alternativas de almacenamiento en instalaciones de...

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

INGENIERÍA INDUSTRIAL

ALTERNATIVAS DE ALMACENAMIENTO

EN INSTALACIONES DE PRODUCCIÓN DE

FRÍO CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

Proyecto Fin de Carrera

Departamento de Ingeniería Energética

Autor: Francisco Javier Porcel Martínez

Tutor: Isidoro Lillo Bravo

Sevilla, Noviembre 2014

Alternativas de Almacenamiento en Instalaciones de Producción de Frío con Energía Solar Fotovoltaica

1

ÍNDICE

1 Introducción .......................................................................................................... 3

2 Objetivo ................................................................................................................ 4

3 Metodología .......................................................................................................... 6

3.1 Análisis bibliográfico ..................................................................................... 6

3.1.1 Introducción ............................................................................................ 6

3.1.2 Avances en las bombas de calor ........................................................... 13

3.1.3 Almacenamiento de energía eléctrica: baterías .................................... 17

3.1.4 Almacenamiento de frío: Agua fría ...................................................... 23

3.1.5 Almacenamiento de frío: Cambio de fase ............................................. 24

3.1.6 Utilización de fluidos de cambio de fase dentro del ciclo .................... 30

3.1.7 Energía solar y producción de frío ........................................................ 39

3.2 Estudio teórico.............................................................................................. 44

3.2.1 Caso base .............................................................................................. 44

3.2.2 Influencia de las características del refrigerante ................................... 53

3.2.3 Alternativas de almacenamiento ........................................................... 68

3.2.4 Influencia de la acumulación en instalaciones fotovoltaicas .............. 125

4 Conclusiones ..................................................................................................... 150

5 Bibliografía ....................................................................................................... 152

6 Anexos .............................................................................................................. 156

6.1 Introducción de un sistema híbrido compresión – absorción como alternativa

de almacenamiento ................................................................................................... 156

6.2 Datos meteorológicos Coober-Pedy ........................................................... 160


2

6.3 Resultados del estudio de gráficas en 3D ................................................... 166

6.3.1 Estudio de la evolución del EER y EER de Carnot ............................ 166

6.3.2 Estudio del tamaño de los depósitos 1, 2 y 3 ...................................... 166

6.3.3 Estudio de las propiedades del subciclo de compresión mecánica ..... 168

6.3.4 Estudio del tamaño del depósito 4 ...................................................... 170

6.4 Análisis de la reducción de superficie de la instalación fotovoltaica para

diferentes condiciones .............................................................................................. 172

6.4.1 Alternativa 1 ....................................................................................... 172

6.4.2 Alternativa 2 ....................................................................................... 176


3

1 Introducción

Las instalaciones fotovoltaicas aisladas son utilizadas para cubrir las necesidades

eléctricas sin tener que utilizar la energía eléctrica de red. Uno de los mayores

inconvenientes de estas instalaciones es el almacenamiento de energía.

En multitud de ocasiones la demanda y la oferta no coinciden en el tiempo, esto es

debido principalmente al carácter fluctuante y diurno de la energía solar. Esto hace que,

para poder satisfacer las necesidades eléctricas en momentos sin energía solar se necesiten

de unidades de almacenamiento que abastezcan la demanda.

La forma de almacenamiento más extendida en todas las instalaciones convencionales

es la batería, forma de almacenamiento que almacena directamente la energía eléctrica

pero que tiene como gran inconveniente una baja eficiencia.

Esta baja eficiencia hace que se pierda una gran cantidad de energía y se intente, por

un lado, investigar en la mejora de las baterías y su viabilidad, y por el otro, buscar nuevas

formas de almacenamiento, que no almacenen energía eléctrica, y presenten una

eficiencia mayor.

Dentro de estas formas de almacenamiento se sitúan el almacenamiento de la energía

mecánica o la energía térmica.

Un claro ejemplo del almacenamiento de energía mecánica lo protagonizan las

instalaciones de bombeo. En este tipo de instalaciones se opta por almacenar agua en

lugar de almacenar la energía eléctrica en baterías.

Se almacena el agua a una determinada altura, y cuando se produce la demanda de

energía, se aprovecha la energía mecánica del agua. De esta forma las instalaciones de

bombeo ganan en eficiencia y viabilidad.

Otra alternativa importante en cuanto al almacenamiento de energía, es el

almacenamiento de energía térmica, muy extendido en las instalaciones solares de

media/alta temperatura.


4

El sector de la producción de frío supone un gran consumo energético, luego el

acoplamiento de un sistema fotovoltaico para satisfacer la demanda es inmediato. Una

solución, aplicada a este tipo de instalaciones, para solventar el problema asociado a la

pérdida de energía por baterías, se basaría en el almacenamiento térmico.

El almacenamiento térmico puede realizarse bien mediante un fluido intermedio, como

puede ser un fluido de cambio de fase, o por medio de agua líquida, o bien también se

puede almacenar el propio refrigerante en unas condiciones determinadas del ciclo.

Al almacenar el refrigerante directamente se elimina la ineficiencia de las propias

baterías así como la necesidad del uso de un fluido adicional en la instalación. Se trata de

analizar las ventajas e inconvenientes que éste tipo de almacenamiento puede tener frente

al almacenamiento convencional mediante las baterías.

2 Objetivo

El objeto del presente proyecto es comparar las posibilidades de almacenamiento

energético en una instalación de refrigeración por compresión accionada mediante

energía solar fotovoltaica, mediante dos alternativas diferentes. Una es mediante el uso

de batería, como describe la Ilustración 2.1 y otra es mediante la introducción de

modificaciones en el ciclo de compresión con la introducción de hasta tres depósitos

intermedios o mediante el uso de compresores complementarios.


5

Ilustración 2.1 Instalación de refrigeración accionada por energía fotovoltaica mediante baterías

En total se han analizado las siguientes siete alternativas del ciclo de refrigeración

convencional:

1.- Utilización de tres depósitos de almacenamiento en el ciclo de compresión

mecánica, en los puntos 1, 2 y 3 del ciclo.

2.- Utilización de dos depósitos de almacenamiento, en los puntos 2 y 3 del ciclo.



5.- Utilización de dos evaporadores en serie y dos depósitos de almacenamiento, en

los puntos 3 y 4’, el cual se sitúa a la salida del primer evaporador.

6.- Utilización de dos evaporadores en serie, dos depósitos de almacenamiento en los

puntos 3 y 4’ y un subciclo de compresión mecánica encargado de devolver al refrigerante

del estado 4’ al estado 4.

7.- Utilización de dos evaporadores en serie y un subciclo de compresión mecánica

que devuelve el refrigerante del estado 4’ al estado 4.


6

Se llevará a cabo un estudio de cada una de las alternativas, en cuanto a sus parámetros

más característicos, según las condiciones de funcionamiento, y se estudiarán también los

posibles campos de aplicación de cada una de ellas.

Como resultado del proyecto se pretende conocer las ventajas e inconvenientes de cada

una de estas siete alternativas frente al uso de baterías en la instalación fotovoltaica.

3 Metodología

3.1 Análisis bibliográfico

3.1.1 Introducción

Refrigeración

Refrigerar suele ser sinónimo de enfriar, pero se va a llevar a cabo una clara distinción

entre ambas ideas, reservando la refrigeración para cuando el enfriamiento ocurre a

temperaturas por debajo de la atmosférica (en ambos casos se trata de extraer calor del

sistema, pero la refrigeración así entendida requiere el aporte de exergía del exterior,

mientras que el enfriamiento se podría conseguir simplemente dejando el sistema caliente

en contacto con la atmósfera).

La Termodinámica enseña muchos procedimientos para lograr disminuir la

temperatura de un sistema por debajo de la del ambiente, enseñando también que en todos

los casos hace falta un aporte de exergía para mantener esa condición de desequilibrio

frente a la tendencia natural a la uniformización de la temperatura. Además la

Termodinámica enseña a calcular el valor mínimo de esa exergía necesaria. Los procesos

termodinámicos más usados para disminuir la temperatura sin transmisión de calor a un

foco más frío son:

Disminución de la presión de vapor de un líquido volátil (aunque el mecanismo

es igual para líquidos poco volátiles y para sólidos, el efecto refrigerante sería

pequeño).


7

Expansión brusca de un gas o vapor (sobre todo si en ella se realiza trabajo).

Si un gas encerrado a presión en un dispositivo cilindro-émbolo sufre una

expansión brusca (la cual se considerará adiabática), realizando un trabajo

contra una carga (o simplemente acelerando el émbolo contra la presión

atmosférica), su energía interna y, por tanto, su temperatura, habrá de disminuir

para compensar el balance energético.

Mezclado endotérmico de sustancias apropiadas: por ejemplo, al mezclar hielo

y sal, ambos a 0ºC, la mezcla puede disminuir su temperatura hasta -21ºC, si

las proporciones son adecuadas y la transmisión de calor al ambiente

despreciable.

Efecto Peltier, que es un flujo cruzado debido al acoplamiento de un gradiente

térmico con un gradiente de potencial eléctrico de la misma dirección.

De entre todos los sistemas de refrigeración, los sistemas de refrigeración

fundamentales son los sistemas de compresión mecánica y los sistemas de absorción,

siendo éstos últimos bastantes más minoritarios respecto de los primeros, por tener una

eficiencia menor. El uso de los sistemas de absorción está justificado cuando tenemos una

fuente de calor gratuita (por ejemplo el caso de la energía solar).

Es importante resaltar que en la refrigeración no existe una transmisión de calor desde

una temperatura baja a una alta; lo que realmente ocurre es que el foco frío cede calor a

un fluido de trabajo que está todavía más frío y este fluido de trabajo sufre una

transformación termodinámica (normalmente adiabática) que le hace pasar a una

temperatura superior a la de la fuente caliente, y allí también cede calor a esta.

Los principales sectores demandantes de la tecnología frigorífica son el sector

comercial, sector doméstico y sector transportes. Entre los usos más extendidos se

encuentran: el confort humano y ambiente controlado (aire acondicionado), preparación

y conservación de alimentos, procesos industriales, fabricación de hielo etc.

Además, durante las últimas décadas se han extendido las aplicaciones criogénicas (el

nitrógeno líquido es uno de los consumibles corrientes en laboratorios industriales,

hospitales y centros de investigación).


8

Frigorífico de compresión de vapor

El coste energético mínimo para evacuar calor desde T2 a T1>T2 será el correspondiente

a un proceso que no aumente la entropía del universo. Si el fluido de trabajo evoluciona

cíclicamente, no varía su entropía en un ciclo, se tendrá ΔSuniv=Q1/T1- Q2/T2=0, y como

por el balance energético será W=Q1-Q2, se deduce que la máxima eficiencia energética

será: ηefrig=T2/(T1-T2) si lo que interesa es la acción frigorífica y ηebomba=T1/(T1-T2) si lo

que interesa es la acción como bomba.

Como la mejor aproximación a un intercambio de calor isotermo es un cambio de fase

de una sustancia pura, se tratará de aproximar todo lo posible al ciclo de Carnot, el cual

deberá ser lo más ancho posible dentro de la región bifásica para disminuir el tamaño del

equipo. Dicho ciclo queda representado en la Ilustración 3.1:

Ilustración 3.1 Ciclo de Carnot en la región bifásica de una sustancia pura

Sin embargo subsisten dos problemas: por un lado, la compresión isentrópica es

impracticable porque al ser rápida calentaría mucho la fase vapor y muy poco las gotitas

de líquido y habría transmisión de calor entre ellas (además del daño del compresor por

el impacto de las gotitas), por lo que en la práctica se hace la compresión con vapor seco.

En segundo lugar, el trabajo que se obtendría en la expansión isentrópica es muy pequeño

al ser la densidad alta, así que se hace una expansión isentálpica y el ciclo de Rankine de

un refrigerador simple quedaría como el de la Ilustración 3.2, donde ya se tiene en cuenta

el efecto del rendimiento adiabático del compresor y que hace aumentar la entropía de

compresión.


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Conviene que la pendiente dT/dS de la curva de vapor saturado sea casi vertical para

disminuir el trabajo de compresión, incluso algo inclinada a la derecha para compensar el

aumento de entropía en el compresor.

Ilustración 3.2 Ciclo de Rankine de refrigeración y bomba de calor

El esquema de principio de un ciclo de compresión mecánica queda definido por la

Ilustración 3.3:

Ilustración 3.3 Esquema de principio del ciclo de compresión mecánica simple

Se encuentran cuatro tramos fundamentales:

1-2 El vapor sobrecalentado se comprime hasta la presión de condensación con

aporte de trabajo por parte de una fuente externa

2-3 El refrigerante condensa y se cede calor al foco caliente.

3-4 Se produce una expansión isoentálpica.


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4-1 Se produce la evaporación del refrigerante absorbiendo calor de un foco

frío.

En refrigeración se suele utilizar el diagrama p-h de la sustancia de trabajo, con la

escala p logarítmica y la escala en h lineal.

Ilustración 3.4 Diagrama p-h del ciclo de compresión mecánica del refrigerante R410A

Las características deseables para un fluido refrigerante son: la presión de vapor a

la temperatura fría debe ser superior a la atmosférica para que no entre aire en el circuito,

pero a la temperatura caliente no debe ser muy alta. La temperatura de congelación y la

viscosidad deben ser bajas, pero la entalpía de cambio de fase, la capacidad térmica, la

conductividad térmica y la estabilidad química deben ser altas, y el precio bajo.

Elementos del ciclo de compresión mecánica

Los elementos que componen un frigorífico de compresión de vapor son cuatro:

compresor, condensador, válvula de expansión (y dispositivo de control asociados) y el

evaporador.

A continuación se llevará a cabo una descripción general de las características de los

diferentes elementos del ciclo.


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Compresor

Los compresores son máquinas que elevan la presión de un fluido. Aunque siempre se

pueden considerar como sistemas termodinámicos de volumen de control con una entrada

de fluido a baja presión y una salida de fluido a alta presión, internamente pueden

funcionar como sistemas termodinámicos de masa de control.

Condensador

El condensador es el cambiador de calor donde el fluido de trabajo evacúa calor al

ambiente, desprendiéndose de la entropía que absorbió de la carga fría más toda la

generada en su circuito.

Tipología:

Condensadores de aire: supone la solución más simple aunque es poco

eficiente porque el aire tiene muy poca transmitancia térmica, y aumentarla

forzando el flujo de aire es costoso y genera ruido; en cualquier caso,

convendría poner aletas en el lado del aire para aumentar su transmitancia.

Condensadores de agua: la eficiencia ya es grande, pero surge el problema de

qué hacer con el agua: tirarla es prohibitivo excepto en las proximidades de un

río, y reciclarla exige otro cambiador de calor agua-aire, lo que encarece la

instalación y obliga a que el condensador opere a una temperatura algo mayor

para compensar el salto térmico en el cambiador agua-aire.

Válvula de expansión

La válvula consiste en un estrangulamiento en el circuito del refrigerante que permite

mantener la diferencia de presión entre el condensador y el evaporador. En ella también

van ligados los dispositivos de autorregulación necesarios para mantener la densidad a la

entrada del compresor constante frente a las variaciones del flujo de calor de la carga.

Evaporador

El evaporador es un cambiador de calor donde el fluido refrigerante entra con una

fracción másica de vapor muy pequeña, recibe el calor de la carga, y debe salir

completamente seco o incluso un poco sobrecalentado para asegurarse de que en ningún


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caso entrarán gotitas en el compresor (que podrían dañarlo por erosión e incluso por

sobrepresión debido a los pequeños espacios muertos en los de émbolo).

Variaciones sobre el ciclo de compresión de vapor

Una mejora importante del ciclo radica en el subenfriamiento del líquido antes de

entrar a la válvula con el vapor antes de entrar al compresor. Al introducirlo, y esperando

un muy pequeño incremento de trabajo del compresor, se consiguen dos beneficios: el

más importante es el incremento de calor evacuado en el evaporador, y el otro es que ya

no hace falta poner separadores ciclónicos para asegurarse de que no entran gotas al

compresor arrastradas por el vapor saturado, pues ahora estará sobrecalentado.

Dado el gran salto de presiones asociado a las temperaturas del condensador y el

evaporador, convendría hacer la compresión escalonada con enfriamiento intermedio para

disminuir el trabajo necesario. Debido a que las temperaturas intermedias involucradas

estarán por debajo de la atmosférica, es necesario combinarla con un escalonamiento en

la expansión hasta una presión intermedia en la que se extrae vapor o vapor más líquido

para enfriar la salida del primer escalón de compresión (primera etapa).

A continuación se muestran los esquemas de principio y diagramas T-s de las

instalaciones típicas:

A)

Ilustración 3.5 Refrigeración escalonada con derivación separada para saturar la salida de la primera

etapa


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B)

Ilustración 3.6 Refrigeración escalonada con extracción del vapor de la primera etapa

C)

Ilustración 3.7 Refrigeración escalonada con mezclado total inter-etapa

3.1.2 Avances en las bombas de calor

(K.J Chua, S.K.Chou, W.M.Yang, 2010) K.J.Chua et al. llevan a cabo una revisión

que pretende hacer un resumen de los últimos avances que se han llevado a cabo en el

campo de las bombas de calor, tanto desde el punto de vista de la mejora del propio ciclo,

como el de la búsqueda de nuevas aplicaciones.


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Se presentan las bombas de calor como uno de los mejores métodos para evitar la

contaminación, directamente relacionada con la emisión de 𝐶𝑂2 , al ser un elemento capaz

de aprovechar calor residual.

La clasificación de los desarrollos recientes en las tecnologías de bombas de calor

viene dada por la Ilustración 3.8 :

Ilustración 3.8. Clasificación de las tecnologías de mejora de bombas de calor

De entre todas las nuevas tecnologías las más representativas son:

a) Mejora de la eficiencia del ciclo

- Ciclos multietapa: en estos ciclos se tienen dos o más etapas de compresión

conectadas en serie. Si se compara con un ciclo simple, estos ciclos tienen una

menor tasa de compresión y una mayor eficiencia en cada etapa, mejor efecto de

producción de frío, menor temperatura de descarga en la etapa de alta presión y

una mayor flexibilidad.


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También supone una opción muy importante en cuanto a la mejora del COP

cuando se está operando en condiciones extremas de frío.

La Ilustración 3.9 muestra una de las configuraciones posibles:

Ilustración 3.9. Ciclo de doble etapa con intercooler

- Nuevos refrigerantes: R-22 es probablemente el refrigerante más utilizado en las

bombas de calor y producción de frío. Para buscar otros refrigerantes es

importante conocer las propiedades termodinámicas de los mismos.

Últimas investigaciones han conducido al desarrollo de nuevas mezclas de

refrigerantes, denominadas: R404A, R407C, R410A, R433A, R170/R290.

R410A: se ha evaluado una eficiencia en aplicaciones de aire

acondicionado sobre un 12% mayor que el R22.

Tiene también la ventaja de reducir el tamaño de los intercambiadores de

calor, particularmente del evaporador y el condensador, llevando a cabo

una mejor transferencia de calor.

R433A: investigaciones muestran un COP en torno al 4.9-7.6% mayor

que el R22.

R170/R290: mejora del COP hasta del 6%.

b) Sistemas híbridos

- Híbrido solar: la integración de la energía solar con la tecnología de las bombas

de calor supone una gran mejora en la eficiencia. Se trata de un sistema cuya


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fuente de calor es una fuente natural: energía solar. Estas aplicaciones incluyen

producción de agua caliente, almacenamiento de calor y secado.

Se han producido grandes desarrollos en el acople de energía solar fotovoltaica

y bombas de calor, debido al gran interés en emplear energías renovables para la

mejora de los procesos de bombas de calor.

Hay un novedoso sistema llamado Photovoltaic Thermal (PVT) el cual

incorpora un evaporador en el propio panel fotovoltaico generando una placa

evaporador-colector. En este sistema, una parte de la energía solar es convertida

en electricidad y el resto en forma de calor. La electricidad generada sirve para

aumentar la potencia del compresor. El COP también aumenta debido a la

absorción de energía solar.

c) Nuevas tecnologías:

- Geotérmica: también es una tecnología muy interesante de aplicar en el caso de

las bombas de calor operando de la siguiente manera:

Durante el invierno, mueven el calor desde la tierra hacia los edificios y en

verano bombean el calor desde los edificios y lo descargan en la tierra.

La temperatura constante de la tierra es lo que hace a este sistema muy eficiente,

cómodo y con tecnologías de aplicación bastante conocidas hoy en día.

Debido a su gran eficiencia y bajo impacto medioambiental se le ha dedicado gran

atención en países grandes consumidores de energía, como China.

Conclusiones: con la gran cantidad de calor disponible en varias fuentes naturales y

calor residual generado en varios procesos industriales, las bombas de calor son una

tecnología indispensable que contribuye hacia un medio ambiente más limpio.

En los siguientes apartados se analizan las distintas formas de almacenamiento del

sistema, bien por baterías, lo que supone un almacenamiento eléctrico, o bien un

almacenamiento térmico, mediante fluidos de cambio de fase (PCM) o agua líquida.


17

3.1.3 Almacenamiento de energía eléctrica: baterías

Las baterías suponen un método directo de almacenamiento de energía eléctrica, con

la gran desventaja de su bajo rendimiento. En este caso se pretende evitar el

almacenamiento directo con baterías para buscar otras formas de almacenamiento,

principalmente en forma de energía térmica, que proporcionen un mayor rendimiento al

proceso.

(Mohammed Yekini Suberu, 2014) Mohammed Yekini Suberu et al. realizan una

revisión de los sistemas de almacenamiento para energías renovables, centrándose en la

disminución de la intermitencia de estas energías mediante el almacenamiento.

Las baterías son una forma de almacenamiento electroquímico. Dependiendo de la

capacidad de potencia de cada una, unas son utilizadas para alto voltaje mientras que otras

para bajo voltaje. El sistema de almacenamiento por baterías es el sistema más

ampliamente utilizado en las aplicaciones actuales.

Básicamente las baterías pueden ser clasificadas en almacenamiento interno de baja

temperatura y almacenamiento externo de alta temperatura. Ejemplos de baterías de baja

temperatura son las de plomo ácido (PbO2), níquel-cadmio (NiCd), ión litio y níquel-

hidruro metálico (NiMH).

Los ejemplos de alta temperatura serían las de sulfuro sódico (NaS), cloruro de niquel-

sodio (NaNiCl) y baterías de flujo.

La siguiente tabla muestra la energía específica de las baterías según su tipología:

Tipo de batería Energía específica

Plomo ácido (tipo inundada) 25 Wh/kg

Plomo ácido (válvula reguladora) 30 – 50 Wh/kg

Níquel-cadmio (NiCd) 45 – 80 Wh/kg

Súlfuro sódico (NaS) 100 Wh/kg

Ión litio 100-190 Wh/kg

Vanadio redox 30-50 Wh/kg

Bromo-Zinc 70 Wh/kg Tabla 3.1 Energía específica en Wh/kg según el tipo de batería


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La descripción del principio de funcionamiento de las baterías está reflejada en la

siguiente ilustración:

Ilustración 3.10 Componentes básicos y principio de operación de sistema de almacenamiento por baterías

Ilustración 3.11 Comparación de la energía específica según el tipo de batería


19

En la Ilustración 3.11 se puede apreciar cómo varía la densidad energética según el

tipo de batería que se tenga.

A continuación se realiza una descripción general de los principales tipos de baterías

que se encuentran en el mercado, donde las más destacadas son:

- Ión litio: tienen aplicaciones tanto para baja como para alta potencia así como para

elementos electrónicos portables y herramientas de telecomunicación. Su gran uso

se basa en su alta densidad energética y eficiencia.

Las baterías de ión-litio contemporáneas han sido desarrolladas para durar hasta

3000 ciclos completos de descarga. Otra importante característica es su rápida

carga y descarga y su alta energía específica.

Otros aspectos importantes que las hacen muy aptas para su uso son el bajo

porcentaje de autodescarga, la variedad de tamaños y formas y su bajo peso con

alta densidad energética. A su vez resulta segura desde el punto de vista

medioambiental.

Entre las desventajas más importantes se encuentran el coste de producción, ya

que depende del tiempo de vida y la seguridad del aparato.

En estos momentos las investigaciones se están centrando en el desarrollo de

circuitos de protección más eficientes.

- Sulfuro sódico: se caracterizan por ser baratas, con alta densidad energética, mejor

eficiencia y una mejora en la capacidad de almacenamiento por utilizar sustancias

líquidas activas. Resultan muy económicas debido a los asequibles materiales de

construcción, los cuales tienen una gran facilidad para ser reciclados para su

posterior reutilización. Requieren de poco mantenimiento.

Aproximadamente se puede llegar a los 2500 ciclos. Se utiliza en numerosas áreas

como regulación de voltaje, estabilización de potencias etc.

- Plomo ácido: es el primer tipo de batería recargable que existe a nivel doméstico

y en algunas aplicaciones comerciales. El uso de estas baterías en ciertas

aplicaciones comerciales queda limitado por la disponibilidad de otras clases de

baterías de alta eficiencia en el mercado.


20

En numerosos campos aún está muy extendida debido a su bajo coste, su alta

fiabilidad, por ser una tecnología muy madura y por su rápida respuesta

especialmente en automóviles.

También resulta interesante en aplicaciones donde el peso no sea considerado

como un aspecto restrictivo. Requieren, a su vez, de un cierto mantenimiento.

- Niquel cadmio: pertenece a la familia de baterías recargables, con un buen ciclo

de vida, una alta densidad energética, muy buen desarrollo a baja temperatura y

con unas amplias posibilidades de tamaños y ratios. Se trata de unas baterías

robustas y buenas sustitutas de las de plomo ácido, así como con un nivel alto de

madurez en cuanto a su tecnología.

Uno de sus mayores problemas radica en el alto coste del cadmio y los materiales

de niquel usados en su construcción. También, hay que destacar que tanto el

cadmio como el níquel resultan duramente tóxicos y con gran impacto en la salud

de los humanos.

Otro aspecto a destacar es la necesidad de cargar y descargar completamente la

batería, ya que podría tener problemas de no hacerlo de esa forma, además de la

alta autodescarga que presenta en comparación con el resto.

A pesar de todas estas desventajas, las baterías de niquel cadmio presentan un

gran rango de aplicación, como puede ser en elementos electrónicos, sistemas de

operación de aviación, vehículos eléctricos o luces de emergencia. Esto es debido

a las grandes ventajas que presentan:

o Buenas características respecto del ciclo de vida (más de 3500 ciclos)

combinado con sus bajos requerimientos de mantenimiento.

o Son altamente robustas.

o Capaces de resistir altas corrientes de descarga.

- Cloruro de niquel-sodio: estas baterías fueron desarrolladas en principio para los

vehículos eléctricos y los vehículos híbridos. Comúnmente conocida como batería

ZEBRA. Estas baterías tienen una mayor capacidad debido a la alta conductividad

iónica del eléctrico. Han sido utilizadas también en otras aplicaciones como

aplicaciones militares o de telecomunicación.


21

- Batería de flujo: son también conocidas como baterías redox. Resultan ser baterías

recargables. Tienen una capacidad muy importante que es la de que pueden

descargar por completo sin que esto produzca ningún efecto negativo en la misma.

Además estas descargas completas se pueden repetir en numerosas ocasiones.

Son muy interesante en amplias aplicaciones pero que están restringidas por su

alto coste de adquisición así como su coste de operación y mantenimiento.

(Cetin E. Yilanci A, 2009) Cetin E. Yilanci A. et al realizan un análisis de los factores

más importantes en la selección de baterías para su integración en sistemas renovables.

Factores para la selección del tipo de batería integrada en sistemas con energías

renovables

Aspectos económicos, eficiencia y vida útil

Los factores más importantes de las baterías son la vida útil y la eficiencia. Cuanto

más baja sea la eficiencia y la vida del sistema de almacenamiento, menos económico

resultará para su uso.

En la siguiente ilustración se representa la eficiencia y vida útil con un 80% de

profundidad de descarga (DoD):


22

Ilustración 3.12 Eficiencia y vida útil según diferentes tipologías de batería, con una profundidad de

descarga del 80%

Tanto las baterías de ión litio, ZEBRA, de flujo y de plomo ácido, tienen una eficiencia

suficiente como para ser utilizadas en aplicaciones comerciales y domésticas para

almacenamiento de energía eléctrica.

(A.Chakraborty, 2011) A.Chakraborty estudia las mejoras que se están produciendo

en la tecnología de electrónica de potencia, y dónde los avances en este campo están

influenciando en gran medida a los sistemas de producción de energía, como son los

sistemas eólicos, hidráulicos, biogás y también al almacenamiento eléctrico.

Numerosos factores son los que determinan la selección del tipo de almacenamiento

para el consumo de energía. Coste, eficiencia, densidad energética así como madurez

tecnológica, son aspectos muy importantes para la selección de un tipo u otro.

Se están llevando a cabo un gran número de investigaciones en el área de la tecnología

de materiales aplicada a los sistemas de almacenamiento para reducir los costes y el

aspecto del tamaño físico.


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3.1.4 Almacenamiento de frío: Agua fría

El almacenamiento de frío mediante agua fría supone el sistema más básico utilizado,

dónde simplemente se genera agua fría que se almacena en tanques aislados para luego

ser utilizada. Se suele utilizar agua por sus ventajas ya sabidas, es un fluido barato,

abundante y cuya tecnología es muy conocida.

El gran inconveniente del almacenamiento por agua fría es que sólo se aprovecha el

calor sensible, almacenando mucha menos energía por unidad de volumen en

comparación con los sistemas de cambio de fase.

(N.Sagara, 1990) N.Sagara lleva a cabo una evaluación del comportamiento de una

bomba de calor incorporando un sistema de tanques de almacenamiento de agua instalado

en un edificio de oficinas, donde los tanques funcionan por estratificación con dos partes

diferenciadas, conectadas por un conducto, lo que hace al sistema adquirir características

diferentes del resto de tanques convencionales.

Objetivo: Recortar el pico de consumo diario de energía desplazando el consumo hacia

la noche, mediante almacenamiento de frío.

El tanque de almacenamiento es de agua fría estratificada, el cual está dividido en dos

zonas, una zona a la izquierda y otra a la derecha. Su funcionamiento tiene dos etapas

claramente diferenciadas:

- Noche: el agua a mayor temperatura (15ºC) es bombeada hacia la bomba de calor

y es enfriada hasta unos 6ºC., descargándose lentamente al final de la parte

izquierda.

Cuando está completamente lleno, el agua fría va hacia la parte de la derecha.

Ambas partes quedaran llenas de agua fría.

- Día: es el proceso contrario, el agua caliente entra a la parte derecha. El flujo sigue

la dirección contraria.

En estos casos hay muy poca mezcla de agua fría y caliente debido a la diferencia

de densidades y a la escasa comunicación entre ambas partes del tanque. Al

comparar con una estratificación normal, en este caso aumentamos la capacidad

de almacenamiento de frío.


24

Se encuentra localizado bajo tierra y aislado con una capa de poliestireno goma

espuma con paredes y tapas aisladas. En modo calefacción el sistema no se usa.

Se lleva a cabo un análisis de cómo varían las temperaturas cuando el tanque no se

usa, obteniendo las siguientes conclusiones:

- El más rápido incremento de temperatura es en los primeros meses. Cuando el

sistema se vuelve a poner en funcionamiento (modo refrigeración) ha habido un

incremento de la temperatura en torno a 6ºC. Esto nos demuestra que es muy

eficiente usarlo también sólo en verano.

- Hay un incremento de potencia consumida, aunque este incremento es muy ligero.

- Definen una serie de ratios para medir la eficiencia del sistema:

Factor de utilización del calor almacenado:

Nos mide la energía aportada por los tanques respecto de la energía total.

Se obtienen unos valores en torno al 83%.

Factor de ganancia de los tanques

Se trata de cuánto aumenta la temperatura de los tanques en el modo de no

funcionamiento. Resultados del 8%.

Peak Shaving Factor

Establece una relación entre la electricidad consumida por el sistema de

22h-8h y la electricidad consumida en las horas punta: 8h-22h.

Los resultados son muy positivos y se sitúan en torno al 78%.

3.1.5 Almacenamiento de frío: Cambio de fase

El almacenamiento con cambio de fase tiene el gran atractivo del aprovechamiento del

calor latente y también del posible calor sensible, resultando más ventajoso que los fluidos

en estado líquido. La gran dificultad radica en la inestabilidad de ciertos fluidos en cambio

de fase y la posible degradación de sus propiedades con el uso.

A priori el sistema más utilizado es el almacenamiento de hielo, por las ventajas

anteriormente comentadas del agua, pero cada vez se está incurriendo más en el

almacenamiento de otros fluidos de cambio de fase que pueden presentar muy buenas

propiedades.


25

(Saito Takamoto, 1990) Saito Takamoto estudia mediante experiencias la aplicación

del almacenamiento de hielo en las bombas de calor.

Las razones principales recogidas para usar ese almacenamiento de frío mediante hielo

son:

Se prefiere un circuito cerrado debido a la energía necesaria en el transporte de

agua fría/caliente.

Disminuye la energía de carga, disminuyendo también el tamaño de las

tuberías.

Aumento de la eficiencia

Se utiliza un sistema que almacena tanto frío como calor, siendo el almacenamiento

de frío mediante hielo.

(E.Oró, 2012) E.Oró et al. plantean una revisión de los materiales de cambio de fase

(PCM) para aplicaciones de almacenamiento de frío

En este artículo se hace una revisión de los diferentes materiales utilizados para

aplicaciones de almacenamiento de frío, características principales que deben tener y las

tipologías de materiales y disposiciones.

El almacenamiento térmico es uno de los métodos más adecuados para corregir el

hueco entre la demanda y el suministro de energía, por ello es una tecnología muy

atractiva. El uso de PCM nos proporciona una mayor capacidad de almacenamiento

además de un comportamiento más isotérmico durante la carga y la descarga respecto del

almacenamiento sensible, mediante agua líquida, por ejemplo.

Materiales de cambio de fase para almacenamiento de frío

El almacenamiento de calor latente resulta particularmente atractivo debido a su

habilidad para proporcionar alta densidad energética almacenada por unidad de masa

en procesos casi isotérmicos.

Las principales características solicitadas a los materiales son:

1) Termodinámicas

Temperatura de fusión dentro del rango deseable.

Alto calor latente de fusión por unidad de volumen.


26

Alto calor específico para proporcionar también una significativa cantidad

de calor sensible.

Alta conductividad térmica, tanto en fase líquida como sólida.

Poco cambio de volumen durante la transformación y escasa presión de

vapor a la temperatura de operación.

2) Químicas

No degradación después de un alto número de ciclos (congelación-fusión).

No corrosivo

No tóxico

3) Económicas

Abundante

Disponible

Fácil reciclaje y tratamiento

Poco impacto medioambiental.

Coste admisible.

Los principales materiales para cambio de fase se dividen en dos grupos principales:

- ORGÁNICOS: dentro de los cuales se encuentran los eutécticos y los compuestos,

subdividiéndose a su vez en parafinas y ácidos grasos.

Los principales materiales orgánicos utilizados son:

Ilustración 3.13 Principales materiales orgánicos empleados como fluido de cambio de fase en

almacenamiento

- INORGÁNICOS: encontramos eutécticos y compuestos, siendo los eutécticos

principalmente sales.


27

(Vineet Veer Tyagi, 2005) Los compuestos inorgánicos tienen un alto calor latente

por unidad de masa y volumen y son más baratos en comparación con los

compuestos orgánicos. Además son inflamables. Aunque van a sufrir una mayor

descomposición y subenfriamiento, lo cual afecta a sus propiedades de cambio de

fase. Los principales compuestos inorgánicos utilizados quedan reflejados en la

Ilustración 3.14

Ilustración 3.14 Principales compuestos inorgánicos empleados como fluido de cambio de fase en

almacenamiento

Los materiales parafinas y no parafinas orgánicos son muy eficientes para el

almacenamiento de frío, constituyendo una alternativa potente frente al

almacenamiento de agua fría para aplicaciones de acondicionamiento.

Los PCM comerciales disponibles en el mercado son:

Ilustración 3.15 PCM comerciales disponibles en el mercado


28

(T.Kumano Asaoka, 2010) Asaoka et al. llevaron a cabo un estudio sobre la influencia

de la temperatura en la capacidad de almacenamiento concluyendo en que la efectividad

del calor latente del hielo en soluciones de etanol está significativamente afectada por la

temperatura de la solución, aunque no tan significativamente para las soluciones de

propilen glicol y el etilen glicol. Esto sugiere que dependiendo del compuesto con el que

mezclemos el hielo, la dependencia con la temperatura variará.

Estabilidad de los PCM a bajas temperaturas

Los factores más importantes que han limitado el uso de los sistemas de PCM son el

tipo de recipiente requerido para el PCM y el número de ciclos que puede llevar a cabo

el material sin que haya degradación en sus propiedades. La estabilidad a largo plazo está

afectada por la pobre estabilidad del propio material y/o por la corrosión entre el PCM y

el recipiente.

Se suelen utilizar numerosos aditivos para mejorar sus características, como el

tetradecano.

Encapsulación de los materiales de cambio de fase

En casi todos los casos los PCM tienen que ser encapsulados para evitar el goteo de la

fase líquida. Hay tres principales tipos de encapsulación: macroencapsulación,

microencapsulación y almacenamiento voluminoso en tanques intercambiadores de calor.

El sistema más utilizado es la macroencapsulación, cuyas mayores ventajas son la

facilidad en la operación y la flexibilidad en el diseño de los módulos.

Aplicaciones

- Potencial en el uso de PCM para almacenamiento de frío

PCM ofrece la posibilidad del mantenimiento térmico debido a su inercia térmica.

Este resguardo puede ser usado contra el calor y el frío, durante el transporte o el

almacenamiento.

a) Enfriamiento: reducción de potencia instalada

b) Mantenimiento térmico de comida

c) Aplicaciones médicas

d) Sistemas de enfriamiento industrial


29

- Desplazamiento del punto de consumo

- Transporte de materiales sensibles a la temperatura

- Aplicaciones de acondicionamiento térmico en edificios

El fluido más estudiado ha sido el agua, por razones obvias, el agua es barata, tiene las

mejores propiedades térmicas y también presenta una gran estabilidad a largo plazo. Se

trata de una tecnología madura y comercialmente disponible. Sin embargo, para

aplicaciones con menor temperatura de trabajo, como la conservación y transporte de

productos, el agua no es aplicable.

(Atul Sharma, 2009)Atul Sharma et al. Llevan a cabo una revisión también del

almacenamiento térmico con materiales de cambio de fase.

En este artículo se lleva a cabo un análisis de los fluidos de cambio de fase, sus

características y las principales aplicaciones de estos sistemas.

Se destaca la capacidad de descenso del pico del consumo mediante el

almacenamiento. Con el almacenamiento del calor latente conseguimos reducir el coste

de generación de electricidad manteniendo la demanda aproximadamente constante.

(Sharma A. Sharma SD, 2006) Sharma et al. estudian los efectos de las propiedades

físico térmicas de los materiales de los intercambiadores de calor en el comportamiento

del sistema de almacenamiento, extrayendo las siguientes conclusiones:

La selección de la conductividad térmica del recipiente de almacenamiento y

la conductividad del PCM es muy importante, ya que tienen efecto sobre la

fracción que se funde.

Si la conductividad del recipiente se incrementa, el tiempo requerido para

completar la fusión del PCM decrece. El efecto del espesor del recipiente es

insignificante.

La temperatura inicial del PCM no tiene un efecto muy importante sobre la

fracción que se funde, mientras que la temperatura de las paredes si tiene un

efecto muy importante durante todo el proceso.


30

3.1.6 Utilización de fluidos de cambio de fase dentro del

ciclo

Se está planteando también la idea de almacenar dentro del propio ciclo, bien a través

de un PCM o bien directamente sobre el refrigerante, de tal forma que se puedan

independizar ciertas partes del ciclo.

(Nomura, 1990) Nomura plantea ya un sistema de bomba de calor con almacenamiento

térmico.

Nomura hace un estudio sobre el almacenamiento de calor a la salida del compresor.

No se usa directamente en refrigerante sino que éste intercambia con un fluido al que

transfiere la energía térmica (mediante un compresor rotativo con almacenamiento

térmico). El fluido utilizado es el Polietilen Glicol.

Este almacenamiento se usa para dar capacidad de calentamiento durante el defrosting.

Con ello se consigue dar una continuidad en el servicio aun estando llevándose a cabo el

defrosting. Los resultados conseguidos son un aumento del COP y de la capacidad de

calentamiento aunque también se aumenta el consumo. Disminuyen también los efectos

de ruido del compresor.

Como conclusiones se obtiene un aumento muy pequeño de los costes al incorporar

los equipos, además de que no ha habido apenas aumento del espacio de la instalación,

pese a introducir el intercambiador.

(Fuqiao Wang, 2007) Fuqiao Wang realiza una investigación experimental sobre el

novedoso uso de materiales de cambio de fase dentro del ciclo de compresión.

En este artículo se pretende hacer un estudio sobre cómo se comportan y que efecto

tienen los materiales de cambio de fase (PCM) en el ciclo de compresión mecánica.

Todo el almacenamiento de energía térmica ha tenido un papel muy importante en el

manejo de la energía, y ha sido usado muy ampliamente en refrigeración y sistemas de

aire acondicionado (RAC).

El principal objetivo de los PCM en sistemas RAC era el de producir capacitancia

dentro del sistema minimizando las fluctuaciones. Con este estudio se quiere además

desarrollar sistemas PCM que sirvan para un mejor manejo del lado de la demanda,


31

sirviendo como herramienta para administrar la demanda eléctrica y para suministro de

energía, permitiendo una mayor eficiencia y una producción más económica.

La tecnología de PCM ha sido desarrollada e integrada en el sistema de refrigeración

como un método para ahorrar energía y tener un mayor control.

Ilustración 3.16 muestra el sistema que se va a analizar de aquí hacia delante:

Ilustración 3.16. Intercambiador PCM integrado en sistema de refrigeración, en diferentes puntos del ciclo

Tenemos por tanto tres posibilidades, PCM A, PCM B y PCM C.

El objetivo del PCM en la zona líquida es el de obtener un beneficio de las condiciones

ambiente más bajas que se producen por la noche. Suministra carga al condensador,

permitiendo almacenar la energía por la noche y utilizarla durante el día. El objetivo del

PCM en la zona de succión, zona de estado gas, es limitar el sobrecalentamiento en la

línea suministrando capacidad térmica.

El propósito principal del estudio es examinar este nuevo uso, concretando en los

siguientes objetivos:

- Medir el COP de la planta.

- Medir y validar el comportamiento de la planta con y sin intercambiadores de

cambio de fase.

Se lleva a cabo una descripción de cómo va a ser el proceso de medida,

instrumentación utilizada y parámetros a medir.

En todos los casos, los resultados se han comparado con el sistema básico sin

intercambiadores. Estos intercambiadores son de carcasa y tubo con el flujo de

refrigerante por los tubos y el PCM por la carcasa.


32

Tanto para PCMA como PCMB los materiales utilizados tienen un punto de fusión

de 21ºC, temperatura escogida de acuerdo a las condiciones locales, mientras que

PCMC tiene una temperatura de fusión de 8ºC, de acuerdo con el sobrecalentamiento

usado y las ganancias de calor.

Resultados:

A) PCMA entre el compresor y el condensador.

La Ilustración 3.17 nos muestra como el COP del ciclo es alrededor de un 6%

mayor que sin el uso de PCM.

Ilustración 3.17. Comparación del COP entre sistema básico y el sistema añadiéndole el PCMA

Esto es debido a una menor presión de condensación y un mayor subenfriamiento,

dónde PCMA actúa como un condensador extra. Queda reflejado en Ilustración

3.18 e Ilustración 3.19:


33

Ilustración 3.18. Presiones en condensador y evaporador, comparando entre ciclo básico y ciclo con PCMA

Ilustración 3.19. Temperaturas antes de la válvula, comparando entre ciclo básico y ciclo con PCMA

B) PCMB entre condensador y válvula de expansión.

En este caso el COP es un 8% mayor que en el sistema básico. El efecto de la

diferente temperatura de entrada del aire al condensador es pequeño y el mayor

COP se puede explicar en la Ilustración 3.21 la cual muestra como el PCMB da

una menor temperatura antes de la válvula de expansión.


34

Ilustración 3.20. Comparación del COP entre el ciclo básico y el ciclo con PCMB

El incremento de COP esperado no ha sido tal debido al incremento de la caída de

presión que se produce en el PCMB. Esto hace pensar que se debe investigar más en este

aspecto para maximizar la transferencia de calor y minimizar la caída de presión.

Ilustración 3.21. Temperatura del refrigerante antes de la válvula, comparando el ciclo básico y el ciclo con

PCMB

C) PCMC entre evaporador y compresor.

En este caso el COP de ambos sistemas son similares, la mayor diferencia entre

ellos es en la actuación del evaporador. Con la introducción del PCMC se

consigue dar una mayor estabilidad de temperatura en la válvula de expansión y

controlar un menor sobrecalentamiento.


35

Ilustración 3.22. Comparación de COP entre el ciclo básico y el ciclo con PCMC

(Fuqiao Wang, 2007)Fuqiao Wang lleva a cabo una simulación dinámica de este sistema.

En esta segunda parte se va a llevar a cabo la misma comparación que en la Parte 1,

pero en este caso utilizando un modelo de simulación dinámica. Posteriormente se llevará

a cabo una comparación entre ambos métodos para la validación de resultados.

El modelo desarrollado, está basado en un lumped-parameter method. El condensador

y el evaporador son tratados como tanques de almacenamiento en diferentes estados, los

cuales tienen una región sobrecalentada, una bifásica y otra subenfriada. En las regiones

con una sola fase los parámetros son considerados homogéneos mientras que en la región

bifásica consideramos equilibrio químico.

El modelo del compresor es considerado como un proceso adiabático, utilizando una

eficiencia isentrópica para su caracterización. El proceso de expansión es considerado

isentálpico.

El PCM es tratado como un modelo de transferencia unidimensional, siendo un

intercambiador de carcasa y tubo. Se describen detalladamente cada uno de estos

modelos.

Validación de los resultados dinámicos.

Se han comparado los modelos sin incluir PCM, y se como se muestra en ambos

procedimientos coinciden en los resultados, teniendo en cuenta el posible error del test en

la Parte 1.


36

Ilustración 3.23. Comparación sin PCM del COP obtenido experimentalmente y el COP calculado

mediante la simulación dinámica

A continuación se procede a la comparación en este caso con PCM posicionado entre

el condensador y la válvula de expansión. La Ilustración 3.24 muestra como los resultados

empiezan a acercarse a partir de los 70 minutos. Los principales errores se producen al

principio de la operación, lo que puede ser debido a los siguientes factores:

- La distribución másica inicial del refrigerante en los diferentes componentes es

asumida como en equilibrio bifásico.

- El coeficiente de transferencia de calor usado para el condensador y el evaporador

procede de correlaciones donde se suponen condiciones estáticas.

- Para el modelo, el tiempo de parada es cada 0,2 s, pero la medida se lleva a cabo

cada 5 s aproximadamente.

Ilustración 3.24. Comparación del COP con PCM obtenido experimentalmente y el obtenido a través de la

simulación dinámica


37

Conclusiones:

Este modelo dinámico desarrollado puede ser usado en el diseño y optimización del

sistema. Se puede encontrar que el modelo tiene una alta coincidencia en los resultados

con respecto a los test de la Parte 1, tanto para presiones, temperaturas, como para COP.

Al ser un modelo dinámico, los parámetros del sistemas son muy sensibles a sus

condiciones iniciales, esto hace que los resultados tengan errores iniciales.

(Fuqiao Wang, 2007) Finalmente Fuqiao Wang evalúa la utilización del sistema de cara

a los posibles ahorros de energía y el control del proceso.

En esta tercera parte lo que se lleva a cabo es la explicación del nuevo enfoque de los

PCM en los ciclos de refrigeración.

El uso tradicional de los PCM radica principalmente en el almacenamiento de frío en

horas valle para luego ser utilizado en horas punta, así como para conseguir un menor

tamaño del sistema, menor coste de arranque y una mayor eficiencia.

Comparando con este uso tradicional, se puede conseguir un mayor COP mediante el

incremento del subenfriamiento con PCMB, minimizando el sobrecalentamiento con

PCMC y reduciendo la presión de condensación con PCMA.

PCMB incrementando el subenfriamiento:

Investigaciones muestran que diferentes temperaturas de cambio de fase tienen

diferentes influencias en el sistema. Ilustración 3.25 muestra los resultados de este estudio

y cómo el COP del sistema varia con la temperatura de PCMB y el tiempo.


38

Ilustración 3.25. Variación del COP y del subenfriamiento con PCMB según diferentes temperaturas de

cambio de fase a lo largo del tiempo.

Se puede observar como el mayor COP se obtiene bajando la temperatura de cambio

de fase, aunque también hay que tener en cuenta que esta disminución de la temperatura

puede afectar a la capacidad de carga del PCM.

Por tanto, una menor temperatura de cambio de fase puede mejorar el COP pero podría

limitar la carga, por lo que, la selección de este parámetro es importante para todas las

aplicaciones.

Otro aspecto importante a tener en cuenta es la influencia de la temperatura ambiente

en el comportamiento del sistema. En el caso de un sistema básico de refrigeración, cuanta

mayor sea la temperatura ambiente peor es el COP que obtenemos.

En el caso de un sistema con PCM la situación es ligeramente diferente, cuando se

aplica una mayor temperatura ambiente al sistema, la mayor temperatura del condensador

tiende a incrementar la diferencia de temperatura entre refrigerante y temperatura de

cambio de fase del PCM, lo que provoca que haya una mejor transferencia de calor. El

efecto del subenfriamiento también es mejor con mayores temperaturas. Todo esto atenúa

el efecto negativo debido a la mayor temperatura de condensación.


39

PCMC minimizando el sobrecalentamiento:

COP DEL SISTEMA: El poder tener un sobrecalentamiento más bajo permite tener un

COP más alto, porque permite al evaporador trabajar con un mayor coeficiente de

transferencia de calor. Esto, a su vez, provoca un aumento de la presión del evaporador,

disminuyendo el trabajo requerido. El descenso del sobrecalentamiento también reduce

el trabajo de compresión.

ESTABILIZACION DEL SISTEMA: PCMC atenúa la variación de temperatura del

refrigerante.

PCMA reduciendo la presión del condensador:

La razón de la mejora del COP radica en el descenso de la presión del condensador,

debido al hecho de que la mayor parte del enfriamiento desde el estado de

sobrecalentamiento se lleva a cabo en PCMA y esto permite al condensador a operar con

más eficiencia bajando la temperatura de condensación.

La Ilustración 3.26 muestra este descenso de la presión respecto del sistema base:

Ilustración 3.26. Presiones de condensación del sistema con PCMA y el sistema base

3.1.7 Energía solar y producción de frío

3.1.7.1 Refrigeración por absorción

Una de las formas más utilizadas en la hibridación solar – producción de frío es el ciclo

de refrigeración por absorción junto con un receptor solar, el cual se comportará como la

fuente de calor necesaria para completar el ciclo.


40

Sin embargo este sistema tradicional presenta una serie de inconvenientes como es el

bajo COP y el fluctuante suministro solar. En particular, como las características solares

van variando, el desarrollo del sistema puede deteriorar. Como resultado, el potencial de

refrigeración del sistema no será capaz de trabajar de manera consistente durante el día.

Entre las posibles soluciones se plantean sistemas con almacenamiento o un sistema

auxiliar de refrigeración accionado por energía eléctrica, aunque ambos tipos de solución

conllevan un incremento de coste de operación y de inversión inicial.

(S.M. Xu, 2011)S.M. Xu et al. realizan una investigación sobre un nuevo sistema de

refrigeración por absorción con energía solar con tecnología avanzada de

almacenamiento.

Con este estudio quieren solventar parte de los problemas anteriormente comentados,

y para ello utilizan una tecnología de transformación de energía con masa variable y

almacenamiento (VMETS). Este sistema logra ayudar a compensar la inconsistencia entre

la radiación solar y la demanda de aire acondicionado.

Se utiliza como fluido de trabajo bromuro de litio acuoso. La energía que se recibe del

colector solar es transformada en primer lugar a energía química del fluído de trabajo y

almacenada en el sistema. Entonces, se transforma en energía térmica por la refrigeración

por absorción cuando el sistema lo demanda.

Entre las conclusiones que se extraen de este estudio, destaca, en comparación con el

sistema común, que el fluido de trabajo es directamente conducido por la energía solar,

siendo más eficiente. La diferencia de temperaturas en el intercambiador se reduce,

aumentando la eficiencia del colector.

(W. Rivera, 2010)W.Rivera et al. dan un paso más en la hibridación y crean un sistema

de refrigeración solar intermitente para producción de hielo con amoníaco y nitrato de

litio. Consiste en un colector cilíndrico parabólico actuando como generador-absorbedor.

Los elementos principales son: condensador, tanque de almacenamiento, válvula de

expansión, tubo capilar, evaporador y el colector cilíndrico parabólico. Este sistema opera

exclusivamente con energía solar y no se requieren partes móviles.

El proceso que se desarrolla es el siguiente; durante el día el fluido de trabajo es

calentado por la radiación solar en el colector hasta llegar a la temperatura de saturación.


41

El amoniaco es parcialmente evaporado de la solución y va hacia el condensador donde

es condensado por agua o aire y almacenado en el tanque. Por la noche, el amoniaco

liquido pasa por la válvula de expansión descendiendo su presión y temperatura y

produciendo el efecto frigorífico en el evaporador.

La temperatura y presión en el generador-absorbedor decrece por la temperatura

ambiente, de esta manera el amoniaco vapor vuelve al generador-absorbedor,

comenzando el ciclo de nuevo.

Este sistema es capaz de generar temperaturas de evaporación de hasta -11ºC durante

varias horas, demostrando ser una buena alternativa tecnológica para la producción de

hielo en regiones donde no hay suministro eléctrico.

3.1.7.2 Sistema híbrido bomba de calor PV/T

La energía fotovoltaica es utilizada para generar electricidad, sin embargo los módulos

fotovoltaicos tienen una eficiencia de conversión energía solar – electricidad muy baja,

menor del 20%. El resto es convertido a calor residual. Por ello muchos estudios han

llevado a cabo investigaciones sobre el efecto de la temperatura de la célula en los

módulos, y se concluye en que una disminución de la temperatura de la célula supone un

aumento de la eficiencia de conversión.

De esta forma surge la idea de usar módulos refrigerados bien por aire o bien por agua,

incluso ser utilizado el calor extraído para generar agua caliente sanitaria. Las mejoras

por el uso del agua y el aire no han sido demasiado altas.

Con este sistema híbrido se acopla un panel fotovoltaico con un ciclo de compresión

mecánica, una bomba de calor, donde el panel actúa como evaporador. Se consigue un

doble efecto, por un lado el panel es un elemento más del ciclo de compresión, y por

otro lado el calor generado en el panel es absorbido por el refrigerante, de esta forma se

consigue descender la temperatura del panel fotovoltaico y mejorar su eficiencia.

(Hainan Hu, 2010) Hainan Hu et al. estudian las características dinámicas de este

sistema híbrido. El sistema utilizado viene dado en la Ilustración 3.27:


42

Ilustración 3.27 Esquema de principio del sistema PV/T analizado por Hainan Hu

Este sistema puede utilizarse a lo largo de todo el año, en verano dará frío al interior

y ACS, reduciendo la temperatura de las células y mejorando así su eficiencia. En

primavera y otoño se usa para dar ACS y mejorar también la eficiencia de la célula. Por

último en invierno el sistema da calefacción al interior y ACS.

La propia energía que generan los paneles fotovoltaicos es la utilizada para el

funcionamiento de la bomba de calor. Por tanto el sistema tiene tres modos de

funcionamiento: verano, invierno y primavera y otoño.

Las principales conclusiones que se extraen del estudio son:

Cuanta menor es la temperatura de evaporación, mayor es la eficiencia solar

fotovoltaica.

Cuanta menor es la temperatura de evaporación en el evaporador PV/T,

mayor es el calor transferido del panel solar.

El COP aumenta a medida que lo hace también la temperatura de

evaporación.


43

(Hongbing Chen, 2011) Hongbing Chen et al. también estudiaron este sistema con un

dispositivo experimental, utilizando como refrigerante R-134a.

Los componentes principales son: panel PV (actuando como evaporador), compresor,

condensador refrigerado por agua y válvula de expansión.

Ilustración 3.28 Esquema de principio dispositivo experimental estudiado por Hongbing Chen

En estos ensayos se miden los efectos de las siguientes variables:

El efecto de la radiación solar

Ilustración 3.29 Efecto de la radiación solar en el COP, potencia del compresor y capacidad del

condensador del sistema


44

Ilustración 3.30 Efecto de la radiación solar sobre el panel, en cuanto a la eficiencia eléctrica y la potencia

Se puede observar un claro aumento del COP con respecto a la radiación solar así

como el aumento tanto de la eficiencia eléctrica como de la potencia producida por el

panel. Queda comprobado el doble efecto que se consigue con el sistema híbrido PV/T.

El efecto de la temperatura del agua de entrada al condensador

El COP del sistema decrece con el incremento de esta temperatura. Sin embargo no

tiene apenas efecto en la potencia generada por el panel fotovoltaico y la eficiencia

eléctrica del mismo.

3.2 Estudio teórico

3.2.1 Caso base

3.2.1.1 Descripción general

A continuación se presenta el sistema que va a servir de referencia en el estudio de las

alternativas de almacenamiento, de cara a poder apreciar los beneficios que se alcanzan

con cada una de ellas.

Se trata del ciclo de compresión mecánica simple habitual en la producción de frío,

cuyo esquema de principio está reflejado en la siguiente ilustración:


45

VÁLVULA

CONDENSADOR

EVAPORADOR

COMPRESOR

Qc

Wc

Qe

3 2

4 1

Ilustración 3.31 Esquema de principio del ciclo de compresión mecánica simple

Donde:

- Wc : trabajo a aportar al compresor

- Qc : calor cedido por el condensador

- Qe : calor absorbido por el evaporador, es decir, efecto frigorífico del ciclo

Las condiciones que se estudian para este caso base son las siguientes:

Temperatura de condensación: 313 K

Temperatura de evaporación: 263 K

Potencia frigorífica: 1 kW

Rendimiento isentrópico: 70%

Refrigerante: R410A


46

Se calcularán los parámetros característicos del ciclo por kW de frío producido, es

decir, no se va a especificar en principio la demanda de potencia frigorífica que se tiene.

Para esas condiciones se calculan los parámetros característicos del ciclo, los cuales

servirán de referencia para las comparaciones posteriores.

3.2.1.2 Modelo matemático

Para llevar a cabo el estudio del ciclo, con las características principales del mismo, se

utiliza la herramienta informática EES (Engineering Equation Solver).

La función básica de este software es la resolución simultánea de un sistema de

ecuaciones. Dicho programa ofrece dos grandes ventajas en la elaboración de códigos

específicos de cálculo numérico: en primer lugar el programa identifica automáticamente

y agrupa las ecuaciones que deben ser resueltas simultáneamente. Esto simplifica el

proceso para el usuario y asegura que siempre se operará con una alta eficiencia. La

segunda ventaja y la más importante, que lo hace muy apto para este tipo de estudios es

la incorporación de funciones matemáticas y de propiedades termofísicas de fluidos puros

como amoníaco, acetona, agua o refrigerantes como R404A, R410A etc.

Las variables que se toman como independientes son:

Refrigerante empleado

Temperatura de condensación

Temperatura de evaporación

Potencia frigorífica (1 kW)

Rendimiento isoentrópico

Las presiones de alta y de baja vendrán determinadas por las temperaturas de

condensación y evaporación y la fracción del vapor correspondiente en cada caso.

Se dividen los cálculos en tres apartados principales:

Cálculo de propiedades termodinámicas en los puntos del ciclo

A. Entalpía 1: Se calcula a partir de T1 y x1

B. Entalpía 2s : A partir de pcondensación y s1

C. Entalpía 2: A partir del rendimiento isentrópico

D. Entalpía 3: Se calcula a partir de T3 y x3


47

E. Entalpía 4: Suponemos que la válvula de expansión es isoentálpica,

por tanto la entapía en 3 y en 4 será la misma.

A su vez se calcularán los volúmenes específicos en cada uno de los puntos mediante

la temperatura y la fracción del vapor.

Balances en los equipos

A. Evaporador:

𝑄𝐸𝑉 = 𝑚𝑟𝑒𝑓 · (ℎ1 − ℎ4)

B. Condensador:

𝑄𝐶𝑂𝑁 = 𝑚𝑟𝑒𝑓 · (ℎ2 − ℎ3)

C. Compresor:

𝑊𝐶𝑂𝑀𝑃 = 𝑚𝑟𝑒𝑓 · (ℎ2 − ℎ1)

Por último se analizará también el EER y el EER de Carnot, el máximo que se

podría lograr en el ciclo, el cual solo depende de las temperaturas de

condensación y de evaporación:

𝐸𝐸𝑅 = 𝑄𝐸𝑉/𝑊𝐶𝑂𝑀𝑃

𝐸𝐸𝑅𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1

𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑

𝑇𝑒𝑣𝑎𝑝− 1

De esta forma se logra tener todo el ciclo caracterizado, para unas condiciones de

contorno dadas.

3.2.1.3 Caracterización del sistema

Se resuelve mediante el modelo nuestro sistema base propuesto, obteniendo los

siguientes parámetros característicos del mismo:


48

Entalpía punto 1 418 kJ/kg

Entalpía punto 2 475,6 kJ/kg



Presión de condensación 2426 kPa

Presión de evaporación 572 kPa

Potencia compresor 0,379 kW/kWf

Caudal de refrigerante 0,00659 kg/s/kWf

EER 2,64

EER de Carnot 5,26 Tabla 3.2 Parámetros principales del ciclo del caso base por kW de frío

Debido a que la temperatura evaporación dependerá de la aplicación que tenga el ciclo

frigorífico (bien a niveles de congelación, o a niveles de acondicionamiento de aire), y la

de condensación dependerá de las condiciones climáticas exteriores, a continuación se

realiza un análisis paramétrico de cómo influyen estos factores en las características del

ciclo:

Estudio de la influencia de la temperatura de evaporación

Se mantiene la temperatura de condensación en 40ºC.

Tevaporación(K) EER EER Carnot Wcomp (kW/kWf)

258 2,30 4,69 0,43

261 2,50 5,02 0,40

264 2,72 5,39 0,37

267 2,97 5,80 0,34

270 3,26 6,28 0,31

273 3,59 6,83 0,28

276 3,97 7,46 0,25

279 4,43 8,21 0,23

282 4,97 9,10 0,20 Tabla 3.3 Dependencia del EER y consumo del compresor según la temperatura de evaporación

La siguiente gráfica muestra el carácter ascendente del EER respecto de la temperatura

de evaporación:


49

Ilustración 3.32 Evolución del EER y del EER Carnot respecto de la temperatura de evaporación

Estudio de la influencia de la temperatura de condensación

Se mantiene la temperatura de evaporación en 263K para centrar la atención

sólo en la influencia de la temperatura de evaporación

Tcondensacion(K) EER EER Carnot Wcomp (kW/kWf)

283 8,19 13,15 0,12

288 6,37 10,52 0,16

293 5,15 8,77 0,19

298 4,27 7,51 0,23

303 3,60 6,58 0,28

308 3,07 5,84 0,33

313 2,64 5,26 0,38

318 2,28 4,78 0,44

323 1,96 4,38 0,51 Tabla 3.4 Dependencia del EER y consumo del compresor según la temperatura de condensación


50

La influencia de la temperatura de condensación queda reflejada en la gráfica

siguiente:

Ilustración 3.33 Evolución del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de condensación

La influencia conjunta de ambas temperaturas va a quedar definida mediante un

gráfico en 3D. En él se puede observar como a medida que la temperatura de evaporación

y de condensación se acercan, el crecimiento de la eficiencia llega a ser exponencial.


51

Ilustración 3.34 Evolución del EER respecto de la temperatura de evaporación y de condensación

Para apreciar mejor el carácter creciente de la gráfica hacemos zoom en la zona de

EER más bajos:

Ilustración 3.35 Zoom a la evolución del EER respecto la temperatura de evaporación y de condensación


52

En este caso ya si se puede apreciar la tendencia de la gráfica y cómo se aumenta la

eficiencia a medida que aumentamos y disminuimos la temperatura de evaporación y

condensación respectivamente.

En cuanto al EER de Carnot, éste sigue la misma evolución que el EER del ciclo, como

muestra la siguiente ilustración:

Ilustración 3.36 Evolución del EER de Carnot respecto de la temperatura de condensación y de evaporación

Si volvemos a hacer zoom hacia EER más pequeños:


53

Ilustración 3.37 Zoom a la evolución del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación y de

condensación

Una vez que se tiene el caso base definido y caracterizado, se prosigue proponiendo

los diferentes ciclos frigoríficos con diferentes alternativas de almacenamiento,

exponiendo las ventajas e inconvenientes principales respecto del caso base y el objetivo

principal que se quiere lograr al implementar los sistemas.

3.2.2 Influencia de las características del refrigerante

3.2.2.1 Estudio preliminar

Para desarrollar las alternativas y los modelos se debe elegir un refrigerante, en este

apartado se realiza un estudio previo de qué refrigerante, de entre los más usados en la

actualidad, es el óptimo para nuestro estudio.

Se utiliza la alternativa 1, descrita posteriormente, en la cual tenemos 3 zonas de

almacenamiento, en los puntos 1, 2 y 3 respectivamente del ciclo, y cuyo esquema de

principio queda reflejado en la Ilustración 3.38:


54

Ilustración 3.38 Esquema de principio del sistema para el estudio de los refrigerantes: alternativa 1

Se utiliza este modelo debido a que presenta el almacenamiento en los tres puntos

característicos del ciclo, de tal forma que podemos estudiar cuál es el tamaño de dichos

depósitos según el refrigerante empleado.

Los refrigerantes que se seleccionan para el análisis son los más utilizados

actualmente:

REFRIGERANTE USO

R134a Doméstico, aire acondiciondo, automoción, plantas enfriadoras

R407C Aire acondicionado autónomo, plantas enfriadoras

R410A Aire acondicionado autónomo, plantas enfriadoras

R404A Frío industrial

R717 Plantas enfriadoras, frío industrial Tabla 3.5 Principales refrigerantes en la actualidad

Se supone un ciclo de compresión mecánica simple con los siguientes datos iniciales:





55


Horas de funcionamiento: 1 h

Se vuelve a llevar a cabo el estudio por kWh de frío producido, independizando la

demanda de frío total del estudio.

El modelo matemático empleado es el mismo que el descrito en el 3.2.1 añadiendo

además el cálculo de los volúmenes de almacenamiento, los cuales se calculan de la

siguiente manera:

- Cálculo del volumen específico de cada uno de los puntos del ciclo, a partir de la

temperatura y la fracción de vapor(x)

- Se calcula el gasto total de refrigerante que vamos a tener(kg de refrigerante)

- El volumen del depósito vendrá dado del producto entre el gasto total y el volumen

específico.

Para los refrigerantes enunciados anteriormente se estudian los tamaños de los

depósitos.

En las siguientes tablas se muestran los tamaños de los depósitos que se obtienen para

cada uno de los refrigerantes anteriores:

R134a

Tamaño depósito 1 2,629 m3/kWhf



Volumen específico 1 0,09952 m3/kg



EER 2,821 Tabla 3.6 Tamaños de depósitos y EER para el R134a

R717







EER 2,996 Tabla 3.7 Tamaños de depósitos y EER para el R717


56

R407C







EER 2,415 Tabla 3.8 Tamaños de depósitos y EER para R407C

R410A







EER 2,64 Tabla 3.9 Tamaños de depósitos y EER para el R410A

R404A







EER 2,47 Tabla 3.10 Tamaños de depósitos y EER para el R404A

Además de estos cinco fluidos refrigerantes principales, se analizan las características

del R12 y R22, ya prohibidos, pero muy usados en el pasado.

R12







EER 2,9 Tabla 3.11 Tamaños de depósitos y EER del R12


57

R22







EER 2,872 Tabla 3.12 Tamaños de depósitos y EER para el R22

Una vez analizados todos los posibles tamaños de los fluidos refrigerantes y para

las condiciones que se establecen, se pueden ya entrever qué refrigerantes son los más

aptos, desde el punto de vista del tamaño de los depósitos.

A priori, los depósitos 1 y 2 van a ser los más importantes en la decisión, ya que tienen

unas dimensiones mucho mayores respecto del depósito 3.

En cuanto al tamaño del depósito 1 los refrigerantes más aptos son:

1. R410A

2. R717

Si nos centramos en el tamaño del depósito 2:

1. R410A

2. R407C

Parece que el R410A va a ser el refrigerante más adecuado, sin embargo, en cuanto a

niveles de eficiencia, no es el que presenta una mayor eficiencia.

El R12, R22, R134a y R717 tienen un EER mayor que el del R410A.

Pese a ello la gran diferencia de tamaño por kWhf que presenta el R410A con los

demás, hace pensar que compensará la menor eficiencia en el ciclo.


58

3.2.2.2 Análisis para diferentes condiciones

Debido a que en el estudio preliminar se supone una temperatura de evaporación de

263K, resulta útil estudiar cómo va variando el tamaño de los equipos según dicha

temperatura de evaporación y para cada refrigerante.

En este caso la temperatura de condensación se sigue manteniendo en 313K, ya que es

una temperatura que nos viene impuesta por el ambiente.

Se realiza, por tanto, un estudio paramétrico del tamaño del depósito 1 frente a la

temperatura de evaporación, desde 253K hasta 278K (dicha temperatura de evaporación

depende de la aplicación que tenga el ciclo frigorífico).

El resultado del estudio paramétrico se especifica en la Tabla 3.13, donde los valores

de tamaño están expresados en m3/kWhf :

Temperatura(K) R134a R717 R407C R410A R404A

253,2 4,074 2,140 2,746 1,576 2,445

254,5 3,838 2,024 2,595 1,498 2,315

255,8 3,618 1,916 2,455 1,424 2,193

257,1 3,413 1,815 2,323 1,355 2,078

258,4 3,221 1,720 2,199 1,289 1,970

259,7 3,042 1,631 2,084 1,228 1,869

261,0 2,875 1,547 1,975 1,170 1,774

262,4 2,719 1,463 1,866 1,111 1,678

263,7 2,572 1,390 1,770 1,059 1,595

265,0 2,435 1,321 1,681 1,010 1,516

266,3 2,306 1,256 1,597 0,964 1,441

267,6 2,185 1,195 1,517 0,921 1,371

268,9 2,072 1,137 1,443 0,879 1,305

270,3 1,966 1,079 1,367 0,837 1,238

271,6 1,866 1,028 1,301 0,800 1,180

272,9 1,772 0,980 1,239 0,765 1,124

274,2 1,683 0,935 1,180 0,732 1,072

275,5 1,600 0,892 1,125 0,701 1,022

276,8 1,521 0,852 1,072 0,671 0,976

278,2 1,447 0,811 1,019 0,640 0,928 Tabla 3.13 Estudio paramétrico del tamaño del depósito 1 según la temperatura de evaporación y del

refrigerante


59

La siguiente gráfica muestra cómo evoluciona el tamaño del depósito 1 con la

temperatura de evaporación para los diferentes principales refrigerantes:

Ilustración 3.39 Evolución tamaño deposito 1 según la temperatura de evaporación, para cada tipo de

refrigerante

Se vuelve a comprobar como el R410A es el que menor tamaño del depósito supone

en todos los casos, luego, a priori, es el fluido refrigerante que vamos a utilizar como

referencia en el proyecto.

Se lleva a cabo el mismo análisis para el tamaño del depósito 2, obteniendo la siguiente

gráfica:


60

Ilustración 3.40 Evolución del tamaño del depósito 2 según la temperatura de evaporación, para cada tipo

de refrigerante

En cuanto a la eficiencia, se repite el mismo estudio, para poder apreciar cuál es la

evolución que presentan y comparar entre los refrigerantes:

Ilustración 3.41 Estudio del EER según la temperatura de evaporación, para cada tipo de refrigerante


61

En este caso se aprecia cómo el EER del R410A no es el más alto. Pese a ello no hay

demasiadas diferencias entre los más altos, luego se presupone que es un factor que se

compensa con la diferencia de tamaño de los depósitos respecto del resto de refrigerantes.

3.2.2.3 Caracterización termodinámica

Para concluir el análisis de los diferentes refrigerantes a utilizar, se realiza una

caracterización de las propiedades termodinámicas más significativas.

En este caso, las propiedades que se analizan son la entalpía y el volumen específico

respecto del título de vapor, para, de esta manera, poder tener una estimación de cuánta

energía somos capaces de dar respecto a la cantidad de gas formado, analizando a su vez

el volumen específico, lo que va a dar una idea del tamaño del posible depósito.

Los resultados obtenidos para cada uno de los refrigerantes son los siguientes:

R134a

Ilustración 3.42 Entalpía-Volumen específico respecto del título de vapor para el R134a

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Vo

lum

en e

spec

ífic

o (

m3 /

kg)

Fracción de vapor

Enta

lpía

(kJ

/kg)

R134a

Entalpía Volumen


62

R717

Ilustración 3.43 Entalpía-Volumen específico respecto del título de vapor para el R717

R407C

Ilustración 3.44 Entalpía-Volumen específico respecto del título de vapor para el R407C

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Vo

lum

en e

spec

ífic

o (

m3 /

kg)

Fracción de vapor

Enta

lpía

(kJ

/kg)

R717

Entalpía Volumen

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450V

olu

men

esp

ecíf

ico

(m

3 /kg

)

Fracción de vapor

Enta

lpía

(kJ

/kg)

R407C

Entalpía Volumen


63

R410A

Ilustración 3.45 Entalpía-Volumen específico respecto del título de vapor para el R410A

R404A


0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Vo

lum

en e

spec

ífic

o (

m3 /

kg)

Fracción de vapor

Enta

lpía

(kJ

/kg)

R410A

Entalpía Volumen

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Vo

lum

en e

spec

ífic

o (

m3/k

g)

Fracción de vapor

Enta

lpía

(kJ

/kg)

R404A

Entalpía Volumen


64

Analizando la tendencia de las curvas se aprecia como todas tienen un carácter

creciente, a medida que aumenta el título de vapor, tanto el volumen específico como la

entalpía aumentan.

Importante también es observar la evolución de la curva, la cual se aprecia casi lineal

respecto de la fracción de vapor.

La tendencia ideal de la entalpía y el volumen específico sería la representada por la

siguiente ilustración:

Ilustración 3.47 Tendencia más favorable de las curvas del refrigerante, en cuanto a entalpía y volumen

específico respecto de la fracción de vapor

Presentaría un carácter creciente de entalpía y volumen específico, pero el volumen

específico en los tramos centrales crecería poco, es decir, con poco incremento del tamaño

del depósito, se conseguirían mayores incrementos de entalpía.

Se sigue con el análisis de nuevos refrigerantes para intentar acercarnos a una curva

como la anterior, se estudia el R411A, con los siguientes resultados:


65

R411A


En este caso la evolución de la entalpía y del volumen específico respecto del título de

vapor en el caso del R411A presenta una forma semejante a la de los refrigerantes

anteriormente analizados.

3.2.2.4 Conclusiones

Después de llevar a cabo el análisis de las características y propiedades de los

principales refrigerantes utilizados en la industria, se opta por la utilización del R410A,

por los siguientes motivos:

- Se trata de uno de los refrigerantes más utilizados hoy en día, sobre todo en el

sector de la climatización.

- Presenta los menores volúmenes de los depósitos en todas las situaciones

estudiadas respecto a la temperatura de evaporación.

- En todos los casos anteriores, los caudales de refrigerante necesarios para el

R410A son los convencionales para los ciclos de compresión mecánica, no

suponiendo problemas en cuanto al trazado de la red de tuberías y conductos.

- La curva volumen específico – título de vapor presenta una forma que no se aleja

demasiado de la curva buscada.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Vo

lum

en e

spec

ífic

o (

m3/k

g)

Fracción de vapor

Enta

lpía

(kJ

/kg)

R411A

Entalpia Volumen


66

Se trata de un refrigerante, que a diferencia de los haloalcanos, que contienen cloro y

bromo, solo contiene fluor, luego no contribuye a la reducción de la capa de ozono.

El R410A es un refrigerante de alta seguridad, clasificado por ASHRAE como A1/A1,

es decir, no tóxico y no inflamable aun en caso de fugas.

Aunque el R410A es el óptimo en cuanto a tamaños, en una de las alternativas de

almacenamiento, la alternativa que lleva acoplado un sistema de absorción, se opta

por la utilización del R717, por la viabilidad de la misma.

3.2.2.5 Resumen comparativo de refrigerantes

El cuadro comparativo se va a llevar a para las condiciones del apartado 3.2.2.1.


67

Refrigerante Tamaño depósito1 (m3/kWhf) Tamaño depósito2(m3/kWhf) EER Conclusiones

R134a 2,63 0,596 2,82 Pese a ser unos de los refrigerantes estudiados con

mayor EER, sus restricciones de tamaño hacen difícil

su aplicación en este tipo de ciclos.

R717 1,42 0,436 2,99 El amoníaco es el refrigerante que mayor EER

presenta y el segundo con menor tamaño del depósito

1. Se considera apto para la aplicación aunque no el

mejor.

R407C 1,81 0,399 2,42 Presenta el EER más bajo de entre los refrigerantes

estudiados. Además el tamaño de los depósitos

obtenido es demasiado alto.

R410A 1,08 0,315 2,64 Se trata del refrigerante con menor tamaño tanto del

depósito 1 como del 2, con un EER de entre los más

altos. Se considera el mejor refrigerante para las

aplicaciones posteriormente estudiadas.

R404A 1,63 0,41 2,47 No presenta un EER demasiado alto, además, el

tamaño del depósito 1 es uno de los mayores que se

obtienen de entre los refrigerantes estudiados. Tabla 3.14 Cuadro resumen comparativo de los principales parámetros obtenidos de cada refrigerante y conclusiones


68

3.2.3 Alternativas de almacenamiento

3.2.3.1 Alternativa 1: Utilización de tres depósitos, en los puntos 1, 2 y

3 del ciclo

Objetivo

Con esta alternativa se pretende conseguir una mejora en la eficiencia del proceso así

como un descenso del consumo. Al introducir 3 depósitos se puede jugar con la utilización

de los mismos para conseguir el máximo beneficio en cada instante. Es decir, se logra la

total independencia de todos los equipos que forman parte del ciclo de compresión

mecánica simple.

Descripción general

A continuación se presenta el sistema con almacenamiento de refrigerante en los tres

puntos más representativos del ciclo. Estos son los puntos 1, 2 y 3, es decir, después del

evaporador, compresor y condensador, respectivamente.

Dos de ellos almacenarán refrigerante en estado gaseoso (1 y 2) mientras que en 3 el

refrigerante estará en estado líquido.

En la Ilustración 3.49 se detalla el ciclo y la situación de los depósitos:


69

Ilustración 3.49 Esquema de principio de la alternativa 1

Beneficios del almacenamiento

- Almacenamiento con depósitos en 2 y 3: se consigue desacoplar el condensador

por el día del ciclo de compresión. El proceso será el siguiente: durante la noche

cargo el depósito 3 y descargo el depósito 2, utilizando el condensador, de esta

forma se consigue un mayor EER debido a la disminución de la temperatura de

condensación. Durante el día, el depósito 3 descarga completando el ciclo sin

necesidad de utilizar el condensador, cargando el depósito 2.

- Almacenamiento con depósitos 1 y 2: por el día se utiliza el depósito 2,

independizando del ciclo al compresor (ahorrándonos el coste de la energía

durante las horas punta). Se produce la carga del depósito 1. Durante la noche se

lleva a cabo el proceso contrario.

Incluso se pueden utilizar los depósitos 1 y 2 para conseguir frío nocturno, por el

día se descarga 2 y se consigue cargar 1 para después poder producir durante la

noche. Todo dependerá de las posibles aplicaciones que se busquen.


70

- Almacenamiento con depósitos 1 y 3: de esta forma se independiza tanto

compresor como condensador, sería la situación ideal. Se puede utilizar para

producir frío durante el día o durante la noche, según interese.

- Almacenamiento con depósitos 1, 2 y 3: en este caso se va a jugar con las

situaciones descritas anteriormente, de cara a obtener el máximo beneficio.

Inconvenientes principales

- Tamaño de los depósitos 1 y 2: debido a que el refrigerante se encuentra en fase

gas, teniendo un volumen específico alto, el tamaño de los depósitos puede

llegar a ser demasiado grande.

- Costes de la instalación: el refrigerante almacenado tiene un coste elevado y se

debe almacenar un gran volumen del mismo. Además de los costes adicionales

que supone la instalación de los depósitos.

Aunque en este caso no todo son desventajas, ya que, al contrario de las baterías, las

cuales una vez finalizan su uso suelen tener un valor residual nulo, el refrigerante

mantendría, a priori, su valor en el mercado pudiendo recuperar toda o parte de la

inversión inicial desarrollada.

Cabe destacar la importancia de las horas de funcionamiento del sistema en el diseño,

que van a ser clave en la determinación del tamaño de los depósitos. A más horas de

funcionamiento, mayor tamaño.

Análisis del proceso

Con el análisis del caso base se aprecia cómo a medida que la temperatura de

condensación y de evaporación se acercan se logra aumentar la eficiencia, luego en este

caso queda claro que la eficiencia aumentará al no utilizar el condensador durante el día.

También, el depósito 1 que permite independizar el compresor de la demanda de frío,

lo que da la oportunidad de su uso durante el día o durante la noche. Si se realiza por la


71

noche, dónde la electricidad es más barata, constituiría también un ahorro en los costes

de operación asociados.

La temperatura de condensación depende de las condiciones climáticas del lugar y del

momento en el que se condensa, y la temperatura de evaporación tiene una dependencia

clara con la aplicación que vaya a tener el ciclo de producción de frío. Es por esto que se

realiza un análisis de cómo dependen los posibles tamaños de los depósitos, de las

condiciones del ciclo, en cuanto a temperatura de condensación y de evaporación.

En el análisis de la alternativa se tienen los siguientes parámetros característicos del

ciclo:


Refrigerante: R410A



Este análisis de la alternativa se realizará por kWh de frío, esto es, se quiere saber

cuánta es la influencia en el tamaño de los depósitos y en los consumos de los equipos,

con independencia de la demanda frigorífica que se tenga (ya que, a priori, no se tiene

conocimiento de ella y es genérica) y de las horas de funcionamiento (las cuales variarán

según la aplicación).

Para caracterizar cómo es la evolución del tamaño de los depósitos se hace un estudio

de la variación de ambos tamaños tanto con la temperatura de condensación, como con la

de evaporación, ya que esta variará según las aplicaciones a las que esté destinado el

equipo frigorífico.


72

A) EVOLUCIÓN DEL TAMAÑO DEL DEPÓSITO 1 RESPECTO DE LA

TEMPERATURA DE EVAPORACIÓN Y CONDENSACIÓN

Ilustración 3.50 Evolución del tamaño del depósito 1 respecto de la temperatura de condensación y

evaporación

A medida que aumenta la temperatura de condensación, el tamaño del depósito

aumenta, al contrario que la temperatura de evaporación; cuando ésta aumenta, el tamaño

del depósito disminuye.

Luego, a priori, los climas con unas temperaturas de condensación más bajas

favorecerían el descenso del tamaño del depósito. Además, aplicaciones con temperaturas

de refrigeración más altas, como la climatización, también favorecen este hecho.


73

B) EVOLUCIÓN DEL TAMAÑO DEL DEPÓSITO 2 RESPECTO DE LA


Ilustración 3.51 Evolución del tamaño del depósito 2 respecto de la temperatura de evaporación y de

condensación

En este caso se ha rotado el gráfico, a la izquierda se tiene la temperatura de

evaporación y a la derecha la de condensación, para que haya una mejor apreciación de

la evolución del tamaño.

Se puede comprobar cómo a medida que la temperatura de evaporación aumenta,

disminuye el tamaño, misma tendencia con la de condensación, a mayor temperatura de

condensación, menor tamaño.


74

Luego para el tamaño mínimo del depósito 2 interesa una temperatura de evaporación

mayor (por ejemplo regímenes de refrigeración) y una temperatura de condensación alta,

con climas cálidos.

C) EVOLUCIÓN DEL TAMAÑO DEL DEPÓSITO 3 RESPECTO DE LA


Ilustración 3.52 Evolución del tamaño del depósito 3 respecto de la temperatura de condensación y de

evaporación

En este caso la evolución es la misma respecto del caso anterior con la temperatura de

evaporación, pero con la de condensación no. A medida que la temperatura de

condensación desciende, desciende también el tamaño por kWhf.


75

El tamaño del depósito 3 es el menor de los 3 depósitos, luego es el menos restrictivo

desde el punto de vista constructivo y de espacio. Por tanto, siempre van a influir más las

características de los depósitos 1 y 2 que las del depósito 3.

Comparación con el caso base

En este caso la comparación con el caso base se va a llevar a cabo en la descripción de

las alternativas 2, 3 y 4 del proyecto.

En la alternativa 2 se compara la utilización de los depósitos 2 y 3 respecto del caso

base, en cuanto al aumento de la eficiencia.


base, en cuanto al ahorro económico que conlleva.


base, en cuanto a un aumento de eficiencia y reducción de costes por la independencia de

los equipos en el ciclo.

Aplicaciones

Las aplicaciones de esta primera alternativa, de la cual salen las tres alternativas

siguientes, están muy restringidas por el tamaño del depósito 1.

Con vistas a la mejora de eficiencia, un clima con grandes saltos térmicos durante el

día y la noche (climas desérticos) donde el condensador trabaje por la noche provocaría

un aumento del EER, que podría compensar el tamaño del depósito 2.

Para justificar la utilización del depósito 1 y poder compensar los costes asociados y

su gran tamaño, una posible aplicación sería aquella en la que la diferencia de costes en

electricidad durante el día y la noche sea muy grande. Sólo de esta manera se obtendría

un gran ahorro económico al producir por la noche.

Se estudia una posible aplicación, convendría un clima no demasiado cálido (15ºC por

la noche para la condensación) y con aplicación de climatización (para así disminuir el

tamaño del depósito 1), con grandes saltos térmicos.

Datos de entrada:



76




Refrigerante: R410A

Horas de funcionamiento: 1h

Se obtienen los siguientes resultados, por kWh frigorífico.

Tamaño depósito 1 (m3/kWhf ) 0,595



EER 11,13

EER Carnot 18,21 Tabla 3.15 Parámetros característicos de la aplicación de la alternativa 1

Si se establecen unas horas de funcionamiento concretas, por ejemplo una aplicación

que presente una demanda de 5 kW y 8 horas de funcionamiento, los volúmenes de los

depósitos obtenidos serían:

- Tamaño depósito 1 : 23,8 m3



Conclusión

Los tamaños de los depósitos por kWh de frío producidos son demasiado grandes, pero

según la posible demanda de potencia y aplicación que se tenga pueden ser rentables,

siempre y cuando no se tengan excesivas restricciones de espacio.


77

Por ello si se aplica el ciclo en regiones no demasiado cálidas y en régimen de

climatización, se puede observar cómo el rendimiento es mucho mayor y se consigue a

su vez reducir el tamaño del depósito 1, respecto a otros climas.

Debido a que la evolución del tamaño de los depósitos respecto de la temperatura de

evaporación y condensación es diferente para cada depósito, convendría separar esta

alternativa en dos, una en la que utilicemos el depósito 1(alternativa 3) y otra el depósito

2(alternativa 2), con el objetivo de potenciar las ventajas de cada una de ellas,

minimizando en lo posible el tamaño del depósito.

Otra alternativa posible es la alternativa 4, en la que se elimina sólo el depósito 2,

consiguiéndose así una independencia total del compresor y del condensador.

3.2.3.2 Alternativa 2: Utilización de los depósitos 2 y 3

Objetivo

El objetivo fundamental es el de aumentar la eficiencia del ciclo respecto del caso base,

independizando el condensador del resto del ciclo durante el día, utilizándolo por la

noche.


Debido al hecho de que el depósito 1 es el más voluminoso, una primera mejora

instantánea es la de eliminar dicho depósito y sólo quedarse con los depósitos situados en

los puntos 2 y 3 del ciclo.

El proceso que se sigue es el siguiente: durante el día el depósito 3 descarga hacia el

evaporador produciendo el efecto frigorífico, finalmente cargará el depósito 2. Durante

la noche será el momento en el que condense el refrigerante, pasando de estado gaseoso

en 2, al estado líquido, quedando almacenado en 3 para su posterior utilización.

El esquema de principio de esta primera alternativa queda definido en la ilustración

siguiente:


78


De esta manera se consigue independizar el condensador durante el día, período en el

que la temperatura exterior es mayor, lo cual hace que aumente la temperatura de

condensación.

Durante la noche será cuando se utilice el condensador, período durante el cual la

temperatura exterior es más baja, mejorando la eficiencia del ciclo.

Se está llevando a cabo, por tanto, una división del ciclo en dos pasos, el primero el de

la producción de frío y consumo de compresor, y el segundo el de la condensación del

refrigerante.

Como inconveniente principal se encuentra el coste asociado a la introducción de los

dos depósitos, los cuales deben estar bien aislados para no perder sus propiedades.

Además se prevé que el depósito 2 tenga un gran tamaño, al estar el refrigerante en

estado gas. Luego el espacio disponible va a ser crucial en la introducción o no de este


79

sistema. También adquiere un papel importante la demanda frigorífica que se tenga, ya

que a menor demanda se consigue disminuir el tamaño del depósito 2.


En el análisis del caso base se ha puesto de manifiesto como a medida que la

temperatura de condensación y de evaporación se acercan, la eficiencia aumenta

considerablemente, luego en este proceso, dónde al condensar por la noche la temperatura

de condensación disminuye, es claro que la eficiencia va a tener un gran aumento.

El segundo aspecto a analizar radica en el tamaño de los depósitos y cómo influyen las

temperaturas características del ciclo en ellos, en el análisis de la primera alternativa se

ha puesto de manifiesto cómo el tamaño del depósito 2 aumenta con la disminución de la

temperatura de condensación. En cuanto a la temperatura de evaporación, cuando

aumenta, disminuye el tamaño del depósito.

Para analizar la alternativa se tienen los siguientes parámetros característicos del ciclo:





El análisis de la alternativa se realizará de nuevo por kWh de frío, esto es, se quiere

saber cuánta es la influencia en el tamaño de los depósitos y en los consumos de los

equipos, con independencia de la demanda frigorífica que se tenga (ya que, a priori, no

no se tiene conocimiento de ella y es genérica) y de las horas de funcionamiento (las

cuales variarán según la aplicación).

Debido a que la temperatura de condensación depende de las condiciones

climatológicas del lugar, se realiza un estudio paramétrico de cómo influye en los

parámetros característicos.


80

Para dicho cálculo se supone el estado 2, el cual se carga durante el día, a la misma

temperatura de condensación que por la noche, ya que el condensador estará condensando

frente a esa temperatura.

Los resultados quedan reflejados en la siguiente tabla:

Tcond(K) Depósito 2 (m³/kWhf) Depósito 3 (m³/kWhf) EER EER Carnot Wcomp(kW/kWf)

283 0,4758 0,0157 8,19 13,15 0,12

284 0,4676 0,0159 7,76 12,52 0,13

285 0,4597 0,0161 7,36 11,95 0,14

286 0,4520 0,0163 7,00 11,43 0,14

287 0,4446 0,0165 6,68 10,96 0,15

288 0,4373 0,0167 6,37 10,52 0,16

289 0,4303 0,0169 6,09 10,12 0,16

290 0,4235 0,0171 5,83 9,74 0,17

291 0,4169 0,0173 5,59 9,39 0,18

292 0,4105 0,0175 5,36 9,07 0,19

293 0,4043 0,0178 5,15 8,77 0,19

294 0,3983 0,0180 4,96 8,48 0,20

295 0,3925 0,0183 4,77 8,22 0,21

296 0,3869 0,0185 4,59 7,97 0,22

297 0,3814 0,0188 4,43 7,74 0,23

298 0,3761 0,0190 4,27 7,51 0,23

299 0,3710 0,0193 4,13 7,31 0,24

300 0,3660 0,0196 3,98 7,11 0,25

301 0,3612 0,0199 3,85 6,92 0,26

302 0,3566 0,0202 3,72 6,74 0,27

303 0,3521 0,0205 3,60 6,58 0,28 Tabla 3.16 Parámetros principales del ciclo respecto de la temperatura de condensación

Se pueden observar dos efectos contrapuestos en el análisis. Por un lado, como era de

esperar, al disminuir la temperatura de condensación se aumenta la eficiencia del

condensador, mientras que el tamaño del depósito 2 por kWhf aumenta.

El tamaño del depósito en 2 es el aspecto más restrictivo de esta solución, ya que, pese

a haber eliminado el depósito 1, se siguen teniendo grandes tamaños en 2.


81

En la ilustración siguiente queda reflejada la tendencia de los tamaños de los depósitos

frente a la temperatura de condensación:

Ilustración 3.54 Evolución del tamaño de los depósitos según la temperatura de condensación

Se puede observar como el volumen del depósito 3 disminuye al disminuir la

temperatura de condensación, aunque, al ser tan pequeño respecto al del punto 2, no es

tan importante su variación.


El objetivo fundamental es el de aumentar la eficiencia, luego se pretende comparar

cómo se consigue aumentar la eficiencia respecto del caso base, en el cual no hay

almacenamiento.

Para llevar a cabo esta comparación se supone una temperatura de condensación

durante el día de en torno a 313 K (caso de referencia), comparándolo con las posibles


82

temperaturas de condensación que se conseguirían por la noche, las cuales dependen del

clima que se escoja como referencia.

EERCASO BASE = 2,64

Tcond(K) EER ΔEER ΔEER(%)

283 8,19 5,55 210,15

284 7,76 5,12 193,83

285 7,37 4,73 178,98

286 7,01 4,37 165,42

287 6,68 4,04 152,92

288 6,37 3,73 141,44

289 6,09 3,45 130,83

290 5,83 3,19 120,95

291 5,59 2,95 111,78

292 5,37 2,73 103,22

293 5,15 2,51 95,23

294 4,96 2,32 87,73

295 4,77 2,13 80,68

296 4,60 1,96 74,05

297 4,43 1,79 67,80

298 4,27 1,63 61,86

299 4,13 1,49 56,25

300 3,99 1,35 50,95

301 3,85 1,21 45,87

302 3,72 1,08 41,06

303 3,60 0,96 36,48 Tabla 3.17 Estudio del EER y el ΔEER respecto del caso base, según la temperatura de condensación


83

Se puede observar cómo se producen grandes aumentos respecto al EER de referencia,

logrando el objetivo buscado que es el de aumentar la eficiencia.

La siguiente ilustración muestra la tabla anterior de manera gráfica, representando el

porcentaje de incremento de EER respecto de la temperatura de condensación que se

tiene:

Ilustración 3.55 Evolución del ΔEER(%) respecto de la temperatura de condensación

Aplicaciones

Esta alternativa puede tener problemas en cuanto a su viabilidad, debido sobre todo al

gran tamaño que se obtiene del depósito 2.

Sin embargo, puede haber condiciones especiales en las cuales si sea aplicable a la

realidad, sobre todo en climas desérticos que presenten grandes saltos térmicos. En estos

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

283 285 287 289 291 293 295 297 299 301 303

ΔEE

R (

%)

Temperatura de condensación (K)


84

climas se puede llegar a temperaturas de más de 40ºC durante el día, mientras que por la

noche descienden hasta unos 10ºC.

Estas condiciones características de los climas desérticos harían la alternativa 2 muy

atractiva para los sistemas de refrigeración, ya que el enorme aumento de eficiencia que

se conseguiría (más del 200%) podría compensar el gran tamaño del depósito 2.

Todo esto dependerá de las condiciones de espacio del sistema de refrigeración, y de

la demanda de frío que se produzca, a mayor demanda, más compensará el uso de este

sistema, al caer mucho el consumo del compresor.

En el caso de climas no desérticos, sin un gran salto térmico entre el día y la noche,

este sistema no resultará muy atractivo, aunque en ciertos casos podría ser aplicable.

Se va a llevar a cabo un estudio de viabilidad del sistema en climas desérticos, para

ello se ha decidido estudiar un caso concreto.

La ciudad de Coober Pedy, situada al norte de Australia Meridional, en el Gran

Desierto Victoria, es la ciudad elegida. Se lleva a cabo un estudio de la evolución de las

temperaturas diarias a lo largo de un año completo, en este caso desde Octubre 2013 –

Septiembre 2014.

El salto térmico medio mensual, parámetro que más interesa y el salto térmico máximo

mensual se muestran en la siguiente tabla:

MES Tmax

promedio(ºC) Tmin

promedio(ºC) Salto

medio(ºC) Tmax

SaltoMax(ºC) Tmin

Saltomax(ºC) Salto

max(ºC)

Enero 37,8 23,4 14,4 47 19 28

Febrero 34,9 21,8 13,1 42 25 17

Marzo 32,8 19,7 13,2 38 22 16

Abril 25,7 15,4 10,3 29 11 18

Mayo 22,8 13,1 9,7 30 16 14

Junio 17,8 7,5 10,3 24 8 16

Julio 18,2 5,5 12,7 23 4 19

Agosto 20,9 6,7 14,1 31 10 21

Septiembre 26,6 11,2 15,4 36 15 21

Octubre 29,4 13,7 15,7 36 13 23

Noviembre 31,5 17,3 14,3 36 15 21

Diciembre 35,2 20,4 14,8 42 22 20 Ilustración 3.56 Temperaturas máximas, mínimas y saltos térmicos a lo largo del año en Coober-Pedy


85

Se puede observar cómo se producen grandes saltos de temperatura, sobre todo durante

los meses de verano, donde se llegan a encontrar saltos de hasta 28ºC en un solo día.

Puesto que la alternativa planteada tiene como objetivo la producción de frío, sería una

opción idónea para estos climas durante los meses más calurosos. Al ser un clima

desértico, incluso en los meses más fríos, las temperaturas son altas, llegando a alcanzar

los 30ºC, por lo que tampoco se descartaría la utilización de este sistema durante dichos

meses.

A continuación se analiza cuál sería el incremento de eficiencia que se produciría con

la utilización de la alternativa propuesta en Coober-Pedy frente al ciclo de compresión

mecánica simple.

Para ello se establece la temperatura de condensación 5ºC por encima de la temperatura

media mínima mensual (se supone que es la que se dará durante la noche). Los demás

datos del ciclo son los utilizados anteriormente y se exponen a continuación:




Refrigerante: R410A

Las mejoras de eficiencia son las que siguen:

Mes ΔEER ΔEER(%)

Enero 1,371 56,44

Febrero 1,364 51,51

Marzo 1,498 53,10

Abril 1,551 44,04

Mayo 1,69 43,58

Junio 2,553 55,15

Julio 3,406 74,68

Agosto 3,339 80,65

Septiembre 2,619 76,56

Octubre 2,301 73,49

Noviembre 1,781 60,68

Diciembre 1,589 60,56 Ilustración 3.57 ΔEER conseguido para cada mes del año


86

Se puede observar como la mejora es evidente durante todos los meses del año, incluso

en los meses de invierno, llegando hasta un 80% de incremento.

Gráficamente este incremento de eficiencia mensual vendría dado por:

Ilustración 3.58 Evolución del ΔEER(%) a lo largo del año

Para concretar cómo quedaría el sistema si lo ubicáramos en Coober-Pedy se plantea

un diseño del ciclo propuesto para el mes de Agosto:





Refrigerante: R410A


Los cálculos se vuelen a realizar por kWhf

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ΔEE

R (

%)

Mes del año


87

Los resultados obtenidos serían los siguientes:



EER 7,48

EER Carnot 12,12

Ilustración 3.59 Tamaño de depósitos y EER para la aplicación en Coober-Pedy en el mes de Agosto

Si se supone una demanda en la zona de 5 kW de frío y 8 horas de funcionamiento, los

tamaños de los depósitos serían:

- Tamaño depósito 2: 18,4 m3


Conclusión

Queda comprobado que esta alternativa, que sale directamente de eliminar sólo uno de

los depósitos, el depósito 1, y pese a tener un tamaño del 2 alto, puede resultar atractiva

para los climas extremos dada su notable mejora de la eficiencia.

3.2.3.3 Alternativa 3: Utilización de depósitos 1 y 2

Objetivo

Al utilizar los depósitos 1 y 2 se consigue independizar el compresor del ciclo, de esta

forma se puede utilizar el compresor tanto por el día como por la noche. Si se utiliza el

compresor por la noche lo que se pretende es disminuir los costes asociados al consumo

del compresor. La producción de frío se hace por el día, mientras que el compresor

consume energía durante la noche, en las llamadas horas valle.

Pero puede haber otras aplicaciones, en las que haya demanda de frío nocturna, dónde

el compresor se utilizará por el día, sobre todo aplicaciones asociadas a la presencia de


88

energía solar fotovoltaica que daría la energía eléctrica necesaria al compresor durante el

día, produciendo frío nocturno.


Se tienen dos depósitos de almacenamiento, situados a la entrada y salida del

compresor respectivamente. El proceso que se sigue es el siguiente:

- Si el objetivo es la producción de frío durante el día, el depósito 2 descarga durante

el día hacia el condensador y va cargando al depósito 1. Durante el régimen

nocturno el depósito 1 carga el depósito 2 a través del compresor.

De esta forma el único elemento consumidor de energía del ciclo se utiliza por la

noche, mientras que durante el día la máquina genera frío sin consumir energía

eléctrica.

- Si el objetivo es la producción de frío por la noche, el proceso es el contrario al

caso anterior, el depósito 1 descarga hacia 2 durante el día, y será por la noche

cuando se consumirá el frío. Caso asociado a la energía solar fotovoltaica.

El esquema de principio de la alternativa está reflejado en la Ilustración 3.60:


89


En el caso de producir frío durante el día, a pesar de la ventaja económica que supone

consumir durante las horas valle, este modelo sigue teniendo las grandes desventajas del

tamaño de los depósitos.

Ambos depósitos van a tener un volumen muy grande lo que puede ser restrictivo en

muchas de las posibles aplicaciones, aunque dependerá de la demanda frigorífica y de las

horas de funcionamiento.

Este hecho puede favorecer el uso del sistema para producir frío nocturno, ya que la

demanda se prevé sea menor y las horas de funcionamiento también.

Se tiene el proceso dividido en dos tramos, uno en el que se comprime el refrigerante,

y un segundo tramo de condensación y posterior evaporación del refrigerante, circulando

a través de la válvula de expansión.


90


Para llevar a cabo un análisis de la alternativa lo que se hace es ver cómo es la

evolución del tamaño de los depósitos según la temperatura de condensación, parámetro

más variable en cuanto al clima.

Para analizar la alternativa se tienen los siguientes parámetros característicos del ciclo:





Se vuelve a realizar el análisis por kWh de frío producido.

Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

Tcond(K) Depósito 1 (m³/kWhf) Depósito 2 (m³/kWhf) EER EER Carnot Wcomp(kW/kWf)

293 0,619 0,375 8,41 13,76 0,119

294 0,625 0,369 7,96 13,10 0,126

295 0,630 0,364 7,55 12,50 0,133

296 0,636 0,358 7,17 11,95 0,139

297 0,641 0,353 6,83 11,45 0,147

298 0,647 0,348 6,51 10,99 0,154

299 0,653 0,344 6,22 10,57 0,161

300 0,660 0,339 5,94 10,17 0,168

301 0,666 0,334 5,69 9,81 0,176

302 0,672 0,330 5,45 9,47 0,183

303 0,679 0,326 5,23 9,15 0,191

304 0,686 0,322 5,03 8,85 0,199

305 0,693 0,318 4,83 8,58 0,207

306 0,700 0,314 4,65 8,32 0,215

307 0,708 0,310 4,47 8,07 0,224

308 0,715 0,307 4,31 7,84 0,232

309 0,723 0,303 4,15 7,62 0,241

310 0,731 0,300 4,01 7,41 0,250

311 0,740 0,297 3,87 7,22 0,259

312 0,748 0,294 3,73 7,03 0,268

313 0,757 0,291 3,60 6,85 0,278 Tabla 3.18 Parámetros principales del ciclo de la alternativa 3 según la temperatura de condensación


91

En la ilustración siguiente se aprecia la evolución de los tamaños de los depósitos:

Ilustración 3.61 Influencia de la temperatura de condensación en el tamaño de los depósitos de la

alternativa 3

Se aprecia como siempre el tamaño del depósito 1 va a ser mayor que el del 2, luego

será en el depósito 1 en el que nos centraremos, para hacer la alternativa más viable.


En este caso la comparación con el caso base va a ser una comparación en cuanto a

costes de la energía. Por ello se supone que la producción de frío se realiza durante el día

y es por la noche cuando el compresor consume la energía eléctrica.

En el caso base la oferta y la demanda se satisfacen en el mismo instante, mientras que

con la propuesta se consigue desacoplar la oferta y la demanda, de tal forma que se

consume la energía en las llamadas horas valle.

La evolución de la demanda de energía varía según la hora del día, de tal forma que,

por lo general, en períodos de mayor demanda, el coste marginal de la energía aumenta,

mientras que en horas de menor demanda, como es durante la madrugada, el coste

desciende.


92

Luego en el caso de que esto ocurriera, el hecho de utilizar los depósitos para

independizar el compresor y hacer que consumiera por la noche, conllevaría una

reducción de los costes de operación.

Dicha reducción dependería de la diferencia de costes que hubiera de la energía entre

las horas punta y las horas valle.

Aplicaciones

La aplicación de este sistema está muy condicionada por el espacio disponible en la

instalación, para la colocación de los depósitos.

También dependerá del sentido que adquiera la instalación, si para producción de frío

durante el día o durante la noche.

En este caso se analizará la producción de frío durante el día.

De cara a no tener un tamaño demasiado grande, una aplicación concreta sería un

clima frío o no demasiado cálido, para disminuir la temperatura de condensación, y una

aplicación de climatización.

En este caso el ejemplo de aplicación se supone que está situado en el norte de la

Península, de cara a tener un clima más frío.

En el análisis tenemos en cuenta los siguientes datos de entrada:






Obteniendose los siguientes resultados:


93



EER 5,12

EER Carnot 9,11

Tabla 3.19 Tamaño de los depósitos y EER de la aplicación de la alternativa 3

Se concreta una demanda de 5 kW durante 8 horas de funcionamiento, obteniendo los

siguientes datos de tamaños y consumo de compresor:

Tamaño depósito 1 (m3) 27,21

Tamaño depósito 2 (m3) 13,1

Consumo compresor (kW) 0,96

Tabla 3.20 Tamaños de los depósitos y consumo del compresor para la demanda y período de

funcionamiento establecido en la alternativa 3

Conclusión

La alternativa puede ser rentable en aquellas aplicaciones sin problemas de espacio dónde

la diferencia de costes entre el día y la noche compense la inversión inicial en la

instalación y en la compra del refrigerante.

También, por otro lado, la utilización del ciclo para producir frío durante la noche y el

posterior acople de una instalación fotovoltaica podría interesar de cara a ser capaces de

generar frío nocturno de manera gratuita.


94

3.2.3.4 Alternativa 4: Utilización de los depósitos 1 y 3

Objetivo

El objetivo principal es el de conseguir la independencia del compresor y del

condensador, de cara a utilizarlos según convenga, pero a diferencia de la alternativa 1,

se elimina el depósito 2.


Con los depósitos 1 y 3 se alcanza una independencia total del compresor y del

condensador respecto de la producción de frío. Hay un desacople de la demanda y el

consumo de la energía a la vez que el condensador se independiza del evaporador.

Es decir, se unifica la alternativa 2 y la alternativa 3, eliminando el depósito 2.

Al eliminar el depósito 2 la desventaja principal es que la independización del

compresor y del condensador se tiene que llevar a cabo al mismo tiempo. Sin embargo en

la alternativa 1 se podía jugar con los depósitos 1, 2 y 3 según conviniera.

El esquema de principio de la alternativa 4 se muestra en la siguiente ilustración:


95


Hay que tener en cuenta que dicha alternativa está pensada para la producción de frío

tanto nocturna como diurna, según lo que interese en cada momento.

En el caso de la producción de frío nocturna, ésta convendría cuando el sistema

estuviera acoplado a su vez con un sistema fotovoltaico, que suministrara la energía

eléctrica durante el día para el funcionamiento del compresor. Sin embargo la desventaja

principal es la pérdida de eficiencia al condensar por el día, lo que supone un aumento

del consumo.

En el caso de producción de frío durante el día, se tiene la ventaja principal de un

aumento de eficiencia del ciclo y un coste de la energía eléctrica, a priori, menor al

consumir en horas valle. Pese a ello, suprimimos cualquier oportunidad de acoplar al

proceso un sistema fotovoltaico, al llevarse a cabo el consumo de electricidad durante la

noche.


96


El tamaño de los depósitos 1 y 3 va a estar definido totalmente según las condiciones

de temperatura de condensación y de evaporación que presente el ciclo.

Por ello se analiza la dependencia del tamaño de los depósitos, según la temperatura

de condensación.

Los parámetros del ciclo con los que se estudia la dependencia son los siguientes:





Los resultados del estudio están reflejados en la siguiente tabla:

Tcond(K) Depósito 2 (m³/kWhf ) Depósito 3 (m³/kWhf ) EER EER Carnot Wcomp(kW/kWf )

283 0,809 0,0157 8,26 13,26 0,121

284 0,815 0,0159 7,82 12,62 0,128

285 0,822 0,0161 7,42 12,04 0,135

286 0,828 0,0163 7,06 11,52 0,142

287 0,835 0,0165 6,73 11,03 0,149

288 0,842 0,0167 6,42 10,59 0,156

289 0,849 0,0169 6,13 10,18 0,163

290 0,856 0,0171 5,87 9,80 0,170

291 0,863 0,0173 5,63 9,45 0,178

292 0,871 0,0175 5,40 9,12 0,185

293 0,878 0,0178 5,19 8,82 0,193

294 0,886 0,0180 4,99 8,53 0,201

295 0,894 0,0183 4,80 8,26 0,209

296 0,902 0,0185 4,62 8,01 0,216

297 0,911 0,0188 4,45 7,77 0,225

298 0,919 0,0190 4,30 7,55 0,233

299 0,928 0,0193 4,15 7,34 0,241

300 0,937 0,0196 4,01 7,14 0,250

301 0,946 0,0199 3,87 6,95 0,258

302 0,955 0,0202 3,74 6,77 0,267

303 0,965 0,0205 3,62 6,60 0,276 Tabla 3.21 Parámetros principales del ciclo de la alternativa 4 según la temperatura de condensación


97

En el intervalo de temperatura de condensación se ha supuesto que el ciclo se utiliza

para la producción de frío diurno (intervalo de 283K a 303 K la temperatura de

condensación).

La siguiente gráfica muestra la evolución de los tamaños de los depósitos:

Ilustración 3.63 Evolución del tamaño de los depósitos 1 y 3 según temperatura de condensación en la

alternativa 4


En este apartado se supone que la producción de frío vuelve a realizarse durante el día.

La comparación con el caso base resulta ser la suma de las comparaciones que se

establecieron en los apartados 3.2.3.2 , respecto a la mejora de eficiencia que se logra al

independizar el condensador, y a la que se realizó en el apartado 3.2.3.3, respecto al

ahorro económico al consumir en las horas valle.


98

Aplicación

En el caso de que la generación de frío sea diurna, la aplicación principal será también

análoga a la que se estableció en el apartado 3.2.3.2, es decir, se necesitan climas con

grandes saltos térmicos para que la ganancia de eficiencia sea mayor.

Por el otro lado, para la generación nocturna de frío, lo que más interesa es el

acoplamiento de un sistema fotovoltaico para satisfacer la demanda de energía.

El caso que se analiza a continuación será el caso de producción de frío durante el día,

en un clima desértico, se supone en este caso la misma localización que la descrita por la

alternativa 2: Coober-Pedy.

Se plantea un diseño del ciclo propuesto para el mes de Agosto:





Refrigerante: R410A


Los cálculos se vuelen a realizar por kWhf

Los resultados obtenidos serían los siguientes:



EER 7,48

EER Carnot 12,12

Tabla 3.22 Tamaños de depósitos y EER en la aplicación de la alternativa 4


99

Si se supone una demanda en la zona de 5 kW de frío y 8 horas de funcionamiento, los

tamaños de los depósitos serían:



En este caso respecto de la alternativa 2, se utiliza un depósito de mayor tamaño, el

depósito 1, con los inconvenientes de espacio que conlleva, pero, a su vez, podría generar

un descenso de los costes de operación entre el día y la noche.

NOTA: En todos estos casos se está suponiendo que los costes de la energía eléctrica

durante el día son mayores que durante la noche. Dicho hecho puede no ser cierto según

la localización geográfica y el período del año.

Conclusión

Con esta alternativa lo que se pretende conseguir es la independencia de compresor y

condensador respecto del evaporador. Según la aplicación elegida y la localización, esta

alternativa puede ser muy factible, debido a sus grandes ventajas tanto de eficiencia como

económicas.

3.2.3.5 Alternativa 5: Utilización de dos evaporadores en serie

Objetivo

El objetivo de esta alternativa es el de conseguir frío por la noche sin consumo de

electricidad. Se divide el evaporador en dos, un evaporador primario que será el que dará

el frío nocturno (produciendo una vaporización parcial), y el secundario que completará

el ciclo durante el día, donde ya si se vaporizará totalmente el refrigerante.


Esta solución está orientada a aplicaciones dónde aún durante horas nocturnas haya

una demanda de producción de frío.


100

Se sigue utilizando un almacenamiento doble dentro del ciclo. En este caso hay

depósitos a la salida del condensador, punto 3, y a la salida del evaporador primario, punto

denominado como 4’.

El esquema de principio de la segunda alternativa de almacenamiento queda definido

en la Ilustración 3.64:


El proceso que se sigue es el siguiente: se tienen dos depósitos, el depósito 3 a la salida

del condensador, y el depósito denominado como depósito 4, situado a la salida del

evaporador primario.

Durante el día el ciclo funcionará de manera normal utilizando ambos evaporadores, y

cargando a su vez el depósito 3 con R410A, en estado líquido a la salida del condensador.


101

Por la noche, el depósito 3 comenzará a descargar hasta el depósito 4, a la salida del

evaporador primario, produciendo frío de manera gratuita, ya que no se necesita el

consumo del compresor.

El ciclo, en el diagrama p-h del refrigerante será como refleja la Ilustración 3.65:

Ilustración 3.65 Diagrama p-h de la alternativa 5, situando sus puntos característicos del ciclo

Hay una vaporización parcial inicial hasta 4’, que luego se completará con el

evaporador secundario hasta que el refrigerante esté completamente en estado gas,

llegando al punto 1.

El refrigerante en 4’, al estar en estado bifásico (se supone equilibrio líquido-vapor),

también podrá tener un tamaño de depósito bastante elevado.

Sin embargo, dicho tamaño se ve disminuido ya que el refrigerante no está

completamente en estado gaseoso, sino que tiene líquido-vapor, algo que no pasaba con

el depósito 1.


Uno de los principales aspectos a analizar en el ciclo presentado es cómo va a ser la

evaporación parcial que se desarrolla en el evaporador primario, esto es, hasta qué

fracción de vapor vamos a llegar y cómo influye esto en:


102

- Tamaño del depósito 4

- Capacidad de enfriamiento

También hay que resaltar que esta alternativa puede estar pensada tanto para el sector

del acondicionamiento como para la congelación. Por esta razón se lleva a cabo un estudio

según dos temperaturas diferentes de evaporación, cada una de ellas características de las

aplicaciones anteriormente mencionadas.

Estudio de la capacidad frigorífica

En este apartado se quiere estudiar qué capacidad frigorífica se obtendrá en el

evaporador primario respecto de la total que nos proporciona el ciclo en su

funcionamiento normal. Es decir: QEVAP1/QFRIG.

El estudio lo volveremos a realizar por kWf producido del ciclo.

En el análisis se presentan diferentes variables, las principales son:

- Temperatura de condensación

- Temperatura de evaporación

- Fracción del vapor a la salida del evaporador primario

- Capacidad de producción de frío del evaporador primario

Se debe dejar una variable como fija, en este caso se selecciona la temperatura de

evaporación, ya que se supone menos cambiante al depender de la aplicación del ciclo.

Se lleva a cabo un estudio de qué frío se produce dependiendo de la fracción de vapor

a la que se llega y de la temperatura de condensación.

Este estudio se realizará para dos temperaturas de evaporación: 273 K y 263 K:


103

A) Temperatura de evaporación: 263 K

Ilustración 3.66 Evolución de QEVAP1 respecto temperatura de condensación y fracción del vapor con

temperatura de evaporación de 263K

Se puede observar cómo a medida que aumenta la fracción de vapor a la que llega el

evaporador primario, la capacidad frigorífica es mayor, algo de esperar. La temperatura

de condensación influye negativamente en la producción de frío. Luego conviene llegar

a una x alta para obtener más capacidad frigorífica.


104

B) Temperatura de evaporación: 273 K

Ilustración 3.67 Evolución de la QEVAP1 frente a la temperatura de condensación y la fracción del vapor con

temperatura de evaporación de 273K

La evolución de la curva es análoga a la anterior. Según los datos obtenidos,

contemplados en el Anexo 6.3, a medida que aumenta la temperatura de evaporación,

más capacidad frigorífica se obtiene para una misma fracción de vapor y temperatura

de condensación.


105

Estudio del tamaño del depósito 4

Se repite el proceso anterior, en este caso estudiando el tamaño del nuevo depósito

introducido. Todos los cálculos se vuelven a realizar por kWhf.


Ilustración 3.68 Evolución del tamaño del depósito 4 según la temperatura de condensación y la fracción

del vapor con temperatura de condensación de 263K

En este caso a medida que aumenta la fracción del vapor a la que se llega, aumenta

también el tamaño del depósito, algo que era de esperar. Luego para elegir la fracción del

vapor final habrá que llegar a un equilibrio entre tamaño y frío producido.

En cuanto a la temperatura de condensación, cuanta más alta sea, mayor tamaño del

depósito, también de esperar por la evolución del tamaño del depósito 1 respecto de la

temperatura de condensación, explicado en la alternativa 1.


106


Ilustración 3.69 Evolución del tamaño del depósito 4 según la temperatura de condensación y la fracción

del vapor con temperatura de evaporación de 273K

En este caso la evolución es la misma que en el caso de 263K, sin embargo se

comprueba que, con la misma fracción del vapor y temperatura de condensación, el

tamaño del depósito es menor en el caso de los 263K.


En este caso la comparación con el caso base radica en el hecho de que somos capaces

de producir frío durante horas nocturnas sin tener que consumir energía por parte del

compresor.

La cantidad de frío que se produciría por la noche sería menor, al tener una

vaporización parcial, pero también se supone que la demanda es menor (por ejemplo en

climatización).


107

Luego el ciclo se comportará durante el día del mismo modo que en el caso base,

mientras que durante la noche se logra producir frío sólo a partir de los depósitos,

independizando el elemento consumidor de energía, el compresor.

Aplicaciones

Una vez realizado el análisis del proceso del ciclo propuesto, se demuestra cómo este

tipo de ciclo es mucho más factible para aplicaciones de climatización, con temperaturas

de evaporación mayores. Además, al aumentar la temperatura de evaporación, el EER del

ciclo también sube.

En la siguiente tabla se demuestra el hecho anterior, donde se puede ver cómo para la

misma temperatura de condensación y fracción del vapor, el tamaño del depósito y el frío

producido varía.


Fracción del vapor a la salida del evaporador primario: 0,5

Temperatura de evaporación(K) 263 273

Qevap1 (kWf/kWftot) 0,314 0,361

Tamaño depósito 4(m3/kWhf) 0,492 0,349 Tabla 3.23 Tabla comparativa de la capacidad frigorífica del evaporador primario y del tamaño del

depósito 4 según la temperatura de evaporación

Al llevar a cabo la vaporización parcial, el tamaño del depósito disminuye respecto a

haber hecho una vaporización total:

Queda reflejado en los datos expuestos a continuación, donde se supone que la

temperatura de evaporación es 273 K.

Vaporización total (x=1): 0,68 m3/kWhf

Vaporización parcial (x=0,5): 0,35 m3/kWhf

Una posible aplicación sería en un sistema de climatización que se utilizara durante la

noche, más favorablemente en climas no demasiado cálidos.


108

Para analizar los datos concretos se supone:

- Temperatura de condensación: 303 K

- Capacidad frigorífica total: 5 kW

- Horas de funcionamiento nocturno: 3h

- Fracción del vapor a la salida del evaporador primario: 0,5

De esta forma los parámetros del ciclo que se obtienen son:

Tamaño depósito 3 0,3 m3


Capacidad frigorífica evaporador primario 1,8 kW

EER 5,2

EER Carnot 9,1 Tabla 3.24 Tamaño de los depósitos, capacidad frigorífica y eficiencia de la aplicación alternativa 5

Se comprueba cómo el tamaño del depósito se reduce de manera considerable. El

tamaño ya no es restrictivo luego puede tener un mayor número de aplicaciones. Su

aplicación también dependerá de la demanda de frío nocturno que haya, aunque en el caso

estudiado la potencia frigorífica a la que se llegaría no es despreciable, y se supone podría

satisfacer multitud de aplicaciones.

Conclusión

Se comprueba cómo con esta alternativa el hecho de disponer de depósitos de

almacenamiento de refrigerante comienza a ser más factible al ir consiguiendo una gran

reducción de los tamaños, manteniendo una producción de frío considerable.


109

3.2.3.6 Alternativa 6: Utilización de dos evaporadores en serie y

subciclo de compresión mecánica simple

Objetivo

En la alternativa 5, pese a haber reducido el tamaño de los depósitos

considerablemente, aún sigue siendo una restricción de cara a su aplicación. Con el

objetivo de seguir reduciendo aún más ese tamaño, surge la introducción de un subciclo

de compresión que sea capaz de devolver 4’ a su estado 4.


El sistema que se presenta es el mismo que en el caso de la alternativa 4 pero añadiendo

el subciclo de compresión mecánica.

De esta forma se pasa del estado 4’ al estado 4 sin tener que almacenar toda la cantidad

de refrigerante. Ese cambio de estado va a traer consigo un cierto consumo de energía,

por parte del compresor del subciclo, aunque se estima que no es de gran valor.

El esquema de principio de la alternativa es el que sigue:


110


El proceso que se seguiría sería el siguiente, en el cual somos capaces de producir frío

por dos fuentes diferentes:

- Producción de frío por almacenamiento: los depósitos 3 y 4 hacen que se consiga

generar frío por la noche gracias a la vaporización parcial del refrigerante en el

evaporador primario. La principal restricción es el tamaño del depósito 4.

- Producción de frío mediante el subciclo de compresión mecánica: el refrigerante,

a través del evaporador primario, se vaporiza parcialmente llegando al estado 4’,

produciendo efecto frigorífico. Desde el punto 4’ el refrigerante circula por el

ciclo secundario de frío, a partir de un compresor bifásico y un condensador,

volviendo al estado 4.


111

La gran ventaja de esta doble utilización es que se puede reducir el tamaño del depósito

4 todo lo que se quiera, ya que se tiene otra alternativa de producción de frío. Por tanto

se trata de un sistema más apto para su aplicación.

Para poder completar el ciclo se necesita un foco frío al que cederle el calor del

condensador 2. Dicho foco puede ser aire, que estará a menor temperatura al ser por la

noche, agua o tierra.

Este sistema ya si requiere de un cierto consumo de energía por parte del compresor

secundario, al contrario que en la alternativa 4, donde no había ningún consumo adicional.

La principal complejidad que supone introducir el subciclo de compresión está en el

compresor secundario, ya que no se trata de un compresor común, sino un compresor

bifásico cuyos rendimientos no van a ser tan buenos como los del compresor

convencional.


Debido a que el análisis del proceso, en cuanto al evaporador primario y los sistemas

de almacenamiento, ya ha sido llevado a cabo en el apartado anterior, en este caso se

analiza el subciclo de compresión mecánica, se estudia el consumo adicional que tendrá

el compresor secundario, único elemento consumidor de energía.

Se va a llevar un análisis del consumo del compresor frente a dos parámetros

fundamentales: la fracción de vapor a la salida del condensador, que vuelve a tener un

papel importante, y la temperatura de condensación, ya que depende de la fuente de

condensación externa que tengamos.

Este estudio se realizará según dos temperaturas de evaporación 263 K y 273 K, y se

hará por kWf que produzca el evaporador primario.


La evolución del consumo del compresor queda determinada en la siguiente

ilustración:


112

Ilustración 3.71 Evolución del consumo del compresor secundario respecto de la fracción de vapor y la

temperatura de condensación, para una temperatura de evaporación de 263K

En cuanto al EER la evolución es la siguiente:

Ilustración 3.72 Evolución del EER del subciclo de compresión respecto de la fracción de vapor y de la

temperatura de condensación, para una temperatura de evaporación de 263K


113

Se puede apreciar como a medida que aumenta la temperatura de condensación el

consumo aumenta y el EER disminuye, algo que era de esperar.

En cuanto a la fracción de vapor, al ir aumentando la fracción disminuye el trabajo que

realiza el compresor con respecto al kW de frío producido. El EER disminuye a medida

que desciende la fracción del vapor.

Sin embargo se aprecia cómo la influencia de la temperatura de condensación es

mucho mayor que la influencia de la fracción de vapor en cuanto a los consumos.


Se repite el estudio ahora con otra temperatura de evaporación. Se puede observar

como la tendencia es análoga:

Ilustración 3.73 Evolución del consumo compresor secundario respecto de la temperatura de condensación

y la fracción de vapor, para una temperatura de evaporación de 273K


114

Ilustración 3.74 Evolución del EER respecto de la temperatura de condensación y la fracción de vapor,

para una temperatura de evaporación de 273K

Comparando con el caso anterior, se observa cómo favorece la temperatura mayor de

evaporación, al tener mayores niveles de EER y por tanto menores consumos del

compresor. Es por esto que la curva del consumo es más plana que a 263K.


En este caso cuando se compara con el caso base hay un aspecto muy representativo:

existe un segundo elemento consumidor de energía, el compresor del subciclo, lo que

haría que el sistema, a priori, consumiera más energía.

Económicamente supone una desventaja el introducir un subciclo de compresión

mecánica, ya que los componentes de la instalación se duplican. Además, los costes se

verían incrementados al ser el compresor un compresor bifásico.

La ventaja principal es la de poder independizar el ciclo de compresión principal

durante la noche, pudiendo obtener frío bien por la vía del almacenamiento o bien por la

vía del subciclo, cuyo consumo del compresor no se prevé alto.


115

Si se compara con la alternativa 5, se tiene una mejora sustancial, ya que se reduce el

tamaño del depósito, pudiendo ser mucho más aplicable, con la única desventaja de tener

un pequeño consumo por parte del compresor secundario.

Aplicaciones

El rango de aplicación de la alternativa se supone mucho mayor al reducir las

restricciones de espacio.

Como ha quedado demostrado, tanto en la evolución de las gráficas del análisis del

proceso de la alternativa 5, como de la alternativa 6, la principal aplicación sería en el

sector de la climatización.

Las características principales del ciclo y subciclo para la aplicación van a ser:

Temperatura de condensación del ciclo principal : 313 K

Temperatura de condensación del subciclo: 291 K




Rendimiento isentrópico del compresor bifásico: 70%

Fracción de vapor a la salida del evaporador primario: 0,5


En principio se obtendrán todos los parámetros característicos del ciclo, por kWhf que

se produzca en el ciclo.



Capacidad frigorífica evaporador primario 0,287 kW/kWf

EER 3,59

EER Carnot 6,83

Consumo compresor secundario 0,15 kW/kWEVAP1

EER subciclo 6,68

EER Carnot subciclo 15,18 Tabla 3.25 Parámetros característicos de la aplicación de la alternativa 6 por kWhf producido


116

Se supone una producción de frío del ciclo principal de 5 kW y un período de

funcionamiento de 3 horas.

De esas 3 horas se estima que 1,5h de demanda se satisfarán con el depósito 4, mientras

que en la otra hora y media se utilizará el subciclo.

De esta forma los parámetros principales del ciclo son:




Consumo compresor secundario 0,22 kW Tabla 3.26 Parámetros característicos de la aplicación de la alternativa 6

Se aprecia como el consumo del compresor secundario es mucho menor que el del

primario:

- Compresor primario: 1,4 kW

- Compresor secundario: 0,22 kW

Conclusión

Con esta alternativa se consigue que el sistema sea mucho más viable económicamente,

ya que da la oportunidad de poder seleccionar cuánta demanda se quiere satisfacer con el

depósito 4. Además, el tiempo de funcionamiento del sistema puede ser ya el que se elija,

aun teniendo almacenamiento para un período determinado, ya que se puede utilizar el

subciclo.


117

3.2.3.7 Alternativa 7: Utilización de dos evaporadores en serie sin

depósito 4 y con subciclo de compresión

Objetivo

El objetivo principal de esta alternativa es el de eliminar las restricciones de tamaño

que supone tener un depósito con refrigerante en fase gas (ya sea total o parcialmente

vaporizado), para aumentar el rango de aplicación al sistema.


Se da un paso más respecto la alternativa 6 y se elimina el depósito 4, de esta manera

ya no se utiliza el depósito de mayor tamaño, y hay almacenamiento exclusivamente en

el punto 3, totalmente en estado líquido.

Por el día se utiliza el ciclo de compresión mecánica principal, almacenando a su vez

refrigerante en el depósito 3 para enfriamiento nocturno.

Cuando llega la noche, el depósito 3 descarga hacia la válvula de expansión y a partir

del evaporador primario llega al estado 4’. De este estado 4’ se vuelve al estado 4

mediante el subciclo de compresión mecánica y sin ningún tipo de almacenamiento.

El esquema de principio es el que refleja la Ilustración 3.75:


118


Es importante resaltar, que una mejora instantánea de este sistema sería introducir el

subciclo no a partir del punto 4’ sino cuando se llegara al punto 1, de esta forma se

solucionaría la complejidad del compresor bifásico y la posible pérdida de eficiencia del

mismo, a la vez que se aumentaría la cantidad de frío que se generaría.

Sin embargo, dicho sistema ya existe en la actualidad, y por tanto no se lleva a cabo

su análisis ya que no añadiría ninguna nueva información.

El esquema de principio del sistema descrito queda reflejado en la siguiente

ilustración:


119

Ilustración 3.76 Esquema de principio de la mejora de alternativa 7

Se sigue analizando el ciclo descrito por la Ilustración 3.75 y no se profundiza en el de

la ilustración anterior ya que existe en la actualidad.


En este caso el análisis del proceso es el mismo que el que se estudió para la alternativa

6, dónde se realizó un análisis de cómo variaba el consumo del compresor según la

temperatura de condensación, evaporación y fracción de vapor.

En este caso el aspecto principal es el período de funcionamiento del sistema, lo cual

va a establecer cuál es el consumo del mismo. También influirán las condiciones

ambientales de cara a saber cuál va a ser el consumo del compresor, el cual no se espera

que sea muy alto.

El depósito 3 tendrá también un volumen menor, habrá una determinada cantidad para

poder descargar hacia 4’, y ya será el subciclo el que se encarga de devolver al estado 4,

sin tener que seguir descargando el depósito. La cantidad de refrigerante a almacenar será


120

la correspondiente a 1 hora de funcionamiento para asegurar la continuidad del proceso

ante cualquier problema que pudiera surgir.


En la comparación se tiene en cuenta el hecho de que se puede generar frío nocturno,

sin un consumo eléctrico alto, comparado con el consumo que tendría el compresor en el

caso base.

Hay una mejora también del sistema respecto de las alternativas anteriores, desde el

punto de vista de la eliminación de los grandes depósitos, manteniéndose sólo el depósito

3. Además no sólo disminuyen las restricciones de tamaño por la eliminación del depósito

4, sino también reduciendo el tamaño del depósito 3.

Aplicaciones

Este sistema presenta una aplicación bastante viable, por las siguientes razones:

- Se eliminan problemas de tamaño, al no tener depósitos con refrigerante en estado

gas.

- El único depósito que se mantiene tiene un tamaño pequeño.

- El consumo adicional que supone el compresor secundario es pequeño.

Se piensa que la aplicación principal, por la explicación en las alternativas anteriores,

va a ser el sector de la climatización, por ejemplo en hogares, los cuales puedan necesitar

climatización aún en horas nocturnas.

Se supone una localización en Sevilla, durante el verano, donde es muy común la

necesidad de refrigeración nocturna. Se supone una demanda frigorífica durante el día de

5 kW.

Debido a que en la aplicación se tienen condiciones de verano, conviene aumentar la

fracción de vapor a la salida del evaporador primario, para mejorar las condiciones del

ciclo, y la se establece en 0,6.

En la alternativa 5 y 6, el hecho de subir la fracción de vapor conllevaba un aumento

del tamaño del depósito 4. Sin embargo, en este caso, se puede subir la fracción de vapor

sin que esto conlleve desventajas debido a que el depósito 4 ha sido eliminado.


121

Los datos iniciales para el cálculo de las características son:

Temperatura de condensación del ciclo principal : 323 K







Horas de funcionamiento para el depósito 3 (modo de seguridad para la

continuidad del proceso) : 1 h

Las características del ciclo serían las siguientes:



EER 2,57

EER Carnot 5,46

Consumo compresor secundario 0,2 kW

EER subciclo 8,73

EER Carnot subciclo 15,18 Tabla 3.27 Parámetros característicos de la aplicación del ciclo de la alternativa 7

El hecho de pasar de x=0,5 a x=0,6 ha supuesto un aumento de potencia frigorífica del

evaporador primario de 8,17 kW (pasamos de 9,17 kW con x=0,5 a 17,34 kW con x=0,6).

Conclusión

Con esta alternativa se consigue llegar al sistema que se buscaba, un sistema con

almacenamiento de refrigerante dentro del ciclo, sin problemas de grandes tamaños de

los depósitos, pudiendo generar frío a través del subciclo con una alta eficiencia.

La desventaja principal es la existencia del compresor bifásico, que puede tener baja

eficiencia.


122

3.2.3.8 Resumen comparativo de alternativas

En los siguientes cuadros se establece un resumen donde se comparan las diferentes

alternativas propuestas.

En la Tabla 3.28 se hace una comparación cualitativa, describiendo las características

principales, así como las ventajas e inconvenientes que conllevan.

En la Tabla 3.29 se hace una comparación en cuanto a los parámetros más

característicos de cada una de ellas, como el tamaño de los depósitos y los consumos, y

en los casos en los que procede, una comparación de eficiencia con el caso base.


123

ALTERNATIVA CARACTERÍSTICAS VENTAJAS INCONVENIENTES

1 Utilización de tres depósitos de

almacenamiento, en los puntos 1, 2 y 3

del ciclo.

Independización del condensador y del

compresor.

Reducimos costes de operación y

aumentamos eficiencia.

Aumentan los costes de instalación y de

refrigerante.

El tamaño de los depósitos 1 y 2 reducen en gran

medida las aplicaciones.

2 Utilización de dos depósitos de

almacenamiento, en los puntos 2 y 3

del ciclo.

Independización del condensador, lo que

produce un aumento de la eficiencia al

condensar por la noche.

Aumentan los costes de instalación y de

refrigerante.

El tamaño del depósito 2 es demasiado grande.



del ciclo.

Independización del compresor,

disminuimos los costes de operación al

consumir en horas valle.

Aumentan los costes de instalación y refrigerante.

El tamaño del depósito 1 es muy restrictivo.



del ciclo.

Independización del compresor y del

condensador respecto de la producción de

frío.

Aumentamos eficiencia y reducimos

costes.

La independencia de ambos equipos es simultánea,

no pudiendo independizar el uno sin el otro, como

si ocurre en la alternativa 1.

Tamaño del depósito 1.

5 Se introducen dos evaporadores en

serie.

Dos zonas de almacenamiento, en el

punto 3 y tras el evaporador primario.

Conseguimos la producción de frío

nocturno de manera gratuita.

Disminución del tamaño de los depósitos.

Aun habiendo disminuido el tamaño de los

depósitos, pueden ser demasiado grandes para

ciertas aplicaciones.

Aumento de costes de instalación.

6 Dos evaporadores en serie, con dos

depósitos de almacenamiento.

Se añade un subciclo de compresión

mecánica tras el evaporador primario.

Conseguimos frío nocturno de manera

casi gratuita. El tamaño de los depósitos

es aceptable.

Aumentan los costes de la instalación.

El frío nocturno ya no es completamente gratuito

debido al consumo del compresor secundario.

Complejidad del compresor secundario al estar en

estado bifásico, con posibles pérdidas de eficiencia.

7 Dos evaporadores en serie y subciclo

de compresión mecánica.

Un solo depósito de almacenamiento,

el punto 3.

Producción de frío nocturno casi gratuito.

Eliminación del depósito con mayor

tamaño.

Aumentan los costes de la instalación.

Los costes de operación durante la noche aumentan

debido al consumo del compresor secundario.

Complejidad del compresor secundario al estar en

estado bifásico, con posibles pérdidas de eficiencia. Tabla 3.28 Cuadro 1 resumen de alternativas: características generales, ventajas e inconvenientes


124

Alternativa PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS

Aplicación para climatización Aplicación para congelación

1 - Tamaño depósito 1 : 0,595 m3/kWhf

- Tamaño depósito 2 : 0,405 m3/kWhf


- EER : 11,13

- ΔEER : 114%




- EER : 6,37

- ΔEER : 141%

2 Aplicado a la región de Coober-Pedy



- EER: 11,31

- ΔEER : 85,7%



- EER: 7,48

- ΔEER : 80,7%

3 - Tamaño depósito 1 : 0,68 m3/kWhf


- EER: 5,12



- EER: 3,6

4 Aplicado a la región de Coober-Pedy



- EER: 11,31

- ΔEER : 85,7%



- EER: 7,48

- ΔEER : 80,7%

5 Tcond = 303K



- Frío evaporador primario: 0,361

kWf/kWf

- EER : 5,2

Tcond = 303K



- Frío evaporador primario: 0,314

kWf/kWf

- EER : 3,6

6 Tcond = 313K



- Frío evaporador primario : 0,287

kWf/kWf

- Consumo compresor secundario : 0,15

kW/kWf

- EER : 3,59

- EER subciclo : 6,68

Tcond = 313K




kWf/kWf

- Consumo compresor secundario :

0,21 kW/kWf

- EER : 2,64


7 Tcond = 323K



kWf/kWf

- Consumo evaporador secundario : 0,12

kW/kWf

- EER : 2,57


Tcond = 323K



kWf/kWf

- Consumo evaporador secundario :

0,12 kW/kWf

- EER : 1,96

- EER subciclo : 5,03 Tabla 3.29 Cuadro 2 resumen de alternativas: parámetros cuantitativos característicos de cada una


125

3.2.4 Influencia de la acumulación en instalaciones

fotovoltaicas

3.2.4.1 Ciclo de compresión mecánica simple y energía solar

fotovoltaica

En los ciclos de compresión mecánica simple sólo hay un elemento consumidor de

energía eléctrica: el compresor.

El compresor demanda una energía eléctrica que, en la mayoría de los casos, es

satisfecha por energía eléctrica procedente de la red. Sin embargo, también existen otras

fuentes para conseguir satisfacer la demanda, como son las energías renovables.

En este caso se elige la energía solar fotovoltaica. A través de esta energía renovable,

acoplándola al ciclo de compresión mecánica simple, se consigue obtener la energía

eléctrica suficiente para accionar el compresor.

El principal problema que presenta el sistema fotovoltaico es que sólo se logra la

energía eléctrica en presencia de energía solar, es decir, durante el día y muchas veces no

de manera continua. Si se quiere desacoplar la oferta de la demanda, debido al carácter

fluctuante de la energía, se tiene que introducir un nuevo elemento a la instalación, la

batería.

Las baterías almacenan la energía eléctrica, siendo capaces de satisfacer la demanda

en instantes en los que no hay energía solar. Sin embargo, la eficiencia de estas baterías

es muy baja y se pierde una gran parte de la eficiencia por el camino. El tipo de baterías

que se suelen usar en las instalaciones fotovoltaicas son las de plomo ácido, en vasos

individuales de 2V cada uno.

Se pretende solucionar dicho problema de eficiencia de las baterías mediante el

almacenamiento dentro del ciclo de compresión mecánica, que ha sido desarrollado

durante este texto. En este apartado se realiza un estudio de cómo y en qué condiciones

compensa introducir los depósitos de almacenamiento de refrigerante, en lugar de las

baterías.

Pese a las desventajas analizadas de los depósitos, las mejoras en cuanto a eficiencia

del ciclo de compresión y la disminución de costes de operación podrían compensar.


126

En referencia al caso base inicial, dónde aún no presenta almacenamiento de

refrigerante, el sistema que se plantea es el siguiente:

Ilustración 3.77 Esquema de principio del caso base con sistema de energía fotovoltaica acoplado

En este caso el proceso que se sigue es el siguiente:

- Demanda diurna: el sistema fotovoltaico a través de la energía solar proporciona

la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del ciclo. Durante las

posibles fluctuaciones de energía solar, será la batería la que proporcione la

energía.

- Demanda nocturna: debido a que la energía solar no se puede aprovechar por la

noche, será la batería la que satisfaga la demanda nocturna de refrigeración.

A partir de este caso base, se estudiarán la totalidad de alternativas propuestas

anteriormente, comparando los beneficios de introducir las baterías respecto de los

beneficios por introducir los depósitos de almacenamiento de refrigerante.

Al introducir los depósitos de almacenamiento, se producen dos grandes ventajas:


127

- Se eliminan las baterías, luego se elimina la gran pérdida de eficiencia que se

produce por almacenamiento de energía eléctrica. Esto trae como resultado una

disminución del número de paneles necesarios, y por tanto, de m2 de paneles

fotovoltaicos a instalar.

- En ciertos casos, al introducir el almacenamiento se consigue un aumento de

eficiencia, lo que hace que el consumo del compresor sea menor. Esto trae como

consecuencia directa una nueva disminución del número de paneles necesarios, y

por tanto, de m2 de instalación solar.

Lo que se va a calcular es la reducción de superficie que supone introducir los

depósitos de almacenamiento frente a la introducción de las baterías.

Para ello, las hipótesis que se establecen son:

- Se emplearán módulos fotovoltaicos de silicio cristalino

- Rendimiento de una instalación con baterías: 5%.

- Rendimiento de una instalación sin baterías: 10%.

- Rendimiento de la batería en carga y descarga: 0,5

Lo primero que se estudia es el caso base, en el cual se incorpora la instalación

fotovoltaica con las baterías. Este estudio se va a llevar a cabo según tres diferentes

valores de la energía proporcionada por el panel, debido a que este valor fluctúa según la

época del año, la localización y la hora del día.

- 3 kWh/m2día

- 5 kWh/m2día

- 7 kWh/m2día

Puesto que la energía del panel se suele situar entre 3 – 7 kWh/m2día, se tendrá

delimitado y definido totalmente el incremento de superficie respecto de la radiación

solar.

Las condiciones para el estudio del caso base, en el caso de aplicación para

climatización son las siguientes:




128



Refrigerante: R410A


Con dichas condiciones, los parámetros principales de la instalación fotovoltaica

son:

EER 3,59

Consumo compresor (kWh/kWhf) 0,279

Energía batería (kWh/kWhf) 0,558

Superficie instalación fotovoltaica(m2/ kWhf)

Energía del panel: 3 kWh/m2día

1,86



1,12



0,797

Tabla 3.30 Parámetros principales del caso base con instalación fotovoltaica, para aplicación climatización

y según diferentes energías del panel

Las condiciones para su estudio, en el caso de aplicación para congelación, son

las siguientes:





Refrigerante: R410A


Con estas condiciones los parámetros principales de la instalación fotovoltaica son:

EER 2,64

Consumo compresor (kWh/kWhf) 0,38

Energía batería (kWh/kWhf) 0,76



2,53



1,52



1,09

Tabla 3.31 Parámetros principales del caso base con la instalación fotovoltaica, para aplicación de

congelación y según diferentes energías del panel


129

A continuación se van a comparar las dos formas de almacenamiento de energía, una,

por un lado, es un almacenamiento de energía eléctrica (batería), mientras que la otra es

un almacenamiento de energía térmica (depósitos de refrigerante).

3.2.4.2 Análisis alternativa 1

En este caso, se acopla el sistema fotovoltaico al sistema con los tres depósitos de

almacenamiento. El esquema de principio viene dado por:

Ilustración 3.78 Esquema de principio alternativa 1 con sistema fotovoltaico

El proceso que se sigue es el siguiente, durante el día el depósito 3 descarga,

produciendo el efecto frigorífico pasando a partir del evaporador. Tras el evaporador

puede o cargar el depósito 1 o seguir hacia el depósito 2. En el caso en el que se tenga

energía solar, cargará el depósito 2, mientras que ante posibles fluctuaciones en las que

no haya energía solar durante el día, se cargará el depósito 1.

Durante la noche será cuando condensará el refrigerante, el depósito 2 descargará,

cargando el depósito 3. En caso de demanda de frío nocturna, el refrigerante no cargará

el depósito 3 sino que seguirá hacia el depósito 1, produciendo efecto frigorífico.

Esta es la gran ventaja de introducir los tres depósitos, la posibilidad de utilizar unos

u otros según convenga y las demandas y condiciones externas que haya.


130

El análisis de la reducción de superficie de instalación fotovoltaica se va a llevar a

cabo para dos tipos de aplicaciones: climatización y congelación. En ambos casos se lleva

a cabo el estudio también según los tres diferentes niveles de energía del panel: 3, 5, 7

kWh/m2día.

A) CLIMATIZACIÓN

Las condiciones supuestas para el ciclo son las que siguen:




Refrigerante: R410A

La reducción de la superficie del campo solar al introducir los depósitos se produce

por dos factores, por un lado, por el aumento de eficiencia al disminuir la temperatura de

condensación, y por otro, por la eliminación de las baterías.

Para este caso los resultados de porcentaje de reducción de superficie del campo solar

respecto del caso base son análogos en los tres niveles de energía del panel, como se

comprueba en el apartado de Anexos, en el Anexo 6.4.

Para clarificar cómo son estas reducciones de superficie, la siguiente tabla muestra la

reducción de superficie en el caso de 5 kWh/m2día, según la temperatura de condensación.


131

Tcond(K) EER Ecomp(kWh/kWhf) Superficie(m2/kWhf) ΔS(m2/kWhf) ΔS(%/kWhf)

283 17,84 0,0561 0,112 1,008 89,99

284 16,12 0,0620 0,124 0,996 88,93

285 14,7 0,0680 0,136 0,984 87,85

286 13,49 0,0741 0,148 0,972 86,76

287 12,45 0,0803 0,161 0,959 85,66

288 11,56 0,0865 0,173 0,947 84,55

289 10,77 0,0929 0,186 0,934 83,42

290 10,08 0,0992 0,198 0,922 82,28

291 9,46 0,1057 0,211 0,909 81,13

292 8,907 0,1123 0,225 0,895 79,95

293 8,409 0,1189 0,238 0,882 78,77

294 7,958 0,1257 0,251 0,869 77,55

295 7,548 0,1325 0,265 0,855 76,34

296 7,172 0,1394 0,279 0,841 75,11

297 6,828 0,1465 0,293 0,827 73,84

298 6,51 0,1536 0,307 0,813 72,57

299 6,216 0,1609 0,322 0,798 71,27

300 5,944 0,1682 0,336 0,784 69,96

301 5,69 0,1757 0,351 0,769 68,63

302 5,454 0,1834 0,367 0,753 67,25

303 5,233 0,1911 0,382 0,738 65,88 Tabla 3.32 Parámetros característicos de reducción de superficie de campo solar respecto la temperatura

de condensación, para aplicación climatización y energía del panel de 5 kWh/m2día, alternativa 1

La siguiente gráfica muestra la evolución de la reducción de superficie según la

temperatura de condensación, la cual es la misma en los tres casos de energía del panel.


132

Ilustración 3.79 Evolución de la reducción de la superficie del campo solar según la temperatura de

condensación, para aplicación de climatización, alternativa 1

B) CONGELACIÓN

Las condiciones que se suponen para el ciclo son las siguientes:




Refrigerante: R410A

Se vuelve a llevar a cabo el estudio para los tres niveles de energía del panel, en este caso

los resultados del porcentaje de reducción de superficie son los mismos para los tres

niveles.

Se presentan los resultados de cuánto se consigue reducir la instalación fotovoltaica

por la introducción de depósitos y el desacople del condensador, según la temperatura de

condensación que se produzca, en el campo de energía del panel 5 kWh/m2día.

50,00

55,00

60,00

65,00

70,00

75,00

80,00

85,00

90,00

95,00

283 285 287 289 291 293 295 297 299 301 303

ΔS(%/kWh

f)



133

Tcond(K) EER Ecomp(kWh/kWhf) Superficie(m2/kWhf) ΔS(m2/kWhf) ΔS (%/kWhf)

283 8,19 0,121 0,242 1,277 84,07

284 7,76 0,128 0,256 1,264 83,17

285 7,36 0,135 0,269 1,251 82,28

286 7 0,142 0,283 1,236 81,36

287 6,68 0,149 0,297 1,222 80,434

288 6,37 0,156 0,312 1,208 79,50

289 6,09 0,163 0,326 1,194 78,55

290 5,83 0,170 0,341 1,179 77,59

291 5,59 0,178 0,355 1,165 76,62

292 5,36 0,185 0,370 1,149 75,63

293 5,15 0,193 0,386 1,134 74,62

294 4,96 0,201 0,401 1,119 73,61

295 4,77 0,209 0,417 1,103 72,57

296 4,59 0,216 0,433 1,087 71,53

297 4,43 0,225 0,449 1,071 70,46

298 4,27 0,233 0,465 1,054 69,37

299 4,13 0,241 0,482 1,038 68,28

300 3,98 0,250 0,499 1,021 67,15

301 3,85 0,258 0,516 1,003 66,01

302 3,72 0,267 0,534 0,986 64,84

303 3,6 0,276 0,552 0,968 63,67 Tabla 3.33 Parámetros característicos de reducción de superficie del campo solar respecto la temperatura de

condensación, para aplicación congelación y energía del panel de 5 kWh/m2día, alternativa 1

En la Ilustración 3.80 se visualiza cómo es la evolución del porcentaje de reducción

de superficie:


134


condensación, para aplicación de congelación, alternativa 1

Se puede apreciar cómo cuando la aplicación es de climatización la reducción de

superficie de la instalación fotovoltaica es mayor que en el caso de la congelación, aunque

tampoco difieren en gran medida.

Se comprueba que el hecho de introducir los depósitos de almacenamiento además del

acople del sistema fotovoltaico produce grandes ventajas en cuanto al control del sistema

y reducción del campo solar.


El esquema de principio de la instalación correspondiente a la alternativa 2 viene dado

por la siguiente ilustración:

50

55

60

65

70

75

80

85

90

283 285 287 289 291 293 295 297 299 301 303

ΔS(

%/k

Wh

f)



135

Ilustración 3.81 Esquema de principio alternativa 2 con sistema fotovoltaico acoplado

En este caso el proceso sería el siguiente: al introducir los depósitos 1 y 2, en la

producción de frío durante el día, el depósito 3 descarga, cargando el depósito 2. La

energía solar fotovoltaica proporciona la electricidad necesaria para accionar el

compresor.

Sin embargo, para poder producir frío durante la noche se necesita consumir

electricidad de la red, ya que el compresor durante la noche no cuenta con la energía

fotovoltaica (a menos que se introduzcan baterías).

El análisis de la alternativa para la producción de frío durante el día es análogo respecto

de la alternativa 1, ya que se utiliza la energía solar fotovoltaica sin baterías, y además

disminuimos la temperatura de condensación.

Sin embargo, para la producción de frío nocturno, si no se quiere consumir de la red,

se tienen que utilizar baterías, es decir, habría que utilizar los dos sistemas de

almacenamiento, tanto baterías como depósitos.

Sólo se obtendría uno de los beneficios, el hecho de disminuir la temperatura de

condensación. Esto hace que disminuya el tamaño del campo solar, pero no sigue

disminuyendo debido a la presencia de baterías.


136

Las siguientes tablas y gráficas muestran la evolución de dicha reducción en la

producción de frío nocturno, según la propia temperatura de condensación, tanto para

climatización como para congelación. Se vuelven a realizar los estudios para una energía

del panel de 3, 5 y 7 kWh/m2día.

Los datos que se toman para los cálculos son los mismos que los expuestos en la

alternativa 1. Todos los resultados de reducción de campo solar expuestos a continuación

están referidos a la producción de frío nocturno.

A) CLIMATIZACIÓN

Los resultados del análisis recogidos en la siguente tabla son los correspondientes a

una energía del panel promedio de 5 kWh/m2día. Las correspondientes a los otros dos

niveles de energía se encuentran en los Anexos, en el Anexo 6.4.

Tcond(K) EER Ecomp(kWh/kWhf) Ebat(kWh/kWhf) Superficie(m2/kWhf) ΔS(m2/kWhf) ΔS(%/kWhf)

283 17,84 0,056 0,112 0,224 0,896 79,98

284 16,12 0,062 0,124 0,248 0,872 77,85

285 14,7 0,068 0,136 0,272 0,848 75,70

286 13,49 0,074 0,148 0,297 0,823 73,53

287 12,45 0,080 0,16 0,321 0,799 71,32

288 11,56 0,087 0,173 0,346 0,774 69,10

289 10,77 0,093 0,186 0,371 0,749 66,84

290 10,08 0,099 0,199 0,397 0,723 64,56

291 9,46 0,106 0,211 0,423 0,697 62,25

292 8,907 0,112 0,225 0,449 0,671 59,89

293 8,409 0,119 0,238 0,476 0,644 57,54

294 7,958 0,126 0,251 0,503 0,617 55,11

295 7,548 0,133 0,265 0,530 0,590 52,68

296 7,172 0,139 0,279 0,558 0,562 50,21

297 6,828 0,147 0,293 0,586 0,534 47,68

298 6,51 0,154 0,307 0,614 0,506 45,14

299 6,216 0,161 0,322 0,644 0,476 42,54

300 5,944 0,168 0,336 0,673 0,447 39,93

301 5,69 0,176 0,351 0,703 0,417 37,25

302 5,454 0,183 0,367 0,734 0,386 34,50

303 5,233 0,191 0,382 0,764 0,356 31,75 Tabla 3.34 Parámetros característicos de reducción de superficie del campo solar respecto la temperatura de

condensación, para aplicación climatización y energía del panel de 5 kWh/m2día, alternativa 2


137

La evolución de la reducción de superficie que se tiene al incorporar los depósitos es

la misma, en porcentaje, para los tres niveles de energía del panel analizados, y es la que

sigue:


condensación, para aplicación de climatización, alternativa 2

B) CONGELACIÓN

Los datos, correspondientes a 5 kWh/m2día de energía del panel, se recogen en la

siguiente tabla:

25,00

35,00

45,00

55,00

65,00

75,00

85,00

283 285 287 289 291 293 295 297 299 301 303

ΔS(%/kWh

f)

Temperatura de condensación


138

Tcond(K) EER Ecomp(kWh/kWhf) Ebat(kWh/kWhf) Superficie(m2/kWhf) ΔS(m2/kWhf) ΔS(%/kWhf)

283 8,19 0,121 0,242 0,484 1,036 68,132

284 7,76 0,128 0,256 0,512 1,008 66,342

285 7,36 0,135 0,269 0,539 0,981 64,553

286 7 0,142 0,283 0,567 0,953 62,711

287 6,68 0,149 0,297 0,595 0,925 60,868

288 6,37 0,156 0,312 0,623 0,897 59,000

289 6,09 0,163 0,326 0,652 0,868 57,105

290 5,83 0,170 0,341 0,681 0,839 55,184

291 5,59 0,178 0,355 0,711 0,809 53,237

292 5,36 0,185 0,370 0,741 0,779 51,263

293 5,15 0,193 0,386 0,772 0,748 49,237

294 4,96 0,201 0,401 0,802 0,718 47,211

295 4,77 0,209 0,417 0,834 0,686 45,132

296 4,59 0,216 0,433 0,866 0,654 43,053

297 4,43 0,225 0,449 0,898 0,622 40,921

298 4,27 0,233 0,466 0,931 0,589 38,737

299 4,13 0,241 0,482 0,964 0,556 36,553

300 3,98 0,250 0,499 0,999 0,521 34,289

301 3,85 0,258 0,517 1,033 0,487 32,026

302 3,72 0,267 0,534 1,069 0,451 29,684

303 3,6 0,276 0,552 1,104 0,416 27,342 Tabla 3.35 Parámetros característicos de reducción de superficie del campo solar respecto la temperatura

de condensación, para aplicación congelación y energía del panel de 5 kWh/m2día, alternativa 2

La evolución del porcentaje de reducción de superficie del campo solar es la misma

para los tres niveles de energía de los paneles. La siguiente ilustración muestra como es

dicha evolución:


139


condensación, para aplicación de congelación, alternativa 2

En este caso los porcentajes de reducción de superficie son menores que en el caso

anterior, algo que era de esperar ya que las baterías no se eliminan al tener que utilizarlas

para frío nocturno.


En este caso se introducen los depósitos 1 y 2 junto con la instalación fotovoltaica. El

esquema de principio es el siguiente:

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

283 285 287 289 291 293 295 297 299 301 303

ΔS(%/kWh

f)



140

Ilustración 3.84 Esquema de principio alternativa 3 y sistema fotovoltaico acoplado

En esta alternativa sólo se produce uno de los beneficios, el de la eliminación de las

baterías con la consiguiente reducción del campo solar. Sin embargo, la temperatura de

condensación va a ser mayor y por tanto se considera igual a la del caso base, de cara a

poder visualizar de manera más exhaustiva la mejora con respecto a dicho caso.

El compresor queda accionado durante el día por la instalación fotovoltaica, pudiendo

producir frío y/o cargar el depósito 2.

Durante la noche los depósitos son los que se encargan de completar el ciclo para la

generación de frío, descargando 2 y cargando a su vez el depósito 1.

Para llevar a cabo este análisis, las condiciones que se suponen del ciclo son:


Temperatura de evaporación para congelación: 263 K

Temperatura de evaporación para climatización: 273 K



Refrigerante: R410A



141

El análisis de la reducción de superficie se realizará para los tres niveles de energía

estudiados en los apartados anteriores.

En estos casos la comparación con el caso base es la siguiente:

A) CLIMATIZACIÓN

Epanel= 3 kWh/m2día

Energía compresor (kWh/kWhf) 0,279

Energía batería caso base (kWh/kWhf) 0,558

Superficie caso base (m2/kWhf) 1,86

Superficie alternativa (m2/kWhf) 0,93

Reducción de superficie (m2/kWhf) 0,93

Reducción de superficie (%/kWhf) 50 Tabla 3.36 Parámetros características de la reducción del campo solar para climatización de la alternativa

3 con 3 kWh/m2día de energía del panel







Reducción de superficie (%/kWhf) 50 Tabla 3.37 Parámetros características de la reducción del campo solar para climatización de la alternativa 3

con 5 kWh/m2día de energía del panel







Reducción de superficie (%/kWhf) 50 Tabla 3.38 Parámetros características de la reducción del campo solar para climatización de la alternativa

3 con 7 kWh/m2día de energía del panel


142

B) CONGELACIÓN







Reducción de superficie (%) 50 Tabla 3.39 Parámetros características de la reducción del campo solar para congelación de la alternativa 3








Reducción de superficie (%) 50 Tabla 3.40 Parámetros características de la reducción del campo solar para congelación de la

alternativa 3 con 5 kWh/m2día de energía del panel







Reducción de superficie (%) 50 Tabla 3.41 Parámetros características de la reducción del campo solar para congelación de la alternativa 3


Se observa cómo pese a no disminuir la temperatura de condensación, la reducción de

superficie que se logra está en torno al 50%, debido a que se reduce en torno a la mitad el

consumo del compresor por la no presencia de baterías.


143


La alternativa 4 presenta los depósitos en los puntos 1 y 3 del ciclo. El esquema de

principio se define como sigue:


Esta alternativa cuenta con sólo con el beneficio de la desaparición de baterías pese a

tener el condensador independizado. Esto es debido a que el condensador y el compresor

están desacoplados del evaporador pero no desacoplados entre ellos, luego cuando el

compresor funciona, el condensador también lo hace.

En la producción de frío durante el día, el compresor es accionado por la energía solar

fotovoltaica mientras que durante la noche son los depósitos los encargados de generar el

frío, descargando 3 y cargando 1.

El beneficio logrado por los depósitos respecto de la instalación del caso base es la

eliminación de las baterías, ya que la temperatura de condensación no se puede reducir al

estar compresor-condensador acoplados.

Por tanto, el análisis del proceso es análogo al realizado en el apartado 3.2.4.4 y se

suponen los resultados, en cuanto a la reducción de superficie, iguales.


144


A partir de la alternativa 5, las aplicaciones de los ciclos propuestos están centradas en

la producción de frío nocturno. Durante el día el frío se generaría con el ciclo de

compresión mecánica simple convencional.

El esquema de principio de la alternativa es el que sigue:

Ilustración 3.86 Esquema de principio de la alternativa 5 acoplando sistema fotovoltaico

En este sistema la producción de frío durante el día está accionada por el sistema

fotovoltaico. Por la noche son los depósitos 3 y 4 los responsables de dicha producción.

Por lo tanto, los beneficios de la introducción del panel fotovoltaico, aparte de reducir

los costes de operación ya que no es necesario consumir energía de red ni por el día ni

por la noche, se basan en la eliminación de las baterías.

En cuanto al análisis de la reducción de la superficie de instalación respecto del caso

base, los datos serán análogos a los expresados en el análisis de la alternativa 3, tanto para

climatización como para congelación. Dichas reducciones están en torno al 50%, debido

a que el rendimiento de las baterías no influye negativamente en la instalación.


145


El esquema de principio de la alternativa más el sistema fotovoltaico acoplado es el

siguiente:


En este caso los paneles fotovoltaicos proporcionarán la energía eléctrica necesaria

durante el día. Mientras, por la noche, los depósitos y el subciclo de compresión son los

encargados de producir el frío, aunque necesitarán un pequeño aporte de las baterías para

accionar el compresor secundario.

En cuanto a la reducción de superficie en la que se incurriría con esta instalación, hay

que diferenciar entre el día y la noche. Durante el día, el beneficio viene dado por la

eliminación de baterías, luego dicha reducción estará en torno al 50%, respecto del caso

base.

Mientras que durante la noche, al no tener en el caso base introducido el subciclo

alternativo de producción de frío, no se puede decir que haya ninguna reducción de

superficie, ya que la generación de frío se produce a partir de los depósitos y es necesaria

la introducción de baterías para accionar al compresor secundario.


146

Se lleva a cabo un estudio de cuánta sería la superficie del campo solar junto con la

batería, para la producción de frío nocturno, según los tres diferentes niveles de energía

del panel.

Los datos de los que se parte para realizar el estudio son:


Potencia frigorífica del evaporador primario: 1 kW





Con estos datos, los resultados del campo solar para la producción de frío nocturno

son:

A) Temperatura de evaporación 263 K

ECOMP (kWh/kWhEVAP1) 0,120

EBAT (kWh/kWhEVAP1) 0,241

Superficie instalación fotovoltaica(m2/ kWhEVAP1)


0,803



0,482



0,344

Tabla 3.42 Parámetros principales de la alternativa 6 para frío nocturno con instalación fotovoltaica, en

régimen de congelación y según diferentes energías del panel

B) Temperatura de evaporación 273 K

ECOMP (kWh/kWhEVAP1) 0,214

EBAT (kWh/kWhEVAP1) 0,427



1,423



0,854



0,610

Tabla 3.43 Parámetros principales de la alternativa 6 para frío nocturno con instalación fotovoltaica, en

régimen de congelación y según diferentes energías del panel


147


La alternativa 7 surge de eliminar el depósito 4, utilizando exclusivamente el subciclo

de compresión mecánica. Al añadirle el sistema fotovoltaico el esquema de principio

queda como:

Ilustración 3.88 Esquema de principio alternativa 7 con sistema fotovoltaico acoplado

En este caso se va a incurrir en un consumo adicional si se quiere consumir potencia

frigorífica durante la noche, debido a que se elimina el depósito 4 por completo, y la única

forma de la generación de frío es mediante el subciclo, con el consiguiente consumo del

compresor secundario. Es por esta razón que es necesario introducir baterías para

proporcionar la energía suficiente durante la noche en la producción de frío.

Mientras durante el día se consumiría la electricidad generada por la instalación

fotovoltaica. El modo de funcionamiento es análogo al de la alternativa 6, pero con un

mayor riesgo debido a que ya no se tiene el depósito 4.

El beneficio que se tendrá por la introducción de la fotovoltaica, durante el día, vuelve

a ser debido a la eliminación de baterías, por nuevas formas de almacenamiento, y estará

en el 50% de reducción.

El tratamiento de la instalación en régimen nocturno es análogo al realizado en el

apartado anterior.


148

3.2.4.9 Resumen comparativo de alternativas

En este apartado se quiere clarificar todo lo descrito anteriormente mediante un cuadro

resumen de las alternativas y de los beneficios que cada una de ellas tiene respecto de la

instalación del caso base.

Para las alternativas en las que hay un beneficio por la independización del

condensador, se ha supuesto una temperatura de condensación de 293 K.


149

CASOS CLIMATIZACIÓN CONGELACIÓN

Caso base EER:3,59

Consumo compresor (kWh/kWhf): 0,279

Energía batería (kWh/kWhf): 0,558

Superficie instalación fotovoltaica(m2/ kWhf) :1,12

EER: 2,64


Energía batería (kWh/kWhf): 0,76

Superficie instalación fotovoltaica(m2/ kWhf): 1,52

Alternativa 1 EER: 8,41


Superficie instalación fotovoltaica(m2/ kWhf) : 0,234

Reducción superficie instalación(m2/ kWhf): 0,827

% Reducción de superficie: 78,8

EER: 5,15







Energía batería (kWh/kWhf) : 0,238




EER: 5,15


Energía batería (kWh/kWhf) : 0,386








% Reducción de superficie: 50

EER: 2,64










EER: 2,64





Alternativa 5

Alternativa 61

Alternativa 71

EER: 3,59





EER: 2,64




% Reducción de superficie: 50 Tabla 3.44 Cuadro resumen alternativas con sistema fotovoltaico acoplado

1 En el cuadro se ha tenido en cuenta régimen de producción de frío durante el día, que es el que se puede comparar con el caso base.


150

3.2.4.10 Conclusión

Se comprueba como la inclusión del sistema fotovoltaico hace a las alternativas más

aptas para su aplicación. En muchos de los casos se reducen los inconvenientes

correspondientes a los depósitos, integrando un sistema con energías renovables e

innovador debido a las nuevas formas de almacenamiento y control del ciclo según

interese en cada instante.

Es la alternativa 1, con los tres depósitos de almacenamiento, la que proporciona un

mayor beneficio por el acoplamiento del sistema fotovoltaico. Esto es gracias, en gran

medida, a la presencia de los depósitos que permiten ir cambiando las condiciones del

ciclo de tal forma que se obtienen los máximos beneficios de la instalación fotovoltaica.

4 Conclusiones

Se ha llevado a cabo el estudio de diferentes alternativas de ciclos de producción de

frío acoplados a un sistema fotovoltaico, en los cuales se ha sustituido el almacenamiento

de energía por baterías, por un almacenamiento mediante depósitos de refrigerante.

Las conclusiones más significativas del análisis de las ventajas e inconvenientes de

cada una de las alternativas y del caso base son:

1) Las características del refrigerante tienen una gran influencia en los sistemas

estudiados. El tamaño de los depósitos obtenidos por kWhf varía en gran medida

según se utilice un refrigerante u otro. Este tamaño de los depósitos, para unas

mismas condiciones, llega a ser incluso 2,5 veces mayor según el refrigerante

utilizado.

El refrigerante, de entre los más usados en la actualidad, más apto para su uso en

las alternativas, es el R410A.

2) Las alternativas que han presentado mayores ventajas, tanto desde el punto de vista

del funcionamiento, como de la instalación fotovoltaica son:


151

- Alternativa 1: permite, a partir de los tres depósitos, desacoplar la oferta y la

demanda de frío, de tal forma que se produce una mejora sustancial de los

parámetros del ciclo.

Además, el acoplamiento del sistema fotovoltaico produciría unas reducciones de

superficie de instalación respecto del caso base de hasta el 90%.

- Alternativa 5: utilización de dos depósitos, el 3 y 4. Con esta alternativa se

consigue la generación de frío nocturno a través de los depósitos 3 y 4, mediante

la vaporización parcial del refrigerante. El tamaño del depósito 4 es menor que el

depósito 1 al no vaporizarse completamente.

El acoplamiento de un sistema fotovoltaico permitiría unas reducciones de la

superficie de instalación en la producción de frío respecto al caso base de

alrededor del 50%, al eliminar las baterías.

Líneas de investigación futuras

- Se plantea, en los Anexos, en el Anexo 6.1, la posibilidad de acoplar en la

alternativa 5, donde el evaporador está dividido en dos, un ciclo de absorción. Este

ciclo de absorción sería el encargado de devolver el punto 4’ al estado 4.

De esta forma se podría introducir dentro del propio sistema acoplado con

fotovoltaica, una nueva forma de energía renovable, la cual funcionaría como

fuente de calor del ciclo de absorción.

- Investigación en nuevos refrigerantes, cuyas características termodinámicas

permitan reducir el volumen específico en estado gas en la mayor medida posible.

Interesan gases que, aunque sean peores en cuanto a la propia refrigeración, sean

óptimos en cuanto al almacenamiento.

- Mejoras de eficiencia y desarrollo de los compresores bifásicos, de cara a hacer

las alternativas que utilizan el subciclo de compresión más aptas para su posterior

aplicación.


152

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156

6 Anexos

6.1 Introducción de un sistema híbrido

compresión – absorción como alternativa de

almacenamiento

Objetivo

Con esta posible alternativa se busca generar un sistema híbrido compresión –

absorción, que permita obtener frío durante el día con el ciclo de compresión mecánica,

y donde la demanda de frío en horas nocturnas se satisface con el sistema de absorción,

en lugar de seguir empleando el de compresión mecánica.


El proceso que se seguirá será el siguiente: durante el día utilizaremos el ciclo de

compresión mecánica simple para la producción de frío, cargando a su vez el depósito 3

de refrigerante.

Cuando llegan las horas nocturnas, el depósito 3 descarga hacia el evaporador

primario, produciendo el efecto frigorífico, llegando hasta el estado 4’. Se consigue

devolver de nuevo al estado 4, mediante un ciclo de absorción.

Pese a haber elegido el refrigerante R410A como el de referencia para todas las

aplicaciones y alternativas, en este caso seleccionaríamos el R717, el cual es posible

introducir dentro de un ciclo de absorción tipo amoníaco-agua, donde el amoníaco actúa

como refrigerante y el agua como absorbente.

Además, en el estudio de la influencia de las características del refrigerante realizado

en el apartado 3.2.2 se concluía que el amoníaco era el segundo refrigerante, por detrás

del R410A, más apto para el almacenamiento.

El amoníaco, a su salida del evaporador primario, se dirigirá al absorbedor, donde será

absorbido por el agua. Posteriormente en el generador, y con la ayuda de una fuente de

calor externa, separamos la mezcla, y el amoníaco entrará en el condensador.


157

El agua por su parte saldrá del generador y mediante una bomba llegará de nuevo al

absorbedor. Una vez el amoníaco sale del condensador se dirige de nuevo al evaporador

primario, volviendo al estado 4.

En este caso, por tanto, hay un único elemento consumidor de energía, la bomba. La

cual se prevé que tenga un consumo bastante pequeño.

El esquema de principio de la alternativa 7 se presenta en la :

Ilustración 6.1 Esquema de principio alternativa 7

La fuente de calor externa puede ser cualquiera, pudiendo utilizar una fuente

renovable, por ejemplo.


158


En este caso la comparación con el caso base es análoga a la de la alternativa 7.

Se conseguiría, con un espacio para el almacenamiento pequeño, el ocupado por el

depósito 3, producir frío por la noche de manera casi gratuita, simplemente con el

consumo de la bomba en el ciclo de absorción.

La idea es la misma que la alternativa 7, conseguir eliminar el depósito 4. Esto se

consigue gracias a que se puede devolver el estado 4’ al estado 4, pero en este caso a

través de un ciclo de absorción en lugar de un subciclo de compresión.

La ventaja principal es la de la reducción del consumo respecto al que habría si se

utilizase el caso base para la producción de frío nocturna.

Sin embargo, como desventaja principal está la búsqueda de una fuente de calor, el

que es necesario aportar al generador. Este aspecto se puede solucionar con la aplicación

de sistemas renovables, bien mediante energía solar o mediante calderas de biomasa.

Aplicaciones

El sistema se convierte en una alternativa muy viable para un gran número de

aplicaciones.

El problema fundamental radica en la fuente de calor externa que se requiere, ya que

el consumo de la bomba se supone despreciable y no es un problema de cara a la

viabilidad del sistema.

Las aplicaciones más rentables para los sistemas de absorción, debido a los bajos

rendimientos que presentan, son las que tienen una fuente de calor externa gratuita. Esta

fuente gratuita suele proceder de energías renovables. Por tanto la aplicación principal de

esta alternativa será en aquellos sistemas que puedan contar con una fuente externa

procedente de energías renovables.

De esta forma se conseguiría generar frío durante la noche de manera casi gratuita, con

el único inconveniente de la bomba.


159

Un ejemplo de aplicación podría ser un sistema de climatización, que demande frío

nocturno, en climas más cálidos, y que cuente con un sistema renovable, en este caso con

caldera de biomasa.

Resultaría una aplicación muy atractiva debido a sus grandes ventajas y a la

minimización de los inconvenientes.

Conclusión

Se encuentra un sistema alternativo al expuesto en el apartado anterior, introduciendo,

en lugar de la utilización de un ciclo de compresión, un ciclo de absorción.

Esta alternativa puede ser mucho más atractiva para aquellas aplicaciones que cuenten

con una fuente externa de calor, al ser los consumos de la bomba mucho menores que los

del compresor del subciclo.

Cuadro resumen parámetros principales

Aplicación climatización

Tcond = 323K

- Tamaño depósito 3: 0,029 m3/kWhf

- Frío evaporador primario: 0,347 kWf/kWf

- Consumo bomba: 0,04 kW/kWf

- EER : 2,57

- EER absorción : 0,75


160

6.2 Datos meteorológicos Coober-Pedy

Correspondientes a Septiembre2013-Agosto2014.

Todos los datos de temperaturas en medidos en ºC.

DIA Tmax Tmin Salto térmico DIA Tmax Tmin Salto térmico

01-sep 22 12 10 01-oct 22 12 10

02-sep 19 5 14 02-oct 28 13 15

03-sep 23 6 17 03-oct 23 9 14

04-sep 22 9 13 04-oct 28 10 18

05-sep 22 8 14 05-oct 36 13 23

06-sep 25 8 17 06-oct 32 14 18

07-sep 28 12 16 07-oct 33 18 15

08-sep 36 15 21 08-oct 36 18 18

09-sep 26 11 15 09-oct 40 22 18

10-sep 24 9 15 10-oct 28 15 13

11-sep 26 11 15 11-oct 25 10 15

12-sep 26 12 14 12-oct 35 15 20

13-sep 29 12 17 13-oct 22 13 9

14-sep 33 13 20 14-oct 22 8 14

15-sep 25 12 13 15-oct 27 10 17

16-sep 23 10 13 16-oct 36 15 21

17-sep 22 11 11 17-oct 22 13 9

18-sep 24 10 14 18-oct 28 10 18

19-sep 26 11 15 19-oct 35 14 21

20-sep 26 13 13 20-oct 40 19 21

21-sep 26 11 15 21-oct 35 20 15

22-sep 28 10 18 22-oct 26 15 11

23-sep 27 14 13 23-oct 24 12 12

24-sep 25 10 15 24-oct 24 10 14

25-sep 24 11 13 25-oct 27 12 15

26-sep 28 11 17 26-oct 31 13 18

27-sep 33 14 19 27-oct 36 18 18

28-sep 37 16 21 28-oct 27 14 13

29-sep 30 15 15 29-oct 24 10 14

30-sep 33 15 18 30-oct 28 12 16

Promedio 26,6 11,23 15,37 31-oct 30 16 14

Promedio 29,35 13,65 15,71 Tabla 6.1 Datos meteorológicos Septiembre-Octubre 2013


161


01-nov 33 17 16 01-dic 41 24 17

02-nov 36 15 21 02-dic 40 23 17

03-nov 38 21 17 03-dic 43 28 15

04-nov 31 17 14 04-dic 29 16 13

05-nov 33 17 16 05-dic 25 13 12

06-nov 38 18 20 06-dic 29 12 17

07-nov 34 19 15 07-dic 34 19 15

08-nov 25 15 10 08-dic 37 23 14

09-nov 24 11 13 09-dic 29 18 11

10-nov 23 11 12 10-dic 27 14 13

11-nov 24 12 12 11-dic 27 17 10

12-nov 26 11 15 12-dic 31 15 16

13-nov 29 13 16 13-dic 32 16 16

14-nov 33 16 17 14-dic 33 19 14

15-nov 36 20 16 15-dic 36 20 16

16-nov 32 19 13 16-dic 38 21 17

17-nov 32 18 14 17-dic 39 24 15

18-nov 34 17 17 18-dic 41 25 16

19-nov 37 20 17 19-dic 44 27 17

20-nov 28 17 11 20-dic 44 29 15

21-nov 23 16 7 21-dic 35 25 10

22-nov 28 15 13 22-dic 27 16 11

23-nov 29 15 14 23-dic 26 15 11

24-nov 32 17 15 24-dic 28 16 12

25-nov 36 23 13 25-dic 34 19 15

26-nov 36 26 10 26-dic 39 20 19

27-nov 40 22 18 27-dic 42 22 20

28-nov 30 22 8 28-dic 36 26 10

29-nov 30 18 12 29-dic 37 19 18

30-nov 36 20 16 30-dic 41 22 19

Promedio 31,53 17,27 14,27 31-dic 47 29 18

Promedio 35,19 20,39 14,81 Tabla 6.2 Datos meteorológicos Noviembre-Diciembre 2013


162


01-ene 47 19 28 01-feb 41 26 15

02-ene 41 22 19 02-feb 34 25 9

03-ene 30 19 11 03-feb 40 26 14

04-ene 29 14 15 04-feb 39 25 14

05-ene 31 16 15 05-feb 40 27 13

06-ene 28 14 14 06-feb 41 27 14

07-ene 30 16 14 07-feb 42 28 14

08-ene 32 18 14 08-feb 42 28 14

09-ene 35 21 14 09-feb 41 26 15

10-ene 39 20 19 10-feb 42 25 17

11-ene 41 23 18 11-feb 41 27 14

12-ene 41 25 16 12-feb 43 30 13

13-ene 42 28 14 13-feb 42 30 12

14-ene 42 28 14 14-feb 37 24 13

15-ene 41 30 11 15-feb 26 21 5

16-ene 41 27 14 16-feb 28 16 12

17-ene 39 28 11 17-feb 33 17 16

18-ene 38 27 11 18-feb 31 18 13

19-ene 40 27 13 19-feb 27 16 11

20-ene 39 26 13 20-feb 25 13 12

21-ene 40 26 14 21-feb 27 14 13

22-ene 38 27 11 22-feb 28 14 14

23-ene 36 27 9 23-feb 30 16 14

24-ene 30 25 5 24-feb 33 20 13

25-ene 34 20 14 25-feb 34 19 15

26-ene 36 21 15 26-feb 28 15 13

27-ene 41 24 17 27-feb 30 17 13

28-ene 42 28 14 28-feb 32 21 11

29-ene 42 27 15 Promedio 34,89 21,82 13,07

30-ene 43 27 16

31-ene 43 25 18

Promedio 37,8 23,4 14,4

Tabla 6.3 Datos meteorológicos Enero-Febrero 2014


163


01-mar 33 20 13 01-abr 38 25 13

02-mar 33 20 13 02-abr 29 16 13

03-mar 34 21 13 03-abr 19 14 5

04-mar 37 22 15 04-abr 23 13 10

05-mar 38 23 15 05-abr 25 15 10

06-mar 35 21 14 06-abr 28 17 11

07-mar 33 19 14 07-abr 27 19 8

08-mar 36 20 16 08-abr 22 20 2

09-mar 37 21 16 09-abr 21 18 3

10-mar 37 24 13 10-abr 23 17 6

11-mar 39 24 15 11-abr 22 16 6

12-mar 34 21 13 12-abr 21 14 7

13-mar 34 20 14 13-abr 22 13 9

14-mar 38 22 16 14-abr 23 12 11

15-mar 31 22 9 15-abr 23 13 10

16-mar 27 16 11 16-abr 26 12 14

17-mar 31 16 15 17-abr 27 14 13

18-mar 34 22 12 18-abr 29 15 14

19-mar 34 22 12 19-abr 29 14 15

20-mar 34 21 13 20-abr 30 18 12

21-mar 34 21 13 21-abr 30 18 12

22-mar 32 18 14 22-abr 25 15 10

23-mar 26 17 9 23-abr 25 14 11

24-mar 24 13 11 24-abr 24 13 11

25-mar 26 16 10 25-abr 29 11 18

26-mar 26 15 11 26-abr 26 18 8

27-mar 27 15 12 27-abr 29 16 13

28-mar 30 16 14 28-abr 34 20 14

29-mar 31 19 12 29-abr 23 12 11

30-mar 35 20 15 30-abr 19 10 9

31-mar 37 22 15 Promedio 25,7 15,4 10,3

Promedio 32,81 19,65 13,16

Tabla 6.4 Datos meteorológicos Marzo-Abril 2014


164


01-may 20 12 8 01-jun 18 7 11

02-may 18 10 8 02-jun 20 10 10

03-may 16 10 6 03-jun 19 8 11

04-may 19 12 7 04-jun 20 9 11

05-may 19 13 6 05-jun 20 10 10

06-may 21 13 8 06-jun 19 8 11

07-may 22 14 8 07-jun 18 6 12

08-may 22 12 10 08-jun 19 6 13

09-may 20 14 6 09-jun 17 8 9

10-may 22 13 9 10-jun 17 6 11

11-may 22 12 10 11-jun 16 7 9

12-may 24 14 10 12-jun 18 9 9

13-may 24 14 10 13-jun 14 7 7

14-may 26 16 10 14-jun 17 8 9

15-may 28 14 14 15-jun 13 7 6

16-may 27 14 13 16-jun 17 8 9

17-may 23 15 8 17-jun 18 6 12

18-may 28 16 12 18-jun 16 7 9

19-may 26 16 10 19-jun 22 9 13

20-may 27 15 12 20-jun 20 5 15

21-may 28 15 13 21-jun 20 7 13

22-may 22 16 6 22-jun 24 8 16

23-may 25 12 13 23-jun 17 8 9

24-may 28 14 14 24-jun 15 8 7

25-may 30 16 14 25-jun 17 8 9

26-may 20 14 6 26-jun 20 5 15

27-may 20 12 8 27-jun 21 9 12

28-may 20 10 10 28-jun 15 8 7

29-may 23 10 13 29-jun 14 8 6

30-may 21 10 11 30-jun 13 4 9

31-may 17 8 9 Promedio 17,80 7,47 10,33

Promedio 22,84 13,10 9,74

Tabla 6.5 Datos meteorológicos Mayo-Junio 2014


165


01-jul 17 6 11 01-ago 16 7 9

02-jul 18 4 14 02-ago 16 5 11

03-jul 19 4 15 03-ago 17 2 15

04-jul 18 4 14 04-ago 16 3 13

05-jul 17 2 15 05-ago 18 2 16

06-jul 14 3 11 06-ago 20 4 16

07-jul 23 4 19 07-ago 23 5 18

08-jul 22 7 15 08-ago 24 9 15

09-jul 16 6 10 09-ago 24 9 15

10-jul 13 2 11 10-ago 21 10 11

11-jul 14 5 9 11-ago 18 7 11

12-jul 15 4 11 12-ago 16 4 12

13-jul 15 6 9 13-ago 14 3 11

14-jul 11 6 5 14-ago 16 3 13

15-jul 19 6 13 15-ago 17 8 9

16-jul 14 3 11 16-ago 18 9 9

17-jul 18 6 12 17-ago 17 5 12

18-jul 16 5 11 18-ago 18 5 13

19-jul 14 6 8 19-ago 19 5 14

20-jul 14 6 8 20-ago 19 5 14

21-jul 20 5 15 21-ago 21 5 16

22-jul 24 7 17 22-ago 24 7 17

23-jul 20 8 12 23-ago 25 8 17

24-jul 18 7 11 24-ago 25 10 15

25-jul 18 4 14 25-ago 26 10 16

26-jul 20 6 14 26-ago 26 10 16

27-jul 24 6 18 27-ago 26 11 15

28-jul 24 7 17 28-ago 25 8 17

29-jul 22 9 13 29-ago 25 10 15

30-jul 24 9 15 30-ago 26 10 16

31-jul 23 6 17 31-ago 31 10 21

Promedio 18,19 5,45 12,74 Promedio 20,87 6,74 14,13 Tabla 6.6 Datos meteorológicos Julio-Agosto 2014


166

6.3 Resultados del estudio de gráficas en 3D

6.3.1 Estudio de la evolución del EER y EER de Carnot

Los resultados del estudio de la evolución del EER y del EER de Carnot respecto de

la temperatura de evaporación y de condensación son:

6.3.1.1 EER

Tevap/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318 323

258 6,309 5,111 4,247 3,592 3,074 2,652 2,299 1,996 1,729

261 7,333 5,812 4,757 3,978 3,376 2,894 2,496 2,158 1,863

264 8,682 6,69 5,373 4,434 3,726 3,169 2,717 2,338 2,011

267 10,54 7,819 6,133 4,979 4,135 3,486 2,968 2,54 2,176

270 13,24 9,325 7,092 5,642 4,619 3,853 3,254 2,768 2,359

273 17,56 11,43 8,339 6,465 5,201 4,285 3,585 3,027 2,566

276 25,53 14,59 10,03 7,513 5,913 4,798 3,97 3,324 2,8

279 45,14 19,82 12,43 8,893 6,805 5,419 4,424 3,668 3,066

282 171 30,21 16,15 10,79 7,953 6,185 4,968 4,07 3,372 Tabla 6.7 Evolución del EER respecto de la temperatura de evaporación y de condensación

6.3.1.2 EER de Carnot

Tevap/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318 323

258 10,33 8,605 7,376 6,454 5,737 5,163 4,694 4,303 3,972

261 11,87 9,672 8,161 7,058 6,218 5,556 5,022 4,582 4,212

264 13,9 11,01 9,109 7,769 6,773 6,003 5,391 4,892 4,477

267 16,7 12,72 10,28 8,618 7,421 6,516 5,808 5,238 4,771

270 20,78 15,01 11,75 9,648 8,186 7,109 6,283 5,628 5,097

273 27,32 18,21 13,66 10,93 9,105 7,804 6,829 6,07 5,463

276 39,45 23,01 16,24 12,55 10,23 8,63 7,464 6,575 5,876

279 69,79 31,02 19,94 14,69 11,63 9,626 8,21 7,158 6,344

282 282,1 47,03 25,65 17,63 13,44 10,85 9,102 7,838 6,882 Tabla 6.8 Evolución del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación y de condensación

6.3.2 Estudio del tamaño de los depósitos 1, 2 y 3

El estudio de la evolución del tamaño de los depósitos 1, 2 y 3 respecto de la

temperatura de evaporación y de condensación queda reflejado en las siguientes tablas:


167

6.3.2.1 Tamaño del depósito 1 (m3/kWhf)

Tevap/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318 323

258 0,9767 1,017 1,061 1,111 1,167 1,232 1,307 1,395 1,503

261 0,8745 0,9101 0,9497 0,994 1,044 1,101 1,168 1,246 1,341

264 0,7847 0,8165 0,8518 0,8912 0,9358 0,9867 1,046 1,116 1,2

267 0,7056 0,734 0,7656 0,8009 0,8407 0,8861 0,9388 1,001 1,076

270 0,6358 0,6613 0,6895 0,7211 0,7568 0,7974 0,8445 0,9001 0,9673

273 0,5739 0,5969 0,6223 0,6506 0,6826 0,7191 0,7613 0,811 0,8712

276 0,5191 0,5397 0,5626 0,5881 0,6168 0,6496 0,6875 0,7322 0,7862

279 0,4702 0,4889 0,5095 0,5325 0,5584 0,5879 0,6221 0,6623 0,7108

282 0,4267 0,4435 0,4621 0,4829 0,5063 0,533 0,5638 0,6 0,6437 Tabla 6.9 Evolución del tamaño del depósito 1 respecto de la temperatura de evaporación y de

condensación


Tevap/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318 323

258 0,494 0,455 0,420 0,391 0,366 0,346 0,329 0,316 0,306

261 0,483 0,444 0,411 0,382 0,358 0,337 0,321 0,308 0,298

264 0,472 0,434 0,401 0,373 0,349 0,329 0,313 0,300 0,291

267 0,462 0,424 0,392 0,365 0,341 0,322 0,305 0,293 0,283

270 0,452 0,415 0,384 0,357 0,334 0,314 0,298 0,286 0,276

273 0,442 0,406 0,375 0,349 0,326 0,307 0,291 0,279 0,270

276 0,433 0,397 0,367 0,341 0,319 0,300 0,285 0,272 0,263

279 0,424 0,389 0,359 0,334 0,312 0,294 0,278 0,266 0,257

282 0,415 0,381 0,352 0,327 0,305 0,287 0,272 0,260 0,251 Tabla 6.10 Tamaño del depósito 2 respecto de la temperatura de evaporación y de condensación


Tevap/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318 323

258 0,0159 0,0169 0,0180 0,0192 0,0207 0,0224 0,0245 0,0271 0,0304

261 0,0158 0,0168 0,0179 0,0191 0,0206 0,0223 0,0243 0,0269 0,0301

264 0,0157 0,0167 0,0177 0,0190 0,0204 0,0221 0,0242 0,0267 0,0298

267 0,0156 0,0166 0,0176 0,0189 0,0203 0,0220 0,0240 0,0265 0,0296

270 0,0155 0,0165 0,0176 0,0188 0,0202 0,0219 0,0238 0,0263 0,0294

273 0,0155 0,0164 0,0175 0,0187 0,0201 0,0217 0,0237 0,0261 0,0292

276 0,0154 0,0163 0,0174 0,0186 0,0200 0,0216 0,0236 0,0260 0,0290

279 0,0153 0,0163 0,0173 0,0185 0,0199 0,0215 0,0234 0,0258 0,0288

282 0,0153 0,0162 0,0172 0,0184 0,0198 0,0214 0,0233 0,0257 0,0287 Tabla 6.11 Tamaño del depósito 3 respecto la temperatura de evaporación y de condensación


168

6.3.3 Estudio de las propiedades del subciclo de

compresión mecánica

Las propiedades del subciclo de compresión mecánica que se estudian son las

siguientes:

- Capacidad frigorífica del evaporador primario(kWhEVAP1/kWhFRIG)

- Consumo del compresor secundario(kW/kWEVAP1)

- EER

Este estudio se lleva a cabo según dos temperaturas de evaporación

6.3.3.1 Temperatura de evaporación de 263K

Capacidad frigorífica (kWhEVAP1/kWhFRIG)

X/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318

0,4 0,311 0,283 0,2519 0,2172 0,178 0,1332 0,08118 0,01973

0,45 0,3684 0,3427 0,3143 0,2824 0,2465 0,2054 0,1577 0,1014

0,5 0,4258 0,4025 0,3766 0,3477 0,315 0,2776 0,2343 0,1831

0,58 0,5177 0,4981 0,4763 0,452 0,4246 0,3932 0,3568 0,3138

0,65 0,5981 0,5817 0,5636 0,5434 0,5205 0,4943 0,464 0,4282

0,75 0,7129 0,7012 0,6883 0,6738 0,6575 0,6388 0,6172 0,5916

0,9 0,8852 0,8805 0,8753 0,8695 0,863 0,8555 0,8469 0,8366

1 1 1 1 1 1 1 1 1 Tabla 6.12 Capacidad frigorífica del evaporador primario según la temperatura de condensación y la

fraccion de vapor a la salida del evaporador primario, en condiciones de congelación

Consumo del compresor secundario (kW/kWEVAP1)

X/Tcond 283 288 293 298 303 308 313

0,45 0,1392 0,1885 0,2489 0,3266 0,4335 0,5951 0,8791

0,5 0,135 0,1805 0,2345 0,3008 0,3863 0,5037 0,6803

0,58 0,1302 0,1718 0,2193 0,2751 0,3424 0,4272 0,5397

0,65 0,1271 0,1665 0,2105 0,2606 0,3192 0,3896 0,4775

0,75 0,124 0,1611 0,2017 0,2468 0,2977 0,3565 0,4262

0,9 0,1208 0,1557 0,1931 0,2337 0,2783 0,3278 0,3841

1 0,1205 0,1552 0,1922 0,2321 0,2754 0,3231 0,3763 Tabla 6.13 Consumo del compresor secundario según la fracción de vapor a la salida del evaporador

primario y la temperatura de condensación, en condiciones de congelación


169

EER

X/Tcond 283 288 293 298 303 308 313

0,45 7,182 5,306 4,018 3,062 2,307 1,68 1,137

0,5 7,407 5,539 4,264 3,324 2,589 1,985 1,47

0,58 7,682 5,822 4,559 3,635 2,92 2,341 1,853

0,65 7,865 6,007 4,752 3,837 3,133 2,567 2,094

0,75 8,065 6,209 4,959 4,053 3,359 2,805 2,347

0,9 8,28 6,424 5,178 4,278 3,594 3,05 2,604

1 8,299 6,445 5,203 4,309 3,631 3,095 2,658 Tabla 6.14 Eficiencia del subciclo respecto de la fracción de vapor a la salida del evaporador primario y la

temperatura de condensación, en condiciones de congelación

6.3.3.2 Temperatura de evaporación 273 K

Capacidad frigorífica (kWhEVAP1/kWhFRIG)

X/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318

0,35 0,3022 0,2743 0,2434 0,209 0,1701 0,1258 0,07447 0,01399

0,4 0,3558 0,3301 0,3016 0,2698 0,2339 0,193 0,1457 0,08984

0,45 0,4095 0,386 0,3598 0,3307 0,2978 0,2603 0,2169 0,1657

0,5 0,4632 0,4418 0,418 0,3915 0,3616 0,3275 0,2881 0,2415

0,58 0,5491 0,5311 0,5111 0,4889 0,4638 0,4351 0,402 0,3629

0,65 0,6242 0,6092 0,5926 0,5741 0,5531 0,5293 0,5016 0,4691

0,75 0,7316 0,7209 0,709 0,6958 0,6808 0,6638 0,644 0,6208

0,9 0,8926 0,8884 0,8836 0,8783 0,8723 0,8655 0,8576 0,8483 Tabla 6.15 Capacidad frigorífica del evaporador primario según la temperatura de condensación y la

fraccion de vapor a la salida del evaporador primario, en condiciones de climatización

Consumo del compresor secundario (kW/kWEVAP1)

X/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318

0,4 0,0622 0,101 0,1481 0,2081 0,2903 0,4149 0,6371 1,184

0,45 0,0608 0,0976 0,1409 0,1938 0,2616 0,3548 0,4965 0,7496

0,5 0,0597 0,0951 0,1358 0,1839 0,243 0,3194 0,4253 0,5879

0,58 0,0584 0,0922 0,13 0,1731 0,2239 0,2855 0,3639 0,4698

0,65 0,0576 0,0903 0,1264 0,1667 0,2129 0,2671 0,333 0,4165

0,75 0,0567 0,0883 0,1226 0,1603 0,2022 0,2499 0,3054 0,372

0,9 0,0557 0,0863 0,1188 0,1539 0,192 0,2341 0,2812 0,3353

1 0,0555 0,0859 0,1183 0,1529 0,1904 0,2314 0,2768 0,3279 Tabla 6.16 Consumo del compresor secundario según la fracción de vapor a la salida del evaporador

primario y la temperatura de condensación, en condiciones de climatización


170

EER

X/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318

0,4 16,08 9,901 6,753 4,804 3,444 2,41 1,57 0,8444

0,45 16,45 10,24 7,095 5,16 3,823 2,818 2,014 1,334

0,5 16,74 10,51 7,365 5,438 4,115 3,131 2,351 1,701

0,58 17,11 10,85 7,695 5,775 4,467 3,502 2,748 2,129

0,65 17,36 11,07 7,914 5,998 4,697 3,743 3,003 2,401

0,75 17,65 11,32 8,155 6,24 4,945 4,001 3,274 2,688

0,9 17,96 11,59 8,415 6,498 5,207 4,272 3,556 2,983

1 18,03 11,64 8,455 6,539 5,252 4,322 3,613 3,049 Tabla 6.17 Eficiencia del subciclo respecto de la fracción de vapor a la salida del evaporador primario y la

temperatura de condensación, en condiciones de climatización

6.3.4 Estudio del tamaño del depósito 4

El estudio del tamaño del depósito 4 se realiza en función de la temperatura de

condensación y de la fracción del vapor a la salida del evaporador primario, en dos

condiciones de temperatura de evaporación:

6.3.4.1 Temperatura de evaporación de 263 K

X/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318

0,4 0,3324 0,3459 0,3609 0,3776 0,3965 0,4181 0,4432 0,4729

0,45 0,3721 0,3872 0,404 0,4227 0,4439 0,4681 0,4962 0,5294

0,5 0,4118 0,4285 0,4471 0,4678 0,4913 0,5181 0,5491 0,5859

0,58 0,4754 0,4947 0,5161 0,54 0,5671 0,598 0,6339 0,6763

0,65 0,5309 0,5525 0,5764 0,6032 0,6334 0,6679 0,708 0,7554

0,75 0,6104 0,6352 0,6627 0,6934 0,7282 0,7679 0,8139 0,8683

0,9 0,7295 0,7591 0,792 0,8288 0,8703 0,9177 0,9728 1,038

1 0,8089 0,8418 0,8782 0,919 0,965 1,018 1,079 1,151 Tabla 6.18 Tamaño del depósito 4 según la temperatura de condensación y la fracción de vapor a la salida

del evaporador primario, en condiciones de congelación


171


X/Tcond 283 288 293 298 303 308 313 318 323

0,35 0,2096 0,2179 0,2272 0,2376 0,2492 0,2625 0,2779 0,2961 0,3181

0,4 0,2374 0,2469 0,2574 0,2691 0,2823 0,2974 0,3148 0,3354 0,3603

0,45 0,2652 0,2758 0,2875 0,3006 0,3154 0,3322 0,3517 0,3747 0,4025

0,5 0,293 0,3047 0,3176 0,3321 0,3484 0,367 0,3886 0,414 0,4447

0,58 0,3375 0,351 0,3659 0,3825 0,4013 0,4228 0,4476 0,4768 0,5122

0,65 0,3764 0,3914 0,4081 0,4267 0,4476 0,4716 0,4992 0,5318 0,5713

0,75 0,432 0,4493 0,4684 0,4897 0,5138 0,5412 0,573 0,6104 0,6557

0,9 0,5154 0,536 0,5588 0,5843 0,613 0,6457 0,6836 0,7283 0,7823

1 0,571 0,5938 0,6191 0,6473 0,6791 0,7154 0,7574 0,8069 0,8667 Tabla 6.19 Tamaño del depósito 4 según la temperatura de condensación y la fracción de vapor a la salida

del evaporador primario, en condiciones de congelación


172

6.4 Análisis de la reducción de superficie de la

instalación fotovoltaica para diferentes

condiciones

En este apartado del Anexo se incluyen los análisis que se realizaron para estudiar

cómo era la reducción de la superficie de la instalación fotovoltaica para condiciones

diferentes a 5 kWh/m2día, concretamente para 3 kWh/m2día y 7 kWh/m2día.

6.4.1 Alternativa 1

Las tablas que se obtuvieron para estos casos son las que siguen:


Epanel = 3 kWh/m2día


283 8,19 0,121 0,404 2,130 84,066

284 7,76 0,128 0,426 2,107 83,171

285 7,36 0,135 0,449 2,084 82,276

286 7 0,142 0,472 2,061 81,355

287 6,68 0,149 0,496 2,038 80,434

288 6,37 0,156 0,519 2,014 79,500

289 6,09 0,163 0,543 1,990 78,553

290 5,83 0,170 0,568 1,966 77,592

291 5,59 0,178 0,592 1,941 76,618

292 5,36 0,185 0,617 1,916 75,632

293 5,15 0,193 0,643 1,890 74,618

294 4,96 0,201 0,669 1,865 73,605

295 4,77 0,209 0,695 1,838 72,566

296 4,59 0,216 0,721 1,812 71,526

297 4,43 0,225 0,748 1,785 70,461

298 4,27 0,233 0,776 1,757 69,368

299 4,13 0,241 0,804 1,730 68,276

300 3,98 0,250 0,832 1,701 67,145

301 3,85 0,258 0,861 1,672 66,013

302 3,72 0,267 0,891 1,643 64,842




173



283 8,19 0,121 0,173 0,912 84,066

284 7,76 0,128 0,182 0,903 83,171

285 7,36 0,135 0,192 0,893 82,276

286 7 0,142 0,202 0,883 81,355

287 6,68 0,149 0,212 0,873 80,434

288 6,37 0,156 0,222 0,863 79,500

289 6,09 0,163 0,232 0,852 78,553

290 5,83 0,170 0,2432 0,842 77,592

291 5,59 0,178 0,253 0,831 76,618

292 5,36 0,185 0,264 0,821 75,632

293 5,15 0,193 0,275 0,810 74,618

294 4,96 0,201 0,286 0,799 73,605

295 4,77 0,209 0,297 0,787 72,566

296 4,59 0,216 0,309 0,776 71,526

297 4,43 0,225 0,320 0,765 70,461

298 4,27 0,233 0,332 0,753 69,368

299 4,13 0,241 0,344428571 0,741285714 68,276

300 3,98 0,250 0,356714286 0,729 67,145

301 3,85 0,258 0,369 0,716714286 66,013

302 3,72 0,267 0,381714286 0,704 64,842




174




283 17,84 0,0561 0,187 1,673 89,95

284 16,12 0,0620 0,207 1,653 88,89

285 14,7 0,0680 0,227 1,633 87,81

286 13,49 0,0741 0,247 1,613 86,72

287 12,45 0,0803 0,268 1,592 85,61

288 11,56 0,0865 0,288 1,572 84,49

289 10,77 0,0929 0,310 1,551 83,36

290 10,08 0,0992 0,331 1,529 82,22

291 9,46 0,1057 0,352 1,508 81,06

292 8,907 0,1123 0,374 1,486 79,87

293 8,409 0,1189 0,396 1,464 78,69

294 7,958 0,1257 0,419 1,441 77,47

295 7,548 0,1325 0,442 1,418 76,25

296 7,172 0,1394 0,465 1,395 75,02

297 6,828 0,1465 0,488 1,372 73,75

298 6,51 0,1536 0,512 1,348 72,47

299 6,216 0,1609 0,536 1,324 71,16

300 5,944 0,1682 0,561 1,299 69,86

301 5,69 0,1757 0,586 1,274 68,51

302 5,454 0,1834 0,611 1,249 67,13




175



283 17,84 0,0561 0,080 0,717 89,95

284 16,12 0,0620 0,089 0,709 88,89

285 14,7 0,0680 0,097 0,700 87,81

286 13,49 0,0741 0,106 0,691 86,72

287 12,45 0,0803 0,115 0,682 85,61

288 11,56 0,0865 0,124 0,674 84,49

289 10,77 0,0929 0,133 0,665 83,36

290 10,08 0,0992 0,142 0,655 82,22

291 9,46 0,1057 0,151 0,646 81,06

292 8,907 0,1123 0,160 0,637 79,87

293 8,409 0,1189 0,170 0,627 78,69

294 7,958 0,1257 0,180 0,618 77,47

295 7,548 0,1325 0,189 0,608 76,25

296 7,172 0,1394 0,199 0,598 75,02

297 6,828 0,1465 0,209 0,588 73,75

298 6,51 0,1536 0,219 0,578 72,47

299 6,216 0,1609 0,230 0,567 71,16

300 5,944 0,1682 0,240 0,557 69,86

301 5,69 0,1757 0,251 0,546 68,51

302 5,454 0,1834 0,262 0,535 67,13




176

6.4.2 Alternativa 2



Tcond(K) EER Ecomp(kWh/kWhf) Superficie(m2/kWhf) ΔS(m2/kWhf) ΔS(%/kWhf) Tcond(K)

283 8,19 0,121 0,242 0,807 1,726 68,132

284 7,76 0,128 0,256 0,853 1,681 66,342

285 7,36 0,135 0,269 0,898 1,635 64,553

286 7 0,142 0,283 0,945 1,589 62,711

287 6,68 0,149 0,297 0,991 1,542 60,868

288 6,37 0,156 0,312 1,039 1,495 59,000

289 6,09 0,163 0,326 1,087 1,447 57,105

290 5,83 0,170 0,341 1,135 1,398 55,184

291 5,59 0,178 0,355 1,185 1,349 53,237

292 5,36 0,185 0,370 1,235 1,299 51,263

293 5,15 0,193 0,386 1,286 1,247 49,237

294 4,96 0,201 0,401 1,337 1,196 47,211

295 4,77 0,209 0,417 1,390 1,143 45,132

296 4,59 0,216 0,433 1,443 1,091 43,053

297 4,43 0,225 0,449 1,497 1,037 40,921

298 4,27 0,233 0,466 1,552 0,981 38,737

299 4,13 0,241 0,482 1,607 0,926 36,553

300 3,98 0,250 0,499 1,665 0,869 34,289

301 3,85 0,258 0,517 1,722 0,811 32,026

302 3,72 0,267 0,534 1,781 0,752 29,684

303 3,6 0,276 0,552 1,841 0,693 27,342 Tabla 6.24 Parámetros característicos de reducción de superficie de campo solar respecto la temperatura



177



283 8,19 0,121 0,242 0,346 0,740 68,132

284 7,76 0,128 0,256 0,365 0,720 66,342

285 7,36 0,135 0,269 0,385 0,701 64,553

286 7 0,142 0,283 0,405 0,681 62,711

287 6,68 0,149 0,297 0,425 0,661 60,868

288 6,37 0,156 0,312 0,445 0,641 59,000

289 6,09 0,163 0,326 0,466 0,620 57,105

290 5,83 0,170 0,341 0,487 0,599 55,184

291 5,59 0,178 0,355 0,508 0,578 53,237

292 5,36 0,185 0,370 0,529 0,557 51,263

293 5,15 0,193 0,386 0,551 0,535 49,237

294 4,96 0,201 0,401 0,573 0,513 47,211

295 4,77 0,209 0,417 0,596 0,490 45,132

296 4,59 0,216 0,433 0,618 0,467 43,053

297 4,43 0,225 0,449 0,641 0,444 40,921

298 4,27 0,233 0,466 0,665 0,421 38,737

299 4,13 0,241 0,482 0,689 0,397 36,553

300 3,98 0,250 0,499 0,713 0,372 34,289

301 3,85 0,258 0,517 0,738 0,348 32,026

302 3,72 0,267 0,534 0,763 0,322 29,684




178

6.4.2.2 Temperatura de condensación de 273 K



283 17,84 0,0561 0,11212 0,374 1,486 79,91

284 16,12 0,0620 0,12404 0,413 1,447 77,77

285 14,7 0,0680 0,13608 0,454 1,406 75,61

286 13,49 0,0741 0,14826 0,494 1,366 73,43

287 12,45 0,0803 0,1606 0,535 1,325 71,22

288 11,56 0,0865 0,17306 0,577 1,283 68,99

289 10,77 0,0929 0,1857 0,619 1,241 66,72

290 10,08 0,0992 0,19848 0,662 1,198 64,43

291 9,46 0,1057 0,2114 0,705 1,155 62,11

292 8,907 0,1123 0,2246 0,749 1,111 59,75

293 8,409 0,1189 0,2378 0,793 1,067 57,38

294 7,958 0,1257 0,2514 0,838 1,022 54,95

295 7,548 0,1325 0,265 0,883 0,977 52,51

296 7,172 0,1394 0,2788 0,929 0,931 50,04

297 6,828 0,1465 0,293 0,977 0,883 47,49

298 6,51 0,1536 0,3072 1,024 0,836 44,95

299 6,216 0,1609 0,3218 1,073 0,787 42,33

300 5,944 0,1682 0,3364 1,121 0,739 39,71

301 5,69 0,1757 0,3514 1,171 0,689 37,03

302 5,454 0,1834 0,3668 1,223 0,637 34,27




179



283 17,84 0,0561 0,11212 0,160 0,637 79,91

284 16,12 0,0620 0,12404 0,177 0,620 77,77

285 14,7 0,0680 0,13608 0,194 0,603 75,61

286 13,49 0,0741 0,14826 0,212 0,585 73,43

287 12,45 0,0803 0,1606 0,229 0,568 71,22

288 11,56 0,0865 0,17306 0,247 0,550 68,99

289 10,77 0,0929 0,1857 0,265 0,532 66,72

290 10,08 0,0992 0,19848 0,284 0,514 64,43

291 9,46 0,1057 0,2114 0,302 0,495 62,11

292 8,907 0,1123 0,2246 0,321 0,476 59,75

293 8,409 0,1189 0,2378 0,340 0,457 57,38

294 7,958 0,1257 0,2514 0,359 0,438 54,95

295 7,548 0,1325 0,265 0,379 0,419 52,51

296 7,172 0,1394 0,2788 0,398 0,399 50,04

297 6,828 0,1465 0,293 0,419 0,379 47,49

298 6,51 0,1536 0,3072 0,439 0,358 44,95

299 6,216 0,1609 0,3218 0,460 0,337 42,33

300 5,944 0,1682 0,3364 0,481 0,317 39,71

301 5,69 0,1757 0,3514 0,502 0,295 37,03

302 5,454 0,1834 0,3668 0,524 0,273 34,27



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