evaluación energética de un ciclo de refrigeración por...
TRANSCRIPT
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema Refrigeración: Sistemas por eyecto-compresión
“Evaluación energética de un ciclo de refrigeración por eyecto-compresión utilizando alternativas de sustitución al R134a”
Pérez-García V.a*, Belman-Flores J.M.a, Gallegos-Muñoz A.a, Riesco-Avila J.M.a, Rodríguez-Muñoz
J.L.b
aDivisión de Ingenierías Campus Irapuato Salamanca, Carr. Salamanca-Valle de Santiago km. 3.5 + 1.8, Salamanca, Gto., C.P. 36885l, México bEscuela de Ingeniería Industrial de la Universidad del SABES, Ejido San Rafael de Villaseñor, Pénjamo, Gto., C.P. 36900, México
*Autor de contacto, Dirección de correo electrónico: [email protected]
R E S U M E N
En el presente trabajo, se evaluó teóricamente el comportamiento energético de un ciclo de refrigeración por eyecto-
compresión utilizando cinco refrigerantes como alternativas de sustitución al R134a. Los resultados muestran que,
considerando una caída de presión óptima para cada refrigerante, el ciclo de refrigeración alcanza un mayor desempeño
energético cuando se utiliza R152a, superando en un 1.7% al R134a, mientras que el R1234yf resulta ser el que menor
desempeño energético alcanza, quedando un 2.7% por debajo del reportado por el R134a. Por otro lado, el refrigerante
con mayor consumo de potencia en el compresor resultó ser el R290 con un 47% por encima del R134a siendo el R1234yf
el que reportó una reducción del 27.5% en relación al R134a. Las condiciones de operación son fijadas para temperatura
media de refrigeración y se consideran procesos isentrópicos tanto en el compresor como en el eyector.
Palabras Clave: Eyector, Eyecto-Compresión, Desempeño Energético, Refrigeración.
A B S T R A C T
In this paper, energy behavior of an ejection refrigeration cycle was evaluated using five refrigerants as drop-in
alternatives to R134a. Results shown that, considering an optimal pressure drop for each refrigerant, refrigeration cycle
reaches the better energy performance when R152a is used, overcoming in 1.7% to R134a, while R1234yf is the refrigerant
with minor energy performance with a decrease of 2.7% versus R134a. On the other hand, refrigerant with major
compressor work is R290 with 47% above to R134a, being the R1234yf the refrigerant that minor compressor work needs
with a reduction of 27.5% in comparison with R134a. Operating conditions are fixed for medium refrigeration temperature
and isentropic processes both compressor and ejector was considered.
Keywords: Ejector, Ejected-Compression, Energy Performance, Refrigeration.
ISSN 2448-5551 TF 27 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Nomenclatura
COP Coeficiente de desempeño
energético
h Entalpía específica
(kJ/kg)
P Presión (kPa)
q Transferencia de calor por
unidad de masa (kJ/kg)
s Entropía (kJ/kg K)
T Temperatura (°C)
v Velocidad (m/s)
W Trabajo específico en el
compresor (kJ/kg)
Sub-índices
cond Condensador
comp Compresor
d Difusor
e Eyector
ev Evaporador
s isentrópico
t Tobera
1 ,2, 3, ..,10 Estados termodinámicos
Símbolos griegos
Eficiencia isentrópica
μ Razón de arrastre (kg/kg)
Δ Diferencia
1. Introducción
Dentro del Protocolo de Montreal [1], se establece la
regulación de sustancias que contribuyen al calentamiento
global como gases de efecto invernadero (GEI) siendo
principalmente los refrigerantes que poseen un potencial de
calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés)
superior a dos dígitos, los que se encuentran actualmente
dentro del catálogo próximos a eliminar.
En este sentido, de acuerdo con la normativa Europea F-
Gas 517/2014 [2], el objetivo principal para reducir el
calentamiento global producido por refrigerantes que no
cumplan con el Protocolo de Montreal, es la reducción
paulatina de GEI en un 70% con miras al 2030. De esta
manera, el refrigerante que se encuentra dentro de esta
eliminación es el R134a debido a que posee un GWP de
1430 [3] por lo cual es necesario buscar soluciones para que
no exista ningún inconveniente al eliminar este refrigerante.
Al momento de seleccionar un refrigerante sustituto de
otro, es necesario considerar diversas características, entre
ellas, buscar que el nuevo refrigerante tenga un desempeño
similar al que se va a sustituir para no afectar el
funcionamiento del sistema en donde será implementado el
nuevo refrigerante; además debe cuidarse que el impacto
ambiental negativo sea menor al refrigerante actual y
apegarse a la normativa vigente para la sustitución de
refrigerantes. Adicionalmente a estas características, las
propiedades termofísicas ayudan a realizar una sustitución
más eficiente. Por ejemplo, un elevado calor latente indica
una mejora o incremento en la capacidad de refrigeración
del sistema y menor tiempo de operación del compresor, por
lo anterior, cuanto mayor sea el calor latente del refrigerante
sustituto, el consumo del combustible será menor.
En relación a la densidad, si la densidad del refrigerante
en fase líquida es baja, se reduce la carga de refrigerante en
el sistema, por lo que esta propiedad impactará directamente
en la cantidad de refrigerante a utilizar. Si la densidad del
refrigerante en fase vapor es baja, se incrementa la velocidad
del gas y la fuerza cortante entre el vapor y el líquido, al
mismo tiempo que se mejora la transferencia de calor.
Finalmente, el punto normal de ebullición es la propiedad
que relaciona directamente la relación de presiones de cada
refrigerante, así como la temperatura de cambio de fase del
mismo. Mientras mayor sea el punto normal de ebullición
del refrigerante la temperatura crítica será superior, se
manejan presiones bajas para temperaturas de cambio de
fase iguales y la razón de compresión será mayor. La tabla 1
muestra un comparativo de estas propiedades tanto para el
refrigerante actual como para las propuestas de reemplazo.
Es así que, dentro de las opciones que se tienen para el
reemplazo de este refrigerante existen principalmente:
• Hidrofluorocarbonos,
• Hidrocarburos e,
• Hidrofluoro-olefinas
El R744 es otra posible opción, sin embargo, el uso de
este refrigerante depende mucho de las condiciones
climáticas donde se utilice ya que, su principal ventaja es
que alcanza los mejores desempeños energéticos en climas
fríos [4].
Tabla 1- Propiedades de los refrigerantes comparados.
Refrig
erante
Peso
Mol
ecul
ar
(g/m
ol)
Clasi-
ficación
ASHR
AE
Punto
Normal
de
Ebulli-
ción, °C
GWP
a 100
años
Calor
latente
de
vapo-
rización
a 30°C,
kJ/kg
Den-
sidad
líqui-
do, a
30°C,
kg/m3
R134a 102 A1 -26 1430 173.1 1187
R152a 66 A2 -24 130 273.35 887
R290 44 A3 -42 3 326.98 484.63
R600a 58 A3 -12 3 323.5 544.5
R1234yf 114 A2L -29 4 141 1073
R1234ze 114 A2L -19 6 162.9 1146
En las secciones 1.1-1.3 se detallan los refrigerantes
mencionados en la Tabla 1 y en la sección 1.4 se describe el
ciclo de refrigeración por eyecto compresión.
ISSN 2448-5551 TF 28 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
1.1. Hidrofluorocarbonos (HFCs)
Los Hidrofluorocarbonos (HFCs) son sustancias creadas
para reemplazar a los clorofluorocarbonos (CFCs) causantes
del agujero en la capa de ozono [5]. Sin embargo, en su
molécula contienen flúor, lo que los hace sustancias
reguladas por el Protocolo de Montreal [1] al considerarlos
como GEI.
A pesar de que estas sustancias son apenas una pequeña
fracción del total de los GEI en el mundo, actualmente el
crecimiento de la concentración de éstas es del 7% anual [6],
lo que significa que, si no se toman medidas de reducción de
los HFCs, éstas sustancias supondrán entre el 9% y 19% del
total de las emisiones de CO2 para el año 2050 [7]. Por lo
anterior, una recomendación de la Agencia de Protección del
Medio Ambiente [8] es la prohibición de los HFCs, ya de
esta manera, se reduciría la temperatura global en 0.5°C
hasta finales del presente siglo.
De los HFCs utilizados en la industria de refrigeración
aire acondicionado, el R134a es el más conocido, y sus
propiedades termodinámicas lo hacen un refrigerante con un
amplio rango de aplicaciones. La desventaja que tiene es el
elevado GWP (como se muestra en la Tabla 1), el cual va
relacionado directamente con el tiempo de vida activo en la
atmósfera que, para este refrigerante es de 14 años.
Debido a lo anterior, algunos autores [9-11] han
propuesto refrigerantes sustitutos al R134a como
alternativas de reducción al calentamiento global, siendo el
R152a una de estas opciones. Este refrigerante tiene como
principal ventaja un GWP poco más de diez veces menor
que el R134a, sin embargo, debido a sus propiedades
temodinámicas, el refrigerante no puede ser utilizado como
reemplazo directo.
Por otro lado, desde el punto de vista energético, el R152a
ha demostrado ser mejor que el R134a tanto en ciclo simple
como en ciclo con intercambiador intermedio. Bilen [12]
realizó la evaluación energética teórica del R12, R22, R134a
y R152a concluyendo que el COP del sistema que opera con
R152a es mejor comparado con los otros tres refrigerantes a
una misma temperatura de evaporación. Chavhan [13]
analizó experimentalmente una comparativa directa entre el
R152a y el R134a y concluyó que el incremento del COP
para el R152a se debe a que el consumo de potencia por
tonelada de refrigeración en el compresor se reduce hasta en
13.23% en comparación al R134a.
1.2. Hidrocarburos (HCs)
Los refrigerantes hidrocarburos son gases naturales libres de
cloro y flúor compuestos únicamente de hidrógeno y
carbono. Se encuentran en forma natural principalmente en
el gas natural, en el petróleo y en gases de refinerías.
Presentan un grado de inflamabilidad tipo A3 de acuerdo a
la clasificación realizada por la ASHRAE, lo que significa
que tienen un elevado grado de inflamabilidad, por lo que su
uso se recomienda bajo estrictos estándares de seguridad.
A pesar de esto, termodinámicamente poseen
propiedades que los hacen ser muy competitivos contra los
HFCs debido principalmente a su elevado calor latente de
vaporización. Además, son compuestos cuyo peso
molecular es menor al de los HFCs, lo que significa que, se
requiere menor cantidad de masa para producir la misma
cantidad de frío en un sistema que utiliza HCs contra otro
que utilice HFCs. Lo anterior pone a los hidrocarburos como
alternativa de sustitución de los HFCs en aras de mitigar el
cambio climático.
En este sentido, dos de los hidrocarburos más utilizados
en refrigeración son el R290 y el R600a y algunas de las
propiedades más importantes de éstos refrigerantes son
mostradas en la Tabla 1.
El R290 es un hidrocarburo cuya capacidad volumétrica
es 150% más grande que la del R134a a una temperatura de
condensación de 45°C [14] y opera bajo un nivel de presión
diferente al del R134a, razón por la cual este refrigerante es
una alternativa de sustitución en equipos de refrigeración
nuevos y no como reemplazo directo. Además de esto, en
pruebas experimentales, se demostró que el uso del R290 en
sistemas de refrigeración de ciclo simple produce una
reducción en el consumo de potencia eléctrica de hasta un
55% comparado con el R134a [15]. Debido a las ventajas
que exhibe el R290, resulta conveniente tomarlo como una
opción en el estudio realizado en el presente trabajo.
Por su parte, el R600a es otro de los refrigerantes que se
plantea como sustituto al R134a debido a sus características
y propiedades termodinámicas. Al igual que el R290, el
R600a es inflamable y, por lo tanto, las precauciones que se
deben tener al momento de utilizarlo son muy diferentes a
las de cualquier HFC. Operaciones tanto de soldadura de
tubería como de uso de equipos que produzcan chispa, están
totalmente restringidas en sistemas que operen con
hidrocarburos.
En comparación con el R134a, el R600a presenta
menores presiones de operación, lo que hace que la razón de
compresión en sistemas con este refrigerante sea inferior a
la reportada para sistemas que operan con R134a. Esto tiene
una ventaja y significa que el sistema con R134a consume
mayor potencia eléctrica que el que utiliza R600a. Además
de esto, el desempeño energético de un sistema que opera
con R600a puede llegar a ser hasta un 46% mayor al que se
reporta con R134a [16] y la cantidad de masa del sistema, al
igual que para el R290, es menor usando R600a para
producir las mismas condiciones de frío.
En cuanto a las aplicaciones, el R600a puede ser utilizado
en sistemas de refrigeración domésticos de acuerdo a
Danfoss [17], por lo que se puede considerar como una
alternativa de sustitución al R134a en sistemas nuevos.
1.3. Hidrofluoro-olefinas (HFOs)
Los hidrocarburos fluorados mejor conocidos como hidro-
fluoro-olefinas (HFOs), son la cuarta generación de
refrigerantes y representan otra de las opciones para
sustitución a los HFCs. Los refrigerantes considerados para
sustituir al R134a en este grupo son el R1234yf y el
R1234ze.
ISSN 2448-5551 TF 29 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
El R1234yf es considerado en la mayoría de los países
como el sustituto del R134a en climatización automotriz,
debido a que sus propiedades son muy similares a las que
reporta el R134a, pero con la ventaja de que el potencial de
calentamiento global es un 99.97% menor al R134a. El
inconveniente sigue siendo su grado de inflamabilidad y por
esa razón, en países como Alemania, este refrigerante no es
una de las mejores opciones. Sin embargo, en diversos
trabajos [17-19] se ha demostrado que el R1234yf realmente
puede ser considerado como una opción de sustitución, al
menos en sistemas de climatización automotriz.
Por otro lado, el R1234ze se está considerando en
aplicaciones de climatización residencial, en enfriadores de
agua y de igual manera como sustituto del R134a. Autores
como [20-22] han evaluado el comportamiento energético
del R1234ze en comparación con el reportado por el R134a
y han concluido que, bajo las mismas condiciones de
operación, energéticamente es muy viable considerarlo
como sustituto.
1.4. Descripción del ciclo
El ciclo de eyecto-compresión difiere del ciclo básico en la
inclusión de un eyector como dispositivo de expansión con
el objetivo de reducir las irreversibilidades que se presentan
en el estrangulamiento que se tiene normalmente con el uso
de una válvula de expansión. En este ciclo se agregan
además variables como la razón de arrastre, la eficiencia del
eyector, la razón de elevación de presión y la caída de
presión en el eyector.
La razón de arrastre y la razón de elevación de presión
son parámetros que se relacionan, respectivamente, con la
capacidad de refrigeración y con el trabajo en el compresor,
mientras que la eficiencia del eyector, depende directamente
de las eficiencias tanto de la tobera como del difusor los
cuales son elementos que conforman al eyector junto con
una cámara de mezcla. La caída de presión en el eyector, es
un parámetro que relaciona el COP óptimo que alcanza el
ciclo de eyecto-compresión.
El esquema del ciclo se presenta en la Figura 1a),
mientras que en la Figura 1b) se muestra el diagrama ph de
los procesos termodinámicos del mismo. A continuación, se
describen los estados por los que pasa el refrigerante de la
siguiente manera: Vapor saturado proveniente de un
separador de líquidos entra en el compresor (1) donde se
lleva a cabo un incremento de energía cinética y una
elevación de presión (2) experimentando un proceso
isentrópico (2s) el cual se ha considerado así por
simplicidad. Posteriormente, el refrigerante entra al
condensador para reducir su temperatura y conseguir un
cambio de fase de vapor a líquido (3); una vez que el
refrigerante sale como líquido saturado, entra al eyector el
cual está constituido por dos toberas, una cámara de mezcla
y un difusor. En primer lugar, el refrigerante condensado
entra a una tobera donde se lleva a cabo una expansión (4)
siendo este proceso considerado de igual forma como
isentrópico (4s), aquí el refrigerante continúa su paso ahora
entrando a una cámara de mezcla (5) donde se unirá con
refrigerante evaporado proveniente de una segunda tobera
(10). A la salida de la cámara de mezcla se encuentra
inmediatamente un difusor que se encargará de elevar la
presión del fluido (6) enviándolo al separador de líquidos en
donde una parte se convertirá en vapor saturado y otra en
líquido saturado (7). El líquido saturado se estrangula a
entalpía constante (8) en una válvula de expansión para
enviarlo directamente al evaporador del sistema donde el
refrigerante se evapora hasta condiciones de saturación (9).
El vapor saturado que sale del evaporador entra a una
segunda tobera para experimentar una segunda expansión
(10) antes de enviar el refrigerante nuevamente a la cámara
de mezcla par que el ciclo se vuelva a repetir.
Figura 1 a). Esquema del ciclo de refrigeración por eyecto-
compresión, b) diagram p-h del ciclo.
El ciclo se simuló en el software EES utilizando la
metodología empleada por [23] y un algoritmo programado
para la convergencia del sistema de ecuaciones que se
genera en la solución del ciclo.
Las condiciones de operación a las que se realizó la
simulación del ciclo se muestran en la Tabla 2.
a)
1
2
3
45
6
7
8
9
10
1
2
3
45
6
7
8
9
10
a)
1
2
3
45
6
7
8
9
10
h
P
23
4 5 10
167
8 9
h
P
23
4 5 10
167
8 9
b)
h
P
23
4 5 10
167
8 9
b)
ISSN 2448-5551 TF 30 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tabla 2 – Condiciones de operación del ciclo
Parámetro Valor
Temperatura de evaporación 0°C
Temperatura de condensación 40°C
Eficiencia isentrópica en el
compressor
75%
Eficiencia isentrópica en la tobera
Eficiencia isentrópica en el eyector
85%
72.25%
A continuación, se presenta el análisis energético
realizado al ciclo de eyecto-compresión utilizando las
ecuaciones descritas y empleando como parámetros de
entrada, las condiciones de operación mencionadas en este
apartado.
2. Análisis energético
El balance de energía sobre el ciclo debe cumplir con la
Primera Ley de la Termodinámica a través de la ecuación
(1):
concompev qWq (1)
Además, de acuerdo a la Segunda Ley de la
Termodinámica, el desempeño energético del ciclo de
refrigeración se calcula mediante la ecuación (2):
comp
ev
W
qCOP
(2)
Siendo el balance de energía en el compresor:
12 hhWcomp (3)
Y, en el condensador:
32 hhqcon (4)
De manera que, solo restaría mencionar las ecuaciones para
la simulación del evaporador y de la válvula de expansión,
siendo (5) y (6) respectivamente:
)( 89 hhqev (5)
87 hh (6)
Mediante el uso de las ecuaciones (1) a (6), y de la
metodología para la simulación del eyector presentada en
[23], se obtiene una caída de presión óptima para cada
refrigerante y las simulaciones posteriores se hacen
considerando esta caída de presión para cada fluido.
El análisis en el eyector, se realiza mediante la solución
de las ecuaciones (7) a (22). De esta manera, a la salida de
la tobera,
49 ppP (7)
),( 34 ssThh ss (8)
s
thh
hh
43
43
(9)
434 2 hhv (10)
A la salida del evaporador y entrada en el eyector:
109 ppP (11)
),( 91010 sphh s (12)
s
thh
hh
109
109
(13)
10910 2 hhv (14)
En la sección de mezcla del eyector:
1045 ppp (15)
104511
1vvv
(16)
22
1
21
12
5
2
1010
2
445
vvh
vhh
(17)
555 ,hpss (18)
A la salida del difusor:
2
2
556
vhh (19)
56
56
hh
hh sd
(20)
566 , shpp s (21)
La condición para que el sistema de ecuaciones tenga una
solución es que la ecuación (22) debe ser satisfecha.
ISSN 2448-5551 TF 31 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
(22)
Adicionalmente al procedimiento para la simulación del
eyector, una ecuación que denota la eficiencia isentrópica
del eyector de manera global es, de acuerdo a [24]:
tde (23)
La ecuación (23) es a menudo utilizada para determinar
la influencia del eyector sobre diversos parámetros en el
ciclo de refrigeración.
3. Resultados
La evaluación del ciclo con las propiedades descritas en la
Tabla 2, entrega los resultados que se mencionan en las
Figuras 2-8.
En la Figura 2 se muestra el comportamiento de la caída
de presión que cada refrigerante experimenta a la salida de
la segunda tobera. De acuerdo a los resultados obtenidos en
[25,26], existe una presión óptima en el eyector para
cualquier condición de operación del mismo, lo anterior
puede verse en la Figura 2, donde efectivamente se muestra
dicha presión óptima. Además, si se toma como base el
R134a, se observa como el R152a, R600a y R1234ze
alcanzan un COP por encima del reportado por el
refrigerante base, incrementando un 1.7%, 1.1% y 0.1%
respectivamente, mientras que, tanto el R290 como el
R1234yf están un 1.1% y 2.7% por debajo del COP del
refrigerante base.
Figura 2. Caída de presión óptima del sistema de eyecto-
compresión
En la Figura 3 se presenta una comparación entre los
ciclos básico y con eyector para visualizar el valor máximo
del COP para cada ciclo. Lo anterior considerando el COP
óptimo obtenido a partir de la Figura 2 para cada refrigerante
en el ciclo con eyector. En base a esta Figura, la inclusión
del eyector, promueve un incremento en el COP del ciclo
para todas las opciones de sustitución al R134a.
Además, puede observarse en la Figura 3, que el
refrigerante que resulta más beneficiado con la inclusión del
eyector es el R1234yf ya que alcanza un incremento del
COP de hasta el 13.5% en comparación con el ciclo básico
sin eyector, seguido del R290, R1234ze, R134a, R600a y
R152a con incrementos de 11.8%, 11.4%, 11%, 10.2% y
8.8% respectivamente. En el trabajo experimental reportado
por [27] se presenta un incremento del COP de 6% para el
R1234yf y del 5% para R134a, para condiciones similares
de operación, por lo que el trabajo teórico mostrado aquí
muestra una tendencia parecida. Por otro lado, en otro
estudio experimental realizado por [28] se obtiene un
incremento en el COP del 11% para un sistema con eyector
que utiliza R134a, lo cual está muy acorde con los resultados
de la Figura 3.
Figura 3. Comparación entre el COP del ciclo básico y ciclo con
eyector para cada refrigerante.
En la Figura 4 se presenta la evolución del desempeño
energético respecto a la temperatura de condensación para
cada refrigerante considerando que la temperatura de
evaporación permanece constante. A medida que la
temperatura de condensación se incrementa, la capacidad de
refrigeración se reduce debido a que ésta última está ligada
directamente con el salto entálpico a la salida del
condensador, de manera que, lo más deseable es que la
temperatura a la salida del condensador se reduzca lo mayor
posible en relación a la temperatura de entrada.
En esta Figura, se puede observar que, el refrigerante que
mayor COP reporta es el R152a siendo el R1234yf el que
menor COP alcanza. Además, tanto el R1234ze como el
R134a presentan valores de COP muy similares. Los
hidrocarburos R600a y R290 están, respectivamente por
arriba y por debajo de la curva de desempeño energético del
R134a, teniendo un incremento de 0.88% para el R600a y
1
16x
0 15 30 45 60 75
4.00
4.25
4.50
4.75
CO
P
P (kPa)
R134a
R152a
R290
R600a
R1234yf
R1234ze(E)
Básico
Eyector
0 1 2 3 4 5
COP
Cic
lo
R1234ze
R1234yf
R600a
R290
R152a
R134a
ISSN 2448-5551 TF 32 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
una reducción de 0.9% para el R290.
Figura 4. Evolución del COP vs temperatura de condensación
La Figura 5, por su parte, muestra cómo se comporta el
desempeño energético cuando se mantiene constante la
temperatura de condensación y se hace variar la temperatura
de evaporación. Es importante remarcar que, la capacidad de
refrigeración depende directamente de la entalpía a la salida
del evaporador, por lo que, debido a que la presión se
considera constante en el evaporador, si la temperatura a la
salida del evaporador se incrementa, lo hace la entalpía a la
salida del evaporador y, por consiguiente, la capacidad de
refrigeración incrementa. De la ecuación (2), el incremento
en el COP es evidente que sucederá.
De la Figura 5, el refrigerante que mayor COP alcanza
cuando se varía la temperatura a la salida del evaporador, es
el R600a superando el COP del R134a en un 1% siendo el
R1234ze el otro refrigerante que alcanza un COP superior al
reportado por el R134a con un 0.2% de incremento. Los
refrigerantes R152a y R1234yf son los que tienen una
reducción en el COP de hasta 2.4% y el R290 una reducción
del 1% en comparación con el COP del refrigerante base.
Figura 5. Evolución del COP vs temperatura de evaporación
En la Figura 6 se aprecia la influencia de la eficiencia
isentrópica considerada en el eyector de acuerdo a la
ecuación (7) para cada refrigerante. Debido a que este
parámetro es función tanto de la eficiencia isentrópica de la
tobera como del difusor, se considera importante en el
desarrollo de este trabajo. Se observa que el COP para el
R152a queda por debajo del obtenido para el R600a a partir
de un valor de eficiencia isentrópica arriba del 80%.
Nuevamente el R1234yf es el que menor beneficio adquiere
cuando el parámetro en cuestión es operado en todo el rango
de 0 a 100%, quedando por debajo del R134a hasta en un
1.5%, mientras que, tanto el R152a como el R290, alcanzan
un incremento en el COP de hasta 0.6% en relación al
obtenido para el R134a, lo anterior para una eficiencia
isentrópica del 100% en el eyector.
Figura 6. Comportamiento del COP en función de la eficiencia
isentrópica en el eyector para cada refrigerante.
La Figura 7 presenta la influencia de la eficiencia
isentrópica del eyector en el trabajo por unidad de masa que
se desarrolla en el compresor tomando en cuenta cada uno
de los refrigerantes considerados como sustitutos al R134a.
El peso molecular (PM) en conjunto con el punto normal de
ebullición (PNE), juegan un papel muy importante en
relación con el trabajo de compresión; de esta manera,
mientras mayor sea el peso molecular de una sustancia,
menor presión es requerida para comprimir el refrigerante,
sin embargo, se debe tener en cuenta que el PNE de igual
manera debe ser bajo, con lo cual se garantiza que las
presiones sean bajas. De igual manera, el hecho de que el
eyector tenga una eficiencia elevada, el trabajo requerido en
el compresor cada vez será menor, por lo cual, lo más
deseable siempre será un eyector con una eficiencia cercana
o igual al 100%.
Por lo anterior, es sencillo inferir que el R1234yf es el
refrigerante que menor desarrollo de trabajo requiere en el
compresor, debido a que, de acuerdo a la Tabla 1, es el que
menor PNE tiene y el que mayor PM presenta, seguido del
R1234ze, cuya diferencia está precisamente en el PNE que
35.0 37.5 40.0 42.5 45.0
3.5
4.2
4.9
5.6
CO
P
Tcon
(°C)
R134a
R152a
R290
R600a
R1234yf
R1234ze
Tev
=0°C
-5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0
4.2
4.9
5.6
CO
P
Tev
(°C)
R134a
R152a
R290
R600a
R1234yf
R1234ze
Tcon
=40°C
0 20 40 60 80 100
3.5
4.0
4.5
5.0
CO
P
e (%)
R134a
R152a
R290
R600a
R1234yf
R1234ze
ISSN 2448-5551 TF 33 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
es 34% mayor que el del R1234yf. Es así que, el
comportamiento presentado en la Figura 7 se justifica de
acuerdo a las propiedades de cada refrigerante, siendo el
R290 el que mayor trabajo de compresión requiere por las
razones antes mencionadas.
En comparación con el R134a, tanto el R1234yf como el
R1234ze, al tener el PM superior al R134a presentan una
reducción en el trabajo a desarrollar en el compresor de
27.5% y 9.5%, respectivamente. Mientras que los
hidrocarburos R290 y R600a requieren un incremento en el
trabajo a desarrollar de 47% y 44.8%, respectivamente en
relación al R134a. Finalmente, el R152 cuyo peso molecular
es aproximadamente 35% inferior al R134a, requiere un
incremento de trabajo del 39% en comparación con el
refrigerante base. Los anteriores valores son considerados
tomando en cuenta una eficiencia del 100% en el eyector.
Figura 7. Consumo de trabajo por unidad de masa en función de
la eficiencia isentrópica del eyector para cada refrigerante.
Por otro lado, la Figura 8 muestra la variación de la razón
de arrastre respecto a la eficiencia isentrópica en el eyector.
De acuerdo a [29], es deseable que, tanto la razón de
elevación de presión, como la razón de arrastre tengan un
valor elevado, ya que esto garantizará que el sistema de
eyección será más eficiente y, por tanto, el COP
incrementará.
Es así que, en esta Figura, se puede observar cómo a
medida que la eficiencia en el eyector se incrementa,
también lo hace la razón de arrastre, siendo el R152a el que
mayor valor de razón de arrastre presenta cuando la
eficiencia isentrópica en el eyector es del 100%. Los
refrigerantes HFOs, reportan los valores menores para la
razón de arrastre estando el R1234yf un 4.9% y el R1234ze
un 1.8% por debajo del valor para el R134a, mientras que
los HCs son los que muestran un valor más cercano al
refrigerante base, siendo el R600a el que lo iguala para la
máxima eficiencia del eyector. Por último, se encuentra el
R152a cuyo valor de razón de arrastre está 4.5% por encima
del que alcanza el R134a.
Figura 8. Comportamiento de la razón de arrastre en el eyector
respecto a la eficiencia isentrópica del eyector para cada refrigerante.
A partir de los resultados obtenidos en este trabajo, es
posible plantear algunas conclusiones, cuyo fundamento
parte tanto del conocimiento de las propiedades termofísicas
de los refrigerantes, como del modelado del ciclo de eyecto-
compresión.
4. Conclusiones
Los refrigerantes propuestos en este trabajo, así como el
tipo de sistema analizado, presentan una opción para ayudar
en la selección del refrigerante con mayor desempeño
energético.
A partir del análisis realizado en este trabajo se deducen
las siguientes conclusiones:
1. El refrigerante que presenta un mayor desempeño
energético es el R152, en comparación con los demás
refrigerantes para una eficiencia en el eyector de
hasta el 80%.
2. El refrigerante que menor trabajo en el compresor
requiere es el R1234yf, reduciendo el valor que
requiere el R134a en un 27.5% para una eficiencia
del 100% en el eyector.
3. A partir de una eficiencia en el eyector superior al
80%, el R600a resulta ser el que mayor COP
superando a los demás refrigerantes.
4. El R290 es el refrigerante que mayor trabajo en el
compresor requiere cuando se implementa el ciclo de
eyecto-compresión requiriendo un 47% más de
trabajo en relación al que necesita el R134a.
0 20 40 60 80 100
20
40
60
80
Wco
mp (
kJ/
kg)
e (%)
R134a
R152a
R290
R600a
R1234yf
R1234ze
0 20 40 60 80 100
0.66
0.72
0.78
e (%)
R134a
R152a
R290
R600a
R1234yf
R1234ze
ISSN 2448-5551 TF 34 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
5. El COP del R1234ze es ligeramente mayor al del
R134a para el rango de eficiencia isentrópica de 0 a
65%.
REFERENCIAS
[1] Programa de las Naciones Unidas Para el Medio Ambiente, Protocolo de Montreal relativo a sustancias que agotan la capa de ozono, Nairobi (2000). Disponible en: http://www.mh.gob.sv/portal/page/portal/PCC/SO_Administracion_Aduanera/Tratados/20_Protocolo_de_Montreal_relativo_a_las_sustancias_que_agotan_la_capa_de_ozono.pdf
[2] Diario Oficial de la Federación Europea, Reglamento UE 517/2014 del Parlamento Europeo y del Consejo del 16 de abril de 2014 sobre los gases fluorados de efecto invernadero, (2014), disponible en: https://www.boe.es/doue/2014/150/L00195-00230.pdf
[3] Global Automakers moving to HFO1234yf, Update on the HFC phase-down in mobile air conditioning, India (2014), disponible en: http://www.igsd.org/documents/India_MAC_Draft_Final11MarchCEEWIGSDNRDClogos_002.pdf
[4] Brown S.T., Yanna-Motta S.F., Domanski P.A., Comparative analysis of an automotive air conditioning systems operatin with CO2 and R134a, Int., J. of Refrigeration, 25 (2002), 19-32.
[5] Molina, M.J., Rowland, F.S., Nature, 249 (1974), 810-814.
[6] D. Hoffmann, El protocolo de Montreal y el calentamiento global, (2016), disponible en: http://cambioclimatico-bolivia.org/pdf/cc-20160725-El_Protoco___.pdf
[7] Sioson, D., Contaminantes climáticos de corta vida, Paris (2015), disponible en: http://newsroom.unfccc.int/lpaa-es/contaminantes-climaticos-de-corta-vida/iniciativa-hfc-coalicion-para-reducir-contaminantes-climaticos-de-corta-vida/
[8] Moniz, E., McCarthy Gina, A Cool way to combat climate change under the Montreal Protocol, (2016), disponible en: https://www.energy.gov/articles/cool-way-combat-climate-change-under-montreal-protocol
[9] Bolaji, B.O., Akintunde, M.A., Falade, T.O., Comparative analysis of performance the three ozone-friends HFC refrigerants in vapour compression refrigerator, J. of Sustainable Energy & Environment, 2 (2011), 61-64.
[10] Zhaofeng, M., Zhang, H., Qiu, Y., Mingjing, L., Theoretical analysis of R1234ze(E), R152a, and R1234ze(E)/R152a mixtures as replacements of R134a in vapor compression system, Advances in Mechanical Engineering, 8 (2016), 1-10.
[11] Gomaa, A., Performance characteristics of automotive air conditioning system with refrigerant R134a and its alternatives, Int. J. of energy and power engineering, 4 (2015), 168-177.
[12] Bilen K., Kalkisim A.T., Solmus I., The performance of alternative refrigerant gas R152a as mobile air conditioning refrigerant,Chemical Engineering Transactions, 39 (2014), 1801-1806.
[13] Chavhan S. P., Mahajan S.D., Experimental performance evaluation of R152a to replace R134a in vapour compression refrigeration system, J. of Modern Engineering Research, 5 (2), 2015, 37-47.
[14] Danfoss, Aplicaciones prácticas del refrigerante R290 propano en sistemas herméticos pequeños, CN.60.F1.05, (2001), 1-12, disponible en: https://salvadorcobo.files.wordpress.com/2011/07/apicaciones202020propano202020r-2902020danfooss.pdf
[15] Lee, M.Y., Lee D.Y., Kim Y., Performance characteristics of a small-capacity directly cooled refrigerator using R290/600ª (55/45), Int. J. of Refrigeration, 31 (2008), 734-741.
[16] Danfoss, Aplicación práctica del refrigerante R600a isobutano en sistemas refrigerados domésticos, CN.60.E2.05, (2001), 1-12, disponible en: http://www.construmatica.com/archivos/27579/4_catalogo_compresores_danfoss/informacion_tecnica.pdf [17] Bryson M., Dixon C., St. Hill BEng S., Testing of HFO-
1234yf and R152a as mobile air conditioning refrigerant replacements, ECOLIBRIUM, (2011), 30-38.
[18] Qi Z., Performance improvement potentials of R1234yf mobile air conditioning system, Int. J. of Refrigeration, 58 (2015), 35-40.
[19] Gaurav and Kumar R., Sustainability of Automobile air conditioning system using refrigerant R1234yf instead of R134a, Int. J. of Automovie Engineering, 5 (2015), 2000-2005.
[20] Mota-Babiloni A., Navarro-Esbrí J., Molés F., Barragán Cervera B., Verdú G., A review of refrigerant R1234ze(E) recent investigations, Applied Thermal Engineering, 95 (2016), 211-222.
[21] Jankovic Z., Sieres Atienza J., Martínez Suárez J.A., Thermodynamic and head transfer analyses of R1234yf and R1234ze(E) as drop-in replacements for R134a in a small power refrigerating system, Applied Thermal Engineering, 80 (2015), 42-52.
[22] Gullo P., Cortella G., Theoretical evaluation of supermarket refrigeration systems using R1234ze(E) as an alternative to high-global warmig potential refrigerants, Science and Technology for the Built Environment, 22 (2016), 1145-1155.
[23] Li H., Cao F., Bu X., Wang L., Wang X., Performance characteristics of R1234yf ejector-expansion refrigeration cycle, Applied Energy, 121 (2014), 96-103.
[24] Zhang Z., Ma Y., Wang H., Li M., Theoretical evaluation on effect of internal heat exchanger in ejector expansion transcritical CO2 refrigeration cycle, Applied Thermal Engineering, 50 (2013), pp. 932-938.
[25] Nehdi E., Kairouani L., Bouzaina M., Performance analysis of the vapour compression cycle using ejector as an expander, Int. J. Energy Research, 31 (2007), 364-375.
[26] Sarkar J, Performance characteristics of natural refrigerants-based ejector expansion refrigeration cycles, Proc. IMechE Part A: J. Power Energy, 223 (2009), 543-550.
[27] REDDICK Christopher, MERCADIER Yves, OUZANNE Mohamed, Experimental Study of an ejector refrigeration system, International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Purdue University, 2136 (2012), 1-10.
[28] Neal Lawrence, Stefan Elber, Experimental Investigation of a two-phase ejector cycle suitable for use with low pressure refrigerants R134a and R1234yf, Int. J. Refrigeration, 38, (2014), 310-332.
[29] Chunnanod K., Aphornratana S., Ejectors: applications in refrigeration technology, Renewable Sustainable Energy Reviews, 8 (2004), 129-15.
ISSN 2448-5551 TF 35 Derechos Reservados © 2017, SOMIM