hora ´ sobre el tratamiento de todos los ensayos recopilade tomar una decision ´ en la Seccion ´ 4.2. dos como se verá a continuacion. 4.2.. Descarte de los ensayos forzados. El modelo que se pretende construir debido a lo que se indico´ sobre ´ en la Seccion ´ 3.3, hizo que este TFG se enfocara en los sensores de presion conseguir un modelo de funcionamiento de la bomba de calor basado en un sistema entrada/salida, donde las entradas serán T5 y T7 , y las salidas ˙ y ε. Para lo cual, se estudio´ en profundidad el consumo de energ´ıa serán W de la bomba para calentar agua en el rango desde 45o C hasta los 55o C para.

(42) 42. ´ ´ CAPITULO 4. ANALISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS. ´ el equipo dado. una temperatura de la sala donde se situe ´ del Pero como se observa en las figuras 4.3 y 4.6 parece que en funcion tipo de ensayo realizado el comportamiento de la máquina es completa´ de mente diferente. Después de analizar los datos, se llego´ a la conclusion ´ que en los ensayos forzados, a pesar de que la temperatura del deposito no o baja de 44,5 C, podr´ıamos pensar que no ha habido un vaciado brusco, la realidad es otra. Lo que ocurre en dichos ensayos es que la máquina comienza a funcionar cuando el sensor interno de la misma alcanza la temperatura de 45o C. ´ Pero esto no quiere decir que esa sea la temperatura de todo el deposito. Ya que al llenarlo para bajar artificialmente la temperatura de una manera más rápida que la pérdida de calor natural del mismo, se han producido ´ diferencias de temperatura internas a lo largo de la altura del deposito de agua. ´ En el funcionamiento de la máquina, la temperatura del deposito no era homogénea en todo su volumen y presentaba gradientes internos de temperatura. Por lo que el nuevo modo de funcionamiento del que no se hablaba en los estudios previos, Func0 es un nuevo modo durante el cual ´ se mantiene la temperatura del deposito mientras se produce la homoge´ de la misma. Posteriormente la máquina cambia de modo de funnizacion ´ cionamiento cuando la temperatura del deposito se estabiliza y comienza el calentamiento normal correspondiente a Func1. Por esto y por todo lo anteriormente expuesto, se decidio´ descartar los ensayos forzados, ya que para este nuevo modo de funcionamiento y a falta de más datos no se puede asegurar que las condiciones del ensayo para un modelo E/S sean reproducirles debido a la inercia térmica distinta ´ de funcionamiento de Func0. de cada vaciado y el correspondiente patron ´ del modelo fue el estudio Por lo que el camino a seguir para la construccion ´ exhaustivo de los ensayos no forzados como se verá en la siguiente seccion 4.3.. 4.3.. Análisis exhaustivo de los ensayos no forzados. ´ de un modelo basado en E/S se contaba con 5 enPara la construccion sayos válidos sin forzado de arranque de la máquina. Por una parte tenemos que todos los ensayos no son similares puesto que hay algunos con temperatura del laboratorio, T5 , variable y otros con la temperatura casi constante. ´ de los enAdemás como se puede observar en la figura 4.6 la duracion sayos, cuya temperatura ambiente iba en aumento duraban menos que los que fueron realizados a temperatura constante, lo cual tiene sentido puesto que la eficiencia de una bomba mejora cuanto menor es la diferencia temperatura entre el foco fr´ıo y el foco caliente..

(43) 4.4. DESCARTE ENSAYOS CON Ta LABORATORIO VARIABLE. 43. Como se puede ver en las siguientes tablas 8.1 y 8.2 donde se han recopilado todos los ensayos no forzados, con aproximaciones de la tempera´ tura del deposito en intervalos de 0,5o C y de la temperatura ambiente en intervalos 0,2o C, se ve claramente la divergencia de los datos en dos ramas (3). Una que permanece constante en el intervalo 22,6 a 24,4o C de la temperatura ambiente, y otra rama que comienza en el mismo lugar pero se va desplazando hacia temperaturas crecientes de la temperatura ambiente (ver figura 4.9. Si comparamos dicha tendencia en las tablas con la figura 4.7, podemos observar que la rama para la T5 creciente ser´ıa la correspondiente a los ensayos con la temperatura del laboratorio variable. Mientras que la rama que permanece prácticamente horizontal respecto a la T5 , se corresponder´ıa con los ensayos con la temperatura del laboratorio prácticamente constante. Los ensayos considerados no forzados, como ya se indico´ al iniciar este cap´ıtulo 4, presentan dos modos de funcionamiento y dos transitorios, por ˙ (T5 ,T7 ) polo que si observamos la tabla correspondiente a la potencia W ´ demos observar como llegados a un determinado punto en ambas ramas, hay un salto de más de 100W entre una columna de T7 y la siguiente de la ´ tabla. Pero si nos fijamos donde ocurre dicho salto podemos observar que en los ensayos con la temperatura del laboratorio ascendente se adelanta el cambio de funcionamiento. Además, si nos fijamos en la tabla de la eficiencia, en ambas ramas los valores son diferentes lo cual, tiene sentido puesto que cuanto menor es la diferencia entre la temperatura del foco fr´ıo y la del foco caliente la eficiencia de la bomba frigor´ıfica aumenta. Motivo por el cual los ensayos ´ y motivo por el correspondientes a la T5 en aumento reducen su duracion cual la máquina cambia el modo de funcionamiento para una columna T7 más baja que en la otra rama.. 4.4.. Descarte de los ensayos con Ta laboratorio variable. ´ expuesta anteriormente, era perfectamente poPor toda la informacion sible haber realizado un modelo con las tablas anteriores. Pero exist´ıan varios problemas que hubieran amplificado las ineficiencias y fallos del mo´ se decidio´ delo. Por lo que, en base a lo que se expondrá a continuacion, descartar los ensayos con la temperatura del laboratorio en aumento: En primer lugar, dado que el momento de comienzo de Func2 cambia en unos ensayos respecto a los otros como se ve en la l´ınea (2) roja de la figura 4.9 de la tabla de potencias, se volv´ıa complicado analizar ´ como un unico modelo los 5 ensayos ya que las condiciones del ensayo aunque eran similares, la temperatura 5 en unos variaba y en otros.

(44) ´ ´ CAPITULO 4. ANALISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS. 44 no.. ´ influ´ıa en los puntos de En segundo lugar, dado que esta variacion ´ de los datos como se ve en los datos marcados partida y finalizacion con las l´ıneas naranjas (3), que muestra las dos tendencias distintas en la figura 4.9 correspondientes a los ensayos con temperatura ambiente variable y casi constante, generaba cierta incertidumbre sobre la continuidad de los datos. En tercer lugar, como se puede ver en los c´ırculos azules (1), hay de´ como para que en caso de intermasiados puntos sin informacion polar los datos en esas zonas no se genere una incertidumbre en la validez de los resultados. Por todo ello, se decidio´ realizar el modelo E/S basándose solo en los datos correspondientes a los ensayos no forzados, con la temperatura del ´ en la seccion ´ 4.5 laboratorio constante como se explica a continuacion. Figura 4.9: Esquema de la tabla 8.2. Tabla de potencias. 4.5.. Justificacion ´ del uso de los ensayos restantes para la construccion ´ del modelo. ´ se escogieron Como ya se ha dicho anteriormente para la modelizacion los ensayos basados en un arranque de la máquina no forzado. Con una temperatura del laboratorio lo menos variable posible..

(45) ´ DEL MODELO 4.5. ENSAYOS RESTANTES, CONSTRUCCION. 45. ´ son varios: Los motivos de esta eleccion Todos los estudios previos se hab´ıan realizado en unas condiciones de ´ de laboratorio similares. Es cierto que sin realizar una monitorizacion la temperatura ambiente, ni tomando precauciones respecto a la sec´ del flujo de entrada de aire. Pero hab´ıa más informacion ´ previa cion de este tipo de ensayos. Los datos obtenidos con estos ensayos, presentan una mayor homo´ geneidad y continuidad, con un menor numero de variabilidad o in´ del ensayo. certidumbres durante la duracion Se prefirio´ empezar a realizar el modelo partiendo de un rango de datos más reducido con el objetivo de que el modelo funcione para posteriormente pensar en futuras ampliaciones. ´ del En el siguiente cap´ıtulo se hablará en profundidad de la construccion modelo con estos ensayos, de las otras opciones existentes y de las futuras ampliaciones o mejoras que pueden realizarse sobre el modelo que se presenta en el presente TFG..

(46) 46. ´ ´ CAPITULO 4. ANALISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS.

(47) Cap´ıtulo 5. Modelizacion ´ ´ se muestra en primer lugar cuál hubiera sido la alternaEn esta seccion tiva al modelo finalmente planteado. Posteriormente se explicará cuál ha sido el procedimiento matemático ´ recopilada durante para construir un modelo E/S a partir de la informacion ´ de los estudios previos. los ensayos, y partiendo de la informacion ´ de los datos que se obtienen del modelo, y si Se realizará la validacion dichos datos tienen sentido o deben ser considerados no válidos. ´ ´ 5.4 se hablará de cuál es el rango de validez del En la ultima seccion modelo y de cuáles hubieran sido otras posibles maneras de construir este modelo.. 5.1.. Modelizacion ´ por componentes. Este tipo de modelo consiste en simular el comportamiento de las dife´ (ver figura 5.2). Utilizando de manera conrentes partes de la instalacion ´ ser´ıa posible determinar el consumo de potencia junta dicha informacion ˙ y la potencia calor´ıfica Qc , que son la base para la estimacion ´ de la efiW ciencia y el consumo. Los elementos a tener en cuenta en dicho modelo ser´ıan: 1. El ciclo (R) termodinámico de Rankine inverso (ver figura 3.4 ) cuyo consumo es el del compresor (C). 2. El ventilador del evaporador (V). ´ 3. La electronica de control de la bomba (E). ´ (T1−7 ) Se conocen todas las medidas de temperatura de la instalacion ´ del ciclo (P3 y P2 ) que pero es necesario conocer los dos valores de presion 47.

(48) 48. ´ ´ CAPITULO 5. MODELIZACION. ´ del modelo Figura 5.1: Diagrama del método de construccion.

(49) 5.2. MODELIZADO E/S. 49. no están instrumentados, Estos valores, junto con el rendimiento del compresor, permiten determinar termodinámicamente el consumo. Por tanto la ´ del ciclo (R) no se puede realizar. modelizacion En estudios previos [1] y en base a lo consultado al fabricante se ha es´ entorno al 85 % del total. El timado que el consumo del compresor se situa consumo de los otros dos elementos V+E se situar´ıa en aproximadamente el 15 %. También se realizaron simulaciones del ciclo y del ventilador asumien´ do algunas hipotesis respecto al funcionamiento de la máquina que permitieron estimar P2 y P3 , y que confirman este orden de magnitud.. 5.2.. Modelizado E/S. Esta estrategia consiste en relacionar los valores de unas variables del sistema seleccionadas como entradas con los valores de otras variables se´ a leccionadas como salidas, extrayendo reglas del análisis de su evolucion lo largo de las series de ensayos, sin atender al funcionamiento f´ısico de los componentes. Las variables de entrada serán la temperatura ambiente, T5 , o tempera´ tura del foco fr´ıo, Tf . Y la temperatura del agua del deposito, T7 o temperatura del foco caliente, Tc . Dichas variables se relacionarán matemáticamente con las las variables ˙ . de salida buscadas que son la eficiencia, ε , y la potencia, W ´ de este modelo basado en las dos variables Se eligio´ la construccion anteriormente fijadas, con el objetivo de estimar cuál será el consumo de la máquina as´ı como la eficiencia de la misma, con el objetivo final de calcular ´ el consumo total de energ´ıa de la instalacion.. 5.2.1.. Proceso de cálculo. Para plantear el modelo hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones: ´ tendrá simplificaciones respecto a la realidad, tanto en 1. La simulacion los transitorios como en la manera de evolucionar con el tiempo. 2. Para poder suprimir los transitorios se tendrá que suponer un comportamiento del sistema más simplificado respecto a la realidad. ´ de parámetros que permitan su conver3. Será necesario la estimacion ´ de valores instantáneos a valores continuos en el tiempo. sion ´ del modelo se utilizarán datos experimentales, 4. Para la construccion promediados y adaptados al rango de validez con valores intermedios dentro de dichas matrices de datos interpolados..

(50) ´ ´ CAPITULO 5. MODELIZACION. 50. Figura 5.2: Diagrama de funcionamiento del modelo ´ los puntos anteriores, lo que se pretende es Teniendo en consideracion obtener los valores de consumo de energ´ıa por parte de la máquina durante un ciclo de calentamiento en base a las variables de entrada T5 y T7 . ´ que presentará el modelo será considerar que La primera simplificacion ´ de T5 permanece constante durante todo el ensayo. Por lo que en funcion ´ de T7 . T5 y T7 habr´ıa que conocer la evolucion ´ se puede observar el proceso de cálculo que se Para dicha construccion ha seguido en la figura 5.2. En ella se puede observar que las variables de entrada son T5 y T7 y ˙ (T5 ,T7 ) y (T5 ,T7 ) cuya construccion ´ con ellas se entrará en unas matrices W ´ en la seccion ´ 5.2.3 y de dichas matrices se exse explicará a continuacion ˙ i y i . traerán los valores instantáneos de W Con dichos valores y utilizando el parámetro Cc que representa la ca´ ´ se explicará en la seccion ´ pacidad calor´ıfica del deposito y cuya obtencion ´ 5.1. 5.2.4 se podrá obtener el valor de Ti 7 mediante la ecuacion Una vez se obtiene el valor de T(i+1)7 , con dicho valor se procede a la ´ en la que las variables de entrada son ahora la T7 recién siguiente iteracion calculada y la T5 (constante). ˙ ∗ ε ∗ 60)/Cc ) T(i+1)7 = Ti7 + ((W. (5.1). ´ temporal del Mientras se va construyendo la gráfica de la evolucion ´ (ver ecuaparámetro T7 Est estimado. En paralelo se utilizará otra ecuacion ´ 5.2) para calcular la potencia estimada utilizando también las matrices, cion ˙ (T5 ,T7 ). en este caso interpolando directamente en la matriz W ˙ =W ˙i+ W. T7 − Ti7 ˙ (i+1) − W ˙ i) ∗ (W T(i+1)7 − Ti7. (5.2). Por lo que se construirán paralelamente dos gráficas de salida. Y se ´ de la evolucion ´ de T7 as´ı como la gráfica del consumo tendrá la prevision ˙ Est . W.

(51) 5.2. MODELIZADO E/S. 5.2.2.. 51. ˙ (T5 , T7 ) Cálculo de ε (T5 , T7 )y W. Es necesario justificar como se realizo´ el cálculo de ε puesto que es una de las variables fundamentales. Se han realizado las siguientes simplificaciones para el calculo de esta variable: Se ha supuesto que la densidad del aire permanece constante y su valor es (ρ = 1,174 kg/m3 )1 ´ de entrada de aire es (A=0,135262 m2 )2 El a´ rea de la seccion La Cp del aire se ha supuesto constante durante todo el ensayo con un valor de 1007 J/kg3 Como los valores del caudal de aire muestran solo un valor cada 60 segundos el flujo másico habrá que estimarlo para todo el ensayo y se supondrá constante en el tiempo. ´ Por lo que para estimar ε se utilizaron las siguientes formulas m ˙ = Q ∗ A ∗ ρa. (5.3). Para calcular el flujo másico se supuso constante la densidad del aire y se realizo´ el cálculo para el promedio del caudal de aire de todo el ensayo. Q˙ c = Cp ∗ m ˙ ∗ (T5 − T6 ). (5.4). ´ se estimo´ el calor que se extrae al aire, y por lo tanto A continuacion, que se destina a evaporar el fluido de trabajo en el evaporador. Este cálculo se realizo´ en cada punto del ensayo ˙ Q˙ c + W (5.5) ˙ W ˙ 4 se podrán construir las tablas. Se obtiene la eficiencia y junto con la W ε=. 5.2.3.. ˙ (T5 ,T7 ) y (T5 ,T7 ) Construccion ´ de las matrices W. ´ de la T7 en funcion ´ de los valores El primer paso para la construccion ´ de dos matrices que nos dieran un de entrada de T5 y T7 fue la construccion valor estimado de W y E para todos los pares de valores (T5 ,T7 ) del rango de validez del modelo. 1. Se decidio´ utilizar el valor de la densidad del aire como una constante correspondiente a su valor interpolado a 27,5o C y 1 atm 2 Se ha realizado la medida directamente sobre la máquina. 3 Se ha utilizado el valor del calor espec´ıfico como constante a 27,5o C y 1 atm 4 ˙ se realiza directamente de los datos obtenidos por los sensores ´ de la W La obtencion.

(52) ´ ´ CAPITULO 5. MODELIZACION. 52. ´ Para dicho proposito se partio´ de los valores de potencia y eficiencia de ´ de la matriz, como se menciona los ensayos utilizados para la construccion ´ 4.5, y con dichos valores se construye una matriz similar a las en la seccion ´ tablas del anexo 8.1 y 8.2 pero con un numero reducido de datos. ´ del resto de Como las matrices no estaban completas, para la obtencion ´ de una interpolacion ´ en base a los datos datos fue necesaria la realizacion existentes. En primer lugar y dado que no estaba claro cuál de las dos interpolaciones era mas ventajosa, se decidio´ probar a realizar interpolaciones a T5 y T7 constantes (ver figura 5.3).. ´ sobre la tabla de eficiencias de partida Figura 5.3: Interpolacion ´ a T7 constante, por lo que con Y resulto´ más consistente la interpolacion ´ los valores de los ensayos de la tablas 8.3 y 8.4 se decidio´ la construccion del resto de la tabla interpolando como se puede ver en la figura 5.4 para cada columna a T7 constante. Pero para ciertas columnas de las matrices tanto de potencia como de ´ a T7 constante no era adecuada, o por falta de eficiencia, la interpolacion datos o por prácticamente falta de variabilidad en toda la columna. En dichos casos, y una vez se hubo completado la tabla, se procedio´ a interpolar en horizontal en base a los valores considerados válidos. ´ Con todo ello se consiguio´ obtener unas matrices de valores en funcion ´ de la de T5 y T7 con las que poder implementar un modelo en funcion ´ de los valores iniciales y la evolucion ´ del propio modelo. evolucion ˙ (T5 ,T7 ) y (T5 ,T7 ) En el anexo de tablas se pueden observar las tablas de W obtenidas de manera experimental (ver tabla 8.4 y 8.3) como aquellas obtenidas después de realizar todas las interpolaciones necesarias (ver tablas 8.5 y 8.6).. 5.2.4.. Estimacion ´ del parametro Cc. ´ Cc representa la capacidad calor´ıfica del deposito por lo que deber´ıa permanecer más o menos constante. Sin embargo, comparando a lo largo.

(53) 5.2. MODELIZADO E/S. 53. Figura 5.4: Esquema de la tabla 8.2. Tabla de potencias. ´ del ensayo el valor var´ıa debido al efecto termoclino del deposito. Además Cc permite integrar valores instantáneos de potencia y eficien˙ (T5 ,T7 ) y (T5 ,T7 ) en el tiempo, segun ´ la exprecia dados por las matrices W ´ 5.1. sion ´ de utilizar dos valores de Cc correspondientes a los Se tomo´ la decision dos modos de funcionamiento de la máquina Func1y Func2. ´ Se simplifico´ su cálculo utilizando la siguiente ecuacion: Cc = Qc / 4 T7. (5.6). En primer lugar se realizo´ dicho cálculo para todo el calor aportado durante Func1 y durante Func2 y se dividio´ en ambos casos por la 4 T7 correspondiente a dicho intervalo. Y se comparo´ la media de los promedios de ambos resultados en todos los ensayos utilizados. También se realizo´ el intento de calcular un parámetro Cc que dividiera ´ total de temperatura 4 T7 del toda la energ´ıa aportada entre la variacion todo el ensayo. Como el resultado entre el parámetro global y los Cc de cada Func fue dispar y a su vez el resultado para cada modo de funcionamiento fue dispar entre modos de funcionamiento. Se decidio´ que en el modelo aparecerán dos valores de Cc , cada uno constante dentro de su modo de funcionamiento..

(54) 54. 5.3.. ´ ´ CAPITULO 5. MODELIZACION. Validacion ´ del modelo E/S. ´ del modelo desarrollado es necesario realizar una Para la validacion comparativa entre las gráficas resultantes de los ensayos reales, frente a las gráficas simuladas por el modelo. Como se puede ver en la figura 5.5 ambas curvas de potencias se parecen en gran medida. Pero si comparamos este modelo con los ensayos reales, podemos observar que existen dos zonas diferentes a la realidad respecto a lo que muestra el modelo.. Figura 5.5: Esquema de la tabla 8.2. Tabla de potencias ´ de El motivo de estas discrepancias es en primer lugar (1) la decision eliminar el transitorio que existe en el ensayo real y suponer que el modelo ´ se recoge empieza a funcionar desde un arranque lineal. Esta simplificacion ´ 5.2.1. en las enumeradas en la seccion En segundo lugar (2) se decidio´ alargar un poco el transitorio entre Func1y Func2 ya que no hab´ıa manera de saber exactamente el punto de arranque del cambio entre Func1y Func2. Para ello se decidio´ adelantar un ´ (adelantando el comienpoco el transitorio, y alargar un poco su duracion zo de Func2) para evitar realizar un salto muy brusco entre los modos de funcionamiento. Como se puede observar en la figura 5.5 existen dos zonas diferenciadas entre la curva de un ensayo real y el modelo simulado partiendo de.