6. dimensionamiento instalaciones de...

Estado del Arte de la Producción de Frío a partir de Energía Solar

Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 150

6. DIMENSIONAMIENTO INSTALACIONES DE

REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN.

6.1. Introducción.

Cuando las primeras plantas de absorción aparecieron en el mercado la tecnología electrónica estaba en sus albores, para su control y regulación se utilizaron dispositivos neumáticos de forma generalizada. Con estos controles, aún ejerciendo correctamente su función, la hermeticidad de la máquina se hacía mayor, si cabe, para los operadores, y era laboriosa y complicada la interpretación del comportamiento de una máquina en unas condiciones de estado determinadas.

Hoy en día estas dificultades de acceso e interpretación se han eliminado prácticamente, y es mucho más sencillo e inmediato analizar el comportamiento de un equipo en unas condiciones dadas. Este gran avance se debe, fundamentalmente al desarrollo y perfeccionamiento de las aplicaciones de la microelectrónica al control y gestión de la maquinaria en general, que también se ha hecho patente en las máquinas frigoríficas en los últimos años.

La aplicación de dispositivos de control basados en microprocesadores, permite la utilización de todo tipo de sensores de temperatura, presión y concentración, y la utilización de lógicas de control que: por una parte ponen al alcance de los operadores, de manera inmediata, una información importantísima e imprescindible para el manejo de la máquina, cuya obtención era como mínimo, muy laboriosa con los controles utilizados anteriormente; y por otra facilitan un funcionamiento más estable y seguro de las máquinas.

En materia de seguridad y estabilidad de funcionamiento, los nuevos criterios que se aplican al diseño y la disponibilidad de tecnologías más potentes, han aportado grandes mejoras. Así por ejemplo, se ha conseguido que los procesos de entrada en carga, puesta en régimen y parada de las máquinas, se desarrollen de manera equilibrada y sin riesgo de que se produzcan fenómenos perturbadores. La “temible” cristalización, causa de la mayoría de las incidencias y paradas de equipos de absorción con ciclos Bromuro de Litio/Agua en el pasado, es hoy en día, un fenómeno perfectamente controlable, y puede prevenirse sin demasiada dificultad mediante controladores de nivel y de concentración y válvulas automáticas.

La presencia de inconfensables en el interior de la máquina, indeseable por el efecto negativo que ejerce sobre la producción frigorífica, es hoy fácilmente combatible mediante el empleo de sistemas automáticos de purga de elevadísima eficiencia.

Finalmente, la adaptación de la producción a la demanda energética en cada aplicación se efectúa en las máquinas de última generación con gran efectividad, mediante procesadores de acción P.I.D. y convertidores de frecuencia para el accionamiento de los motores de las bombas, con los que se consiguen mejoras sustanciales de la eficiencia de los ciclos y de los coeficientes de operación (C.O.P.) de los equipos.



Desde el punto de vista de resistencia mecánica también se han conseguido mejoras importantes. La utilización de aceros aleados de alta resistencia en la fabricación de las envolventes permite una construcción más ligera, y el empleo de tubos de materiales inoxidables o de alta resistencia a la corrosión, como el cuproniquel, en la fabricación de los haces tubulares de los intercambiadores de calor, facilita mejores rendimientos en la transmisión de calor al tiempo que alarga la vida útil de las máquinas.

El conjunto de mejoras accesibles, gracias a la utilización de nuevas tecnologías, junto con las ventajas que los ciclos de absorción ofrecen en lo relativo al aprovechamiento de energías residuales y renovables su baja influencia en el deterioro del Medio Ambiente, en comparación con otros sistemas de refrigeración, hacen que la Refrigeración por Absorción sea hoy considerada como opción interesante para la solución de problemas de refrigeración en procesos industriales y de climatización, para los que solo unos años atrás era descartada. 6.2. Componentes de las instalaciones de refrigeración solar.

Los principales componentes de los sistemas de refrigeración solar basados en máquinas de absorción/adsorción son los siguientes:

- Captadores solares.

- Acumulación de calor.

- Máquina de absorción o adsorción.

- Torre de enfriamiento.

- Equipo de apoyo (caldera o enfriadora compresión).

- Acumulación de frío.

- Auxiliar.



Figura 87. Esquema de principio para planta de refrigeración solar.

6.3. Planteamientos de diseño. El diseño de sistemas de refrigeración solar térmica sobre todo implica: • La selección del equipo adecuado de refrigeración de accionado térmico para el sistema elegido de aire acondicionado; • La selección del tipo adecuado de captadores solares para el sistema aire acondicionado elegido y el equipo de refrigeración de accionado térmico; • El dimensionado del campo del captador solar y otros componentes del sistema térmico solar con respecto al coste y rendimiento energético.

Para un estudio teórico de prestaciones de una instalación, las variables utilizadas para caracterizar el funcionamiento del sistema son las siguientes: - Datos brutos: • incidencia solar anual sobre la superfície de los captadores solares (potencial del recurso); • producción solar anual bruta (ahorros de energía, ahorros económicos y en emisiones de CO2); • consumo de agua (impacto medioambiental, gastos de explotación);



• consumo de electricidad (impacto medioambiental, gastos de explotación); - Ratios: • rendimiento de la instalación (producción de energía solar / recursos); este ratio permite comparar los sistemas solares entre ellos; • fracción solar, o tasa de cobertura solar (producción solar / demanda); este ratio permite dimensionar y comparar las energías renovables entre ellas; • “COP eléctrico” (producción solar / consumo eléctrico); este valor permite comparar sistemas de aire acondicionado solar con la instalación de bombas de calor. - Otros criterios de dimensionado son: • para los componentes:

○ su disponibilidad en el mercado; ○ sus características nominales adaptadas a las necesidades del proyecto; ○ su relación calidad / precio; ○ sus prestaciones energéticas: bajo consumo de energía primaria.

• para el sistema:

○ La adecuación demanda / producción (fracción solar) y no sobredimensionado; ○ Las buenas prestaciones energéticas globales.

Después de la fase de predimensionado, la fase de optimización del

sistema puede perseguir los siguientes objetivos: • disminución de los costes de funcionamiento:

○ consumo eléctrico; ○ consumo de agua;

• aumento del rendimiento:

○ global: limitar las posibles averías, mejorar la regulación y control; ○ por componente: comunicación con los fabricantes con el objeto de mejorar / adaptar sus productos.



6.4. Criterios de diseño.

6.4.1. Descripción general. Los principales criterios a seguir en el diseño de instalaciones de climatización a partir de energía solar son los siguientes: ● Maximizar el ahorro energético global de la instalación en combinación con el resto de equipos térmicos del edificio: Minimizar el coste del calor y frío solar. ● Optimizar el rendimiento anual del sistema en su conjunto. ● Prioridad al combustible solar: conexión entre el sistema solar y el sistema de apoyo convencional, de tal manera que el sistema solar siempre trabaje a la temperatura más baja posible. ● Criterios técnicos más importantes: - Maximizar el producto COP absorción * Rendimiento solar anual.

- Buscar aplicaciones con recuperación del calor a disipar de la máquina de absorción.

● Garantía de confort al usuario con una durabilidad y calidad suficientes. ● Garantizar el uso seguro de la instalación.

El cálculo de cualquier instalación de plantas frigoríficas de absorción debe efectuarse, como en cualquier otro tipo de instalación, con el rigor necesario para que se consigan las prestaciones esperadas una vez la instalación se encuentre en servicio.

La determinación de la potencia a instalar en absorción debe realizarse siempre a partir de los valores de demanda máxima a los que los equipos se van a ver sometidos en las condiciones de diseño.

El rendimiento de la máquina de absorción se evalúa directamente por la calidad y la cantidad de energía aportada a su concentrador, así como por la variación de los niveles energéticos de los fluidos circulantes por su evaporador y absorbedor-condensador. Esto quiere decir que el proyectista debe poner un especial cuidado en verificar que se cumple la ecuación de equilibrio del sistema en cualquier condición, pero sobre todo en la de carga máxima. En toda máquina de absorción se debe cumplir la siguiente ecuación de equilibrio térmico:

Hg+He=Ha+Hc



En la que: Hg: Calor aportado al concentrador. He: Calor aportado al evaporador. Ha: Calor cedido en el absorbedor Hc: Calor cedido en el condensador.

Si los caudales de agua, o vapor, en circulación por los distintos intercambiadores, difieren de los de proyectos en las condiciones reales de una instalación dada, o bien las temperaturas de los fluidos son distintas de las definidas, el ciclo frigorífico de la máquina se autoequilibrará, en la medida de sus posibilidades, modificando los saltos térmicos y las condiciones de trabajo del equipo, para tratar de conseguir que se igualen los términos de la ecuación anterior.

Esto, lógicamente llevará a la máquina a funcionar en unas condiciones que se parecerán poco a aquellas para las que fue proyectada. Y que será muy difícil corregir una vez la instalación en servicio.

Por ello, es muy importante que el diseñador de la instalación se asegure previamente de que las condiciones de cálculo van a ser realmente alcanzables, cuando la instalación se ejecute. Deberá verificar principalmente los siguientes factores para las condiciones de diseño a plena carga: - Caudal real de energía disponible a aportar al concentrador; gasto de vapor a la presión de diseño, o caudal de agua caliente a la temperatura máxima alcanzable para el dimensionamiento de la planta enfriadora. - Caudal de agua nominal en el evaporador y temperaturas de entrada y salida de agua. - Caudal de agua nominal a través del absorbedor y condensador y temperaturas máxima y mínima alcanzables en la torre de recuperación. - Capacidad real de disipación de calor en la torre de recuperación, en las condiciones nominales de diseño, para los caudales y temperaturas anteriores.

A partir de estos parámetros se verificará que la ecuación de equilibrio se cumple.

6.4.2. Dimensionamiento del campo de captación solar. Los criterios básicos que se deben considerar en la selección de un captador solar son los siguientes: - Productividad energética: las ordenanzas solares no requieren un tamaño específico de la instalación solar sino un ahorro energético solar determinado.



- Coste de la instalación completa: incluyendo los captadores solares y la red de tuberías, intercambiadores, acumuladores, mano de obra, etc, requeridos para esos captadores. - Durabilidad y calidad: para producir el ahorro energético durante muchos años. - Posibilidades de integración arquitectónica: para un resultado estético y un aumento de valor del edificio. - Sencillez de mantenimiento: reduciendo los costes de operación. - Fabricación y reciclado no contaminante: protegiendo el medio ambiente. A continuación, se indican los principales determinantes de la productividad a largo plazo: - El tipo de acabado de los absorbentes del captador y sus propiedades ópticas de absorción solar y emisión térmica. - Las propiedades de transferencia de calor desde el absorbente al fluido de trabajo en función de su caudal de circulación: material del absorbente, tipo de soldadura con el conducto por el que circula el fluido, diámetros, espesores y distancias entre estos conductos. - Las propiedades ópticas y de resistencia mecánica de la cubierta del captador: cuanto mayor sea la transmisividad solar, mejor. - Las características térmicas e higroscópicas de los aislamientos, función del material y de su espesor. - La hermeticidad de las uniones entre la cubierta solar y el cofre, su capacidad de absorber impactos y la rigidez y estabilidad del cofre.

6.4.3. COP y temperatura agua de alimentación máquinas absorción.

El rendimiento de un equipo de absorción se determina a través del coeficiente de funcionamiento (COP), el cual se calcula a través de la relación entre la energía de interés por el usuario, ya sea calor o frío, y la energía requerida para el accionamiento del ciclo.

Comúnmente, el rendimiento a plena carga se evalúa a las condiciones estándares, aunque dicho rendimiento también puede ser obtenido en otras condiciones especiales, según se requiera.

Para la evaluación de las prestaciones a carga parcial, se pueden utilizar uno de los dos métodos indicados a continuación:



a) Mediante una serie de puntos a carga parcial. b) A través de un único valor (APLV) en el cual se promedia el rendimiento a carga parcial con el número de horas en funcionamiento a dicha potencia. En el caso de realizar una discretización de la carga en sólo cuatro puntos, este valor se calcularía como:

donde: A = COP al 100 % de la plena carga. B = COP al 75 % de la plena carga. C = COP al 50 % de la plena carga. D = COP al 25 % de la plena carga. a = % del tiempo de operación entre el 75 % y 100 %. b = % del tiempo de operación entre el 50 % y el 75 %. c = % del tiempo de operación entre 25 % y el 50 %. d = % del tiempo de operación entre 0 % y el 25 %.

En la Figura 116 se representa la variación del COP (relación entre la energía frigorífica producida y la energía aportada) de las máquinas de absorción Agua-BrLi con la temperatura alimentación, para diversas temperaturas del agua de refrigeración, procedente de la torre de refrigeración.

Figura 88. Variación COP (máquinas Agua-BrLi) vs. Temperatura de

Alimentación.



A continuación, se muestran unos valores de referencia para el diseño

del sistema de captación solar en instalaciones de absorción con energía solar.

Tabla 26.

Valores de referencia para el diseño del sistema de acumulación solar e inercia en instalaciones de absorción con energía solar.

Tabla 27.

6.4.4. Temperaturas de trabajo de las máquinas de

absorción.

El primer problema a resolver en una máquina de absorción de una instalación de refrigeración solar es determinar la temperatura de ebullición de la disolución en el generador, y el segundo, especificar el tipo de captador: convertidor de la radiación solar capaz de alcanzar dicha temperatura.

La temperatura de ebullición de la disolución en el generador depende de las temperaturas de evaporación y de condensación. Su cálculo en una operación continua necesita resolver el ciclo, lo que a su vez permite determinar la distribución de temperaturas y el flujo de calor en cada uno de los componentes.



A continuación, se expone el método que se utiliza para el cálculo de la temperatura de ebullición de la disolución en el generador de una máquina de absorción, aplicado al caso particular de la producción de frío para aire acondicionado.

En el caso concreto de una máquina de aire acondicionado con máquina de alimentación indirecta condensada por aire, la temperatura de la fuente de calor puede variar entre 80 ºC y 115 ºC. Para determinar la temperatura de la fuente es necesario primero determinar la temperatura de ebullición de la disolución. Ésta se obtiene a partir del diagrama de Duhring de las disoluciones: diagrama (p,t,x), presión , temperatura, concentración, de las disoluciones acuosas de bromuro de litio. En dicho diagrama se representan el ciclo de la disolución y el ciclo del refrigerante. En la Figura 117 se ha representado un ciclo definido por una temperatura de evaporación de 5º C y una temperatura de condensación – absorción de 38 ºC. En abscisas se tiene la temperatura de la disolución, en ordenadas la presión de vapor de la disolución. La concentración es un parámetro que varía entre el 0%, o sea refrigerante puro (agua), y el 70%. La temperatura de evaporación determina la presión de evaporación – absorción, denominada presión de baja, mientras que la temperatura de condensación fija la presión de ebullición - condensación, denominada presión de alta. En este caso, dichas isobaras adquieren un valor de 0,6 y 7 kPa, respectivamente.

Una vez establecidos los límites de presión, se determina el punto 5 (Figura 117), salida del absorbedor, por la intersección de la isobara de evaporación con la temperatura de la disolución en el absorbedor (38 ºC en abscisas). Así se obtiene la concentración de la disolución diluida (56,5%). Siguiendo la línea de trabajo de la bomba, que eleva la disolución diluida, se obtiene la temperatura inicial de ebullición (75 ºC) en la intersección con la isobara de alta. Si se aumentala temperatura de la disolución, la disolución hierve a presión constante, separando vapor de refrigerante y aumentando su concentración, hasta una concentración final que suele variar entre un 2% y un 6% superior a la concentración de la disolución diluida. La ebullición termina a la temperatura de 82 ºC, punto 8 de la Figura 117. La disolución hierve a temperatura variable, comenzando a la temperatura de 75 ºC y terminando cuando la temperatura es 82 ºC. A continuación, la disolución concentrada retorna hasta el absorbedor, siguiendo la línea de concentración constante, entrando en el absorbedor en la intersección de la isolinea de disolución concentrada con la isobara de baja. En ese punto absorbe el vapor procedente del evaporador, diluyéndose de nuevo y quedando preparada para otro ciclo. Este es el ciclo descrito por la disolución.

El ciclo descrito por el refrigerante se inicia en el punto donde comienza la ebullición. El vapor separado en la ebullición, punto 1, se transfiere al condensador, transformándose en agua líquida, isolinea de concentración 0%, punto 2, a continuación reduce su presión y temperatura en la válvula de expansión y pasa al evaporador, punto 3, donde hierve a baja presión, transformándose en vapor, punto 4, que es absorbido por la disolución en el absorbedor, dejando la disolución preparada para un nuevo ciclo.

La temperatura de la fuente de calor debe ser superior a la temperatura final de ebullición (t8). Sin entrar en detalles, basta con saber que es necesario sumar entre 8ºC y 12ºC a la temperatura final de ebullición para obtener la temperatura de salida de los colectores solares. El campo de colectores trabaja



con una temperatura de entrada igual a la temperatura final de ebullición de la disolución más un número de ºC que suele variar entre 5 ºC y 10 ºC. En este caso, por ejemplo, 82 ºC + 5 ºC = 87 ºC. La temperatura de salida de colectores podría ser 92 ºC.

Llegados a este punto surge el problema de especificar el captador- convertidor de la energía solar. Se sabe que los colectores planos de calidad pueden trabajar con buen rendimiento hasta temperaturas de 90 ºC y que a partir de estas temperaturas es mejor recurrir a otros colectores como los de tubos de vacío o de concentración ( baja o media). La temperatura de condensación de los sistemas frigoríficos que operan en el Centro y Sur de España pueden alcanzar los 38ºC.

Cuando la aplicación es de refrigeración o cuando la máquina es de doble efecto la fuente de calor puede variar entre 140 ºC y 180 ºC. En estos casos el calor se puede producir con colectores de concentración media. Es importante mencionar aquí los colectores planos de nueva generación, que en estos momentos se está desarrollando. Los colectores planos de vacío que pueden trabajar hasta una temperatura de 160 ºC, constituyen una nueva generación de captadores – convertidores muy prometedora que en el futuro, además de otras aplicaciones, permitirá desarrollar la tecnología de absorción de alto rendimiento alimentada por energía solar.

Figura 89. Diagrama Duhring de las disoluciones acuosas de bromuro de

litio (p, t, x).



● Temperatura de absorción-condensación.

La temperatura de ebullición depende de las temperaturas de condensación y de absorción. En un sistema condensado por agua, el calor de absorción y de condensación se eliminan en la torre de enfriamiento. La temperatura mínima del agua que se puede obtener en una torre de enfriamiento, supuesta ideal, es igual a la temperatura de bulbo húmedo del lugar. La temperatura de bulbo húmedo se puede obtener del diagrama psicrométrico en función de la temperatura de bulbo seco y de la humedad relativa.

El sistema de absorción-condensación es un circuito casi cerrado en el que se hace circular un caudal de agua entre la torre de enfriamiento y el condensador-absorbedor. El agua se calienta en el absorbedor y en el condensador y se enfría en la torre.

El cálculo exacto de la temperatura de absorción-condensación se puede obtener aplicando las leyes y principios de la transferencia de calor y de masa, pero su cálculo exacto se sale de los límites de este trabajo. Sin embargo, se puede obtener un valor lo suficientemente preciso operando de la siguiente forma:

Admitiendo un acercamiento de Ac ºC; un incremento de temperatura del agua de la torre al circular por el condensador y por el absorbedor de Δtc-a ºC y una diferencia de temperaturas entre el agua de torre y el fluido que condensa (refrigerante) en la salida del absorbedor-condensador de Δt ºC y teniendo en cuenta la hipótesis de que la temperatura de absorción es igual a la temperatura de condensación, y sabiendo que la condensación es un proceso físico a temperatura y presión constante, se puede obtener la temperatura de absorción-condensación mediante la ecuación:

Esta ecuación está representada gráficamente en la Figura 90.

Figura 90. Temperatura de condensación.



El incremento de temperatura que experimenta el fluido exterior al circular por el absorbedor y el condensador se puede obtener en función del calor de absorción-condensación:

6.5. Ecuaciones del modelado de una instalación de refrigeración solar por absorción. La instalación que se va a considerar como referencia para su modelado está constituida por los siguientes sistemas:

- Sistema de captación. - Sistema de acumulación. - Sistema de energía auxiliar. - Equipo de refrigeración. - Sistema de evacuación de calor. - Circuito hidráulico. - Sistema eléctrico y de control.

Figura 91. Esquema de la planta solar.



6.5.1. Sistema de captación.

Un colector solar puede ser modelado como un intercambiador de calor

que absorbe parte de la radiación solar calentando el agua que circula por él y sufriendo algunas perdidas térmicas.

Las ecuaciones que representar su comportamiento se pueden obtener mediante el siguiente balance de energía:

donde Tsc,m es la temperatura media del agua dentro del captador (ºC) , Tsc,i es la temperatura de entrada ,Tamb la temperatura ambiente (ºC) ,Ca la capacidad calorífica por unidad de superficie del colector (J/m2 ºC ), Cp la capacidad calorífica del agua (J/kg·ºC) ,U es el coeficiente de perdidas a la atmósfera (W/m2·ºC), IG la radiación solar en la superficie del colector (W/m2), AC el área del colector (m2) , UE el coeficiente de perdidas con el ambiente, F es el factor de eficiencia , msc el flujo de agua que circula por el captador(kg/s). La temperatura de salida del agua del colector, Tsc,o se obtiene asumiendo que la distribución de la temperatura el lineal.

La ecuación de funcionamiento en el caso de que no circulara agua por los captadores sería:

donde C

E es la constante de tiempo cuando la bomba B1 esta apagada.

6.5.2. Sistema de acumulación.

El sistema de acumulación de la planta está compuesto por dos depósitos que trabajan en paralelo. Se supone que ambos tienen el mismo comportamiento, no habiendo ninguna distinción entre ellos.

Por lo que se puede modelar todo el sistema como si estuviera compuesto por un solo depósito, cuyo caudal de entrada es la mitad del que entra en el sistema, y por lo tanto el de salida del sistema será el doble que el del depósito.

La planta solar va a funcionar de tal forma que el agua que entre en los acumuladores solo va a llegar de un sitio en un mismo momento. Es decir que en un momento cualquiera el agua que entra en los acumuladores, o viene de los captadores solares o de la máquina de absorción, pero no de los dos sitios a la vez.



El modelo de depósito es el proporcionado por TRNSYS para depósitos de acumulación estratificados. En él se supone que la temperatura se distribuirá de manera creciente desde abajo hacia arriba.

La evolución térmica de un depósito de acumulación de energía, sujeto a estratificación térmica, puede modelarse asumiendo que está compuesto por N (N ≤ 15) secciones volumétricas completamente mezcladas. El grado de estratificación viene dado por el valor de N. Si N = 1, el depositó se modela como un tanque completamente mezclado y no se produce un efecto de estratificación.

Figura 92. Depósito de acumulación estratificado.

El modelo evalúa las perdidas de cada nodo hacia el exterior, a través

del coeficiente de pérdidas (UAf). En este modelo se asume la hipótesis de que el flujo de fluido hacia arriba y hacia abajo desde cada nodo está completamente mezclado antes de entrar en cada segmento. Un balance de energía en el elemento

ith (despreciando las pérdidas) da:

La Figura 93 representa el depósito real instalado, con las entradas y salidas que posee. Por la entrada central se alimenta al depósito con agua caliente que proviene del sistema de captación solar. Mientras que por la salida central alimentamos a los campos de captadores con el agua acumulada en el depósito. Por la centrada inferior introducimos el agua fría procedente de la carga alimentada, generador de la máquina de absorción o circuito de climatización. El agua caliente suministrada a la carga calorífica es extraída del depósito de acumulación por la salida superior.



Figura 93. Flujos de entrada y salida del acumulador.

6.5.3. Sistema de energía auxiliar.

La caldera la instalación tiene la función de aportar energía al agua que alimenta al generador del equipo de absorción cuando la radiación solar es insuficiente.

Este modelo considera la evolución de dos temperaturas: la temperatura del gas (Tch) y la temperatura de salida del agua (Tgw,o):

donde Tgw,i es la temperatura de entrada del agua a la caldera, mgh el caudal de agua que circula por la caldera (kg/s), Ca es la capacidad calorífica del agua (W/ºC), Cg la capacidad calorífica del gas (W/ºC), Uaw, Ugw, Uwg, Uag son los coeficientes de transferencia de calor (W/ºC), y P es la potencia del quemador (W).

Finalmente en el caso de que la caldera estuviera pagada, las ecuaciones que definirían ambas temperaturas serían:



siendo C

E la constante de tiempo cuando la caldera esta apagada.

6.5.4. Máquina de absorción.

La maquina tiene 4 circuitos diferentes: evaporador, generador, condensador y absorbedor, donde tienen lugar los intercambios de energía para la producción de agua fría. Las variables críticas que influyen en el funcionamiento son: - Temperatura de condensación, que establece las presiones de condensación y generación.

- Temperatura de evaporación, la cual junto con la presión de condensación fijan la concentración con la que la solución abandona el generador.

- Temperatura de absorción, que junto con la presión de evaporación fijan la concentración de la solución a la entrada del generador. Las ecuaciones que describen su comportamiento son las siguientes.

siendo mg la masa de agua que fluye por el generador(kg/s), me el caudal que circula por el evaporador (kg/s), Tg,i la temperatura de entrada al generador (ºC), Tg,o su temperatura de salida (ºC), Te,o la temperatura de salida del evaporador (ºC), Te,i la temperatura de entrada a dicho evaporador (ºC), Cgm y Cem son las capacidades caloríficas del generador cuando la máquina esta encendida (W/ºC), Uagm y Uae son los coeficientes de perdidas térmicas, QG y QE son las potencias de intercambio del generador y evaporador respectivamente (W) y COPn .

La maquina de absorción se enciende solo si la temperatura de entrada al generador esta comprendida entre los valores del rango correspondiente; si



el agua que le llega no esta en ese intervalo de temperatura la maquina no arrancara siendo en este caso las ecuaciones:

donde Cgo y Ceo son las capacidades caloríficas del generador y evaporador cuando la maquina de absorción está apagada(W/ºC).

Si la planta esta en un modo de funcionamiento en el que la maquina de absorción no interviene, sus ecuaciones quedarían definidas de la siguiente forma:

6.5.5. Torre de refrigeración.

En una torre de refrigeración, el agua caliente que proviene de la

maquina de absorción está en contacto directo con una corriente de aire y enfriada como resultado de la transferencia de calor sensible debido a la diferencia de temperatura con el aire y a la transferencia de masa resultado de la evaporación de agua al aire. Las corrientes de aire y agua pueden configurarse a contracorriente o en flujo cruzado. La Figura 94 muestra una representación esquemática de una torre de flujo forzado en contracorriente. El aire ambiente es empujado hacia arriba a través de una corriente descendente de agua. La mayoría de las torres tienen un material de relleno que incrementa la superficie de contacto del agua con el aire.



Figura 94. Esquema de una torre de refrigeración.

Una de las simplificaciones a considerar es que en el modelo se extrae calor del agua, pero suponemos que el aire no sufre variación de su temperatura. La ecuación que define este intercambio es:

donde Twe es la temperatura del agua a la entrada de la torre (ºC), Twsal la temperatura del agua a la salida de la torre (ºC), �w el caudal de agua que recorre la torre(l/s), Cp la capacidad calorífica del agua y Qtransf el cual es el calor transferido al aire y viene dado por la siguiente ecuación:

donde B es un coeficiente para calibrar la temperatura de salida, E es la eficiencia de la torre, �a el caudal de aire que recorre la torre, hSWE la entalpía de aire saturado en condiciones de agua de entrada y hAE la entalpía aire húmeda de entrada.

6.5.6. Circuito hidráulico.

La interconexión de todos los sistemas citados se realiza con el correspondiente circuito hidráulico constituido por el trazado de tuberías, con recubrimiento aislante para los circuitos de frío y calor, bombas de circulación, vaso de expansión, sistemas de seguridad, llenado, purga, valvulería y accesorios. El dimensionado de los componentes del circuito hidráulico esta realizado para las condiciones nominales de trabajo del equipo de absorción:

Se han instalado las siguientes bombas de circulación del tipo en línea y con las condiciones de funcionamiento establecidas:



B1: Bomba de colectores. B3: Bomba de caldera. B4: Bomba de generador. B5: Bomba de evaporador. B6: Bomba de condensador. B7: Bomba de intercambiador carga.

Se dispone de un sistema de expansión, constituido por 2 vasos para mantener las condiciones de presión de los circuitos entre un valor de presión mínima y máxima.

6.5.7. Modelado en TRNSYS del equipo de absorción.

Los distintos subsistemas que forman parte de la instalación de

producción de frío mediante energía solar se pueden simular utilizando el programa TRNSYS.

La simulación permitirá analizar el comportamiento energético del sistema y contrastar la elección de los parámetros que caracterizan la instalación.

En TRNSYS, este modelo se basa en dos equipos de refrigeración comercialmente disponibles de absorción de bromuro de litio/agua; uno es el modelo de Arkla WF-36 y el otro es el modelo de Yazaki WFC-7. El equipo de refrigeración Arkla tiene una capacidad de enfriamiento nominal de 3 ton (37980 kJ/h) mientras, que el equipo de Yazaki tiene una capacidad nominal de 7,5 ton. Unidades más grandes o más pequeñas son aproximadas escalando el funcionamiento de dichas unidades según la capacidad suministrada por el usuario.

Este componente se puede utilizar en dos modos: control por energía o control por temperatura. En el control por energía se modela el equipo de absorción respondiendo inmediatamente a los cambios en las condiciones de funcionamiento. En control por temperatura, se consideran los transitorios producidos al entrar en funcionamiento el equipo de absorción y en la parada normal. El calor requerido por el generador se obtiene del agua caliente del circuito primario o de una caldera auxiliar incorporada en el modelo.



6.6. Instalaciones de refrigeración solar en edificios. Los principales casos para climatización solar vienen definidos en función de los equipos convencionales que se implanten: ● En edificios pequeños (en el entorno de los 1000 m2 útiles): Frío sólo con absorción. - Se acopla con una caldera para aportar el calor requerido para la carga de invierno (calefacción) y la de verano (refrigeración mediante máquina de absorción). - El dimensionado del campo de colectores no suele aportar (ni en las condiciones de máxima producción) el pico de calor requerido por la máquina de absorción, para evitar tener excesos de producción solar en temporadas de baja demanda tanto de calefacción como de refrigeración. - El tamaño de la acumulación solar suele ser pequeño, a no ser que el edificio no se utilice los fines de semana y se pretenda captar el calor solar para su utilización el lunes siguiente. - Dimensionado aproximado del campo solar:

Asolar = [Potencia demanda de frío / COP / Rendimiento Solar Pico] / 3 El campo solar no va a aportar nunca la potencia térmica que requiere la máquina de absorción. La cobertura solar anual será del orden del 60-70%.



Para edificios pequeños:

Figura 95. Climatización solar. Opción: frío sólo por absorción. ● En edificios grandes (por encima de los 5000m2 útiles): Frío Mixto. - Una parte de la demanda de frío con la máquina de absorción. - El grueso de la potencia frigorífica con equipos de compresión mecánica:

Pabsorción<Pdemanda de frío/3 - En el modo normal de operación la máquina de absorción sólo utilizará calor de origen solar. - Con enfriadora, el sistema solar apoyará a la caldera existente en el modo calefacción y trabajará en paralelo con la enfriadora aportando calor a la máquina de absorción. - Si el equipo de calefacción/refrigeración seleccionado es una bomba de calor reversible,

○ el sistema solar aportará calor al evaporador de la bomba de calor – si éste es accesible- en el modo calefacción o trabajará en paralelo si el evaporador no es accesible.

○ trabajará en paralelo con la bomba de calor en el modo refrigeración de la misma forma que se ha descrito para enfriadora.



- Dimensionado aproximado del campo solar:

Asolar = Potencia demanda de frío /COP/Rendimiento Solar Pico

El campo solar aportará la potencia térmica que requiere la máquina de

absorción La cobertura solar anual será del orden del 40-60%. - Acumulación solar pequeña, a no ser que el edificio no se use los fines de semana. Climatización solar con absorción y bomba de calor: operación en verano

Figura 96. Absorción sólo con solar, BC en paralelo.



Climatización solar y bomba de calor: operación en invierno.

Figura 97. Absorción en paralelo.

Figura 98. Opción en serie. Ventajas operación en serie: - Aumento COP medio bomba de calor. - Operación solar a temperaturas inferiores (mayor rendimiento). - Ahorro energético anual mucho mayor que la opción en paralelo si se corrigen las ineficiencias de la bomba de calor.



6.6.1. Ejemplos. A continuación, se muestran varios ejemplos de instalaciones de refrigeración solar:

a) Frío solar directo.

b) Frío y bomba de calor.



c) Instalación sólo climatización con disipación incorporada.

d) Instalación sólo climatización con disipación por aerotermo exterior.



e) Instalación climatización con doble disipación: aerotermo y pozo.

f) Instalación climatización con disipación en piscina o lago.



g) Instalación climatización con disipación por torre de refrigeración.

h) Instalación climatización con acumulación de frío y disipación en vaso de piscina.



6.7. Ejemplos de aplicación práctica de frío solar. A continuación, se analizan varios ejemplos de aplicación práctica de frío solar.

6.7.1. Diseño de la instalación de climatización solar de unas bodegas en Falset (Tarragona). ● Introducción.

El proyecto de las bodegas Mas Martinet en la localidad de Falset (Tarragona) muestra un sistema de climatización de las bodegas mediante energía solar, acoplada a una máquina de absorción para la producción de frío. Las condiciones requeridas oscilan entre los 15 y 18ºC a lo largo de todo el año. El sistema auxiliar se basa en una caldera de gas propano. Se utilizará parte del calor generado para producir calefacción y ACS en las oficinas del complejo y calefacción en la casa que existe en las proximidades de las bodegas y donde residen 6 personas.

Este proyecto destaca por la necesidad de instalar un sistema solar de refrigeración debido a que no existe suministro eléctrico. Por este motivo se realizó un diseño basado en algunos puntos clave como los que se mencionan a continuación:

- Se complementó la demanda de verano con una demanda en invierno, para sacar el máximo rendimiento de la instalación solar (calefacción en viviendas y oficinas). - Se diseñó acumulación solar y de la producción de frío, optimizando los volúmenes para obtener un funcionamiento adecuado a las oscilaciones de demanda y de producción solar. ● Demanda térmica.

La demanda térmica de refrigeración y de calefacción se ha determinado mediante simulación dinámica del comportamiento térmico del edificio, utilizando el software TRNSYS. Para ello se han introducido las condiciones climáticas correspondientes a un año tipo de Falset y las características interiores del edificio (características de los cerramientos, cargas internas, infiltraciones, etc.).



Figura 99. Demanda de refrigeración y calefacción en las bodegas Mas

Martinet según cálculos TRNSYS.

Para el agua caliente sanitaria se ha supuesto un consumo constante a lo largo de todo el año de 460 kWh/mes. ● Diseño del sistema solar.

Para la predicción del aporte energético del sistema solar se efectuó una simulación dinámica del conjunto del sistema, sobre la base de la distribución anual y diaria de la demanda de refrigeración y calefacción resultado de los cálculos descritos anteriormente, mediante el software TRNSYS.

Los colectores solares recomendados son colectores de concentrador parabólico compuesto (CPC). Se recomienda una inclinación de los colectores de 30º con orientación al sur. La superficie útil total de captación será de 61.8 m2.

El depósito de acumulación solar es un depósito de 1500 litros, junto con el de 3000 litros de acumulación de frío durante el invierno. Es preciso que soporte temperaturas máximas de trabajo de 140ºC. Se acoplará al campo de colectores solares mediante un intercambiador exterior de placas.



El diseño del sistema de climatización se ha basado en un aporte de energía solar térmica del 58% de la demanda anual de refrigeración y del 47% de la demanda anual de calefacción.

En la Tabla y Figuras siguientes se indica la demanda térmica y la fracción que es cubierta mediante aporte solar.

Tabla 27. Demanda térmica equivalente total y aporte solar.

Figura 100. Representación gráfica de la demanda térmica total y el aporte

solar.



● Diseño del sistema de refrigeración con máquina de absorción.

El sistema de refrigeración está compuesto por una máquina de absorción, una caldera auxiliar de gas propano y un depósito de almacenamiento de agua fría.

El sistema se diseñó para un aporte solar de 58% (óptimo económico). La máquina de absorción está sobredimensionada de tal forma que, con un aumento de superficie de colectores solares, en un futuro se pueda cubrir también la demanda de frío en el caso de ampliación de las instalaciones.

La máquina de refrigeración recomendada es una máquina YAZAKI WFC10 basada en el ciclo de absorción con Bromuro de Litio / agua, de 35 kW de potencia nominal de frío. La máquina se alimenta con agua caliente de 75 a 100ºC de temperatura, y produce agua refrigerada de 8 a 12ºC. Es necesario también un enfriamiento para el absorbedor y el condensador con agua a unos 25 - 30ºC.

Para el enfriamiento del condensador y el absorbedor de la máquina de absorción se utilizará una torre de refrigeración, con una potencia mínima de 85 kW, o agua fría procedente de una balsa de agua cercana.

La torre funcionará cuando la temperatura de la balsa no sea suficiente para el enfriamiento de la máquina de absorción. En caso de que se pueda garantizar la disponibilidad de agua de la balsa suficiente y a una temperatura inferior a 18ºC durante todo el año, se podría eliminar la torre de refrigeración.

Se dispondrá de un depósito de acumulación de agua fría de 3000 litros para cuando la máquina de absorción funcione con el objetivo de amortiguar desfases entre producción y demanda de frío. En funcionamiento de invierno cuando la máquina de absorción no funcione, se utilizará para ampliar la capacidad de acumulación de agua caliente proveniente del sistema solar. Por esto segundo es preciso que el acumulador pueda soportar 140ºC de temperatura. ● Resumen de las características básicas del diseño del sistema.

En la Tabla siguiente se muestran las principales características técnicas del sistema de refrigeración solar en las bodegas Mas Martinet en Falset (Tarragona). Se prevé una inversión total del proyecto de 8,1 MPta.



Tabla 28. Características principales del sistema de frío solar de las bodegas Mas Martinet.

6.7.2. Red de calor y frío con apoyo solar en el fórum 2004 en Barcelona.

Dentro del proyecto europeo adscrito al Programa ALTENER, denominado BARCELONA RENOVABLE 2004 se analizó la viabilidad y se diseñó un sistema de colectores solares térmicos conectados a una red de distrito de calor y frío del área de urbanización Forum 2004.

Esta zona se ubica en la zona noreste de la ciudad y está bordeada por la línea de la costa, la desembocadura del río Besós al este, el área de Diagonal Mar al oeste y el municipio de Sant Adrià de Besos al norte. En ella se desarrolló el Forum Universal de las Culturas en el año 2004.

Los edificios que se levantan en la zona tienen usos residenciales y comerciales. Dentro de la demanda de calor se incluye calefacción y agua caliente sanitaria.

Tabla 29. Superficie útil y demanda térmica en los edificios del Forum 2004.



El sistema energético previsto se caracteriza por una central térmica acoplada a una red de distribución que suministra la demanda de cada edificio.

La energía proviene del calor residual de la incineradora colindante y de 2 000 m2 de colectores solares.

La producción de frío se realiza mediante máquinas de absorción centralizadas que se refrigeran con agua del mar. La red de distribución se diseña a 4 tubos, es decir, produciendo calor y frío de forma centralizada y distribuyendo agua caliente y fría hasta los puntos de consumo. Se prevé acumulación térmica solar y de agua fría. Inicialmente se valoró la posibilidad de realizar un sistema de frío descentralizado, con red de distribución únicamente de calor (2 tubos). En este caso, hubiese existido una máquina de absorción para cada edificio, refrigerada mediante agua de acuífero. En el proyecto se evitó la refrigeración con torres por problemas de contaminación por legionella y de impacto visual al tenerlas que ubicar en las azoteas de los edificios. Sin embargo se analizaron los recursos de agua disponibles en los acuíferos y se concluyó que no eran suficientes.

En el marco del proyecto europeo ALTENER se realizó el diseño de este sistema a través de simulación dinámica mediante el software TRNSYS. Como a aspectos que se analizaron con detalle destacan los siguientes:

- Acoplamiento de distintas máquinas de absorción de simple efecto, absorción de doble efecto y adsorción. - Acoplamiento del sistema solar para producción de calor y de frío. - Estudio de viabilidad de un campo solar adicional y decentralizado para un sistema de dessicant cooling, apoyado por calor procedente de la red

6.7.3. Sistema de trigeneración con aporte solar en malterias.

En el marco del proyecto POSHIP se estudió la viabilidad de un sistema solar de apoyo al sistema de suministro de calor y frío en una maltería en la provincia de Lleida (Cataluña).

Los procesos principales consumidores de calor en una maltería son los

siguientes: - calentamiento de aire a temperaturas de aprox. 60ºC para el secado de la malta (aprox. 80% del consumo de calor). - enfriamiento de aire a una temperatura de 15ºC para los procesos de germinación (aprox. 20% del consumo de calor equivalente (para producción de frío con máquinas de absorción de simple efecto).



El sistema existente en la fábrica estudia se caracterizó por lo siguiente: a) unos motores de cogeneración cubren la demanda de calor para el secado, produciéndose un exceso de calor a una temperatura de 97ºC.

Vista esta situación existen dos posibilidades para la aplicación de la energía solar:

● La solución “convencional”: Un sistema de frío solar con colectores solares de temperatura media, sustituyendo parte del consumo eléctrico. La rentabilidad de este sistema era escasa, puesto que la demanda de frío solo existe durante 6 meses del año y la producción de calor a temperaturas medias en el clima leridano es reducida. ● La solución “integrada”: En lugar de producir calor a media temperatura en un sistema solar, se decidió diseñar un sistema solar para muy baja temperatura (un precalentamiento de aire elevando la temperatura muy poco por encima de la temperatura ambiente. De esta forma se aumenta el exceso de calor procedente del sistema de cogeneración en verano. El nivel de temperatura del calor residual de los motores de cogeneración es ideal para su uso en una máquina de absorción de simple efecto (trigeneración).

El esquema siguiente muestra el proceso propuesto en la Moravia:

Figura 101. Esquema de la “solución integrada” de sistema solar y de

cogeneración con máquina de absorción



En este caso, por lo tanto, no se trata de un sistema de frío solar, sino de

un sistema de suministro de calor y frío integrado con aporte de energía solar. El campo solar cumple la función de adaptar la curva de la

disponibilidad de calor (constante para cogeneración, máximo en verano para la parte solar) a la curva de la demanda, con su máximo en verano por la demanda de refrigeración.

Como características técnicas destaca el hecho de que se obtiene una producción de frío del sistema de absorción de 1989 MWh de frío correspondiendo a un ahorro energético (de electricidad) de 884 MWhe, con una demanda restante del sistema convencional de generación de frío de 1111 MWhe.

Al ahorro de electricidad se suma el ahorro del consumo de gas natural de la caldera de, aproximadamente, 1400 MWh de energía final (rendimiento de conversión 85%).

La producción de frío correspondiente al aporte de calor adicional del sistema solar es de 486 MWh de frío, correspondiente a una producción de calor equivalente de 695 MWh o 463 kWh/m2.

Figura 102. Distribución de la producción de frío en la Moravia.

6. dimensionamiento instalaciones de...

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