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PRESENTAMC. RAÚL ROMÁN AGUILAR

REFRIGERACIÓN POR EYECTO-COMPRESIÓN

Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos

SIMA 2009

[email protected]@cie.unam.mx

CONTENIDO

1. Problemática de la industria frigorífica

2. Funcionamiento y variantes de los sistemas de eyecto-compresión

3. Antecedentes de los sistemas de eyecto-compresión

4. Metodología

5. Validación del modelo matemático

6. Resultados

7. Conclusiones

Refrigeración y Bombas de CalorDepartamento de Sistemas Energéticos

SIMA 2009

INTRODUCCIONProblemas de la industria frigorífica

1. Consumo de energía

29-40 % de energía eléctrica consumida en el hogar (FIDE-CONAE 2008)

15 % de electricidad consumida a nivel mundial (PNUMA 2008)

Consumo de recursos naturales

2. Elevada contaminación de los fluidos de trabajo

Destrucción de la capa de ozono Aumento del efecto invernadero directo

Aumento del efecto invernadero indirecto


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REFRIGERANTE FECHA LIMITE

2005 2030 No Definida

R11 CFC

R12 CFC (1, 8500)

R13 CFC

R500 CFC

R502 CFC

R401A HCFC

R409A HCFC

R402A HCFC

R123 HCFC

R22 HCFC (0.05, 1700)

R134a HFC

R404A (R32, R125, R134a) HFC (0, 1700)

R507 (125,134a) HFC

Nombre Designación Formula Peso mol Tcrítica / ºC ODP GWP

tetrafluoroetano R134a CH2FCF3 102.03 101.15 0 1300

diclorotrifluoroetano R123 CHCL2CF3 152.93 183.68 0.02 93

difluoroetano R152a CH3CHF2 67 113.4 0 140

Etano R170 C2H6 30.07 32.3 0 3

Butano R600 C4H10 58.12 152 0 3

Isobutano R600a C4H10 58.12 134.7 0 3

Propano R290 C3H8 44.1 96.7 0 3

Circuito de potencia Circuito de enfriamiento

Generador

Condensador

Evaporador

BombaVálvula de expansión

QGE QCO QEV

Eyector

FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE EYECTO-COMPRESIÓN

Solar

Industria

VARIANTES DE LOS SISTEMA EYECTO-COMPRESIÓN

CON COMPRESOR AUXILIAR (SIRECA)

HIBRIDO CON COMPRESOR AUXILIAR (SIRHEC)

SOLAR Y CON COMPRESOR AUXILIAR (SIRSEC)

SOLAR HIBRIDO CON COMPRESOR AUXILIAR (SIRSHECA)

ANTECEDENTES

Primeros artículos que describen la composición básica del sistema de eyecto-compresión: Caldwell (1932), Jackson (1936) y Stivens (1940).

1939 Flugel – realiza el primer análisis formal de un eyector.

1942 Keenan y Neumann- desarrollan un modelo matemático del mezclado en un eyector.

1945 Elrod - desarrolla un método simplificado para diseñar del eyector.

1950 Keenan, Neumann y Lustwerk – primer análisis teórico y experimental comprensivo del eyector.

1954 Martynowsky - primera investigación sobre refrigeración mediante eyecto-compresión, propone como fluidos de trabajo al R11 y R12.

1986 Lu - desarrolla un modelo unidimensional considerando 3 regimenes de flujo dentro del eyector mixto, de transición y supersónico.


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EN EL CIE-UNAM

1992 I. Pilatowsky y M. Sokolov desarrollan los primeros estudios sobre el SIRE con R114.

1993 C. Estrada, I. Pilatowsky, R. Dorantes y R. Best, simulación de pequeños sistemas solares de eyecto-compresión y utilizando el R142b.

1995 J. Hernández inicia el diseño, simulación y evaluación de sistemas solares de refrigeración por eyecto-compresión para la producción de hielo. Utilizando R142b y R134a.

Desde 1996 se ha venido trabajando en la simulación de diversos sistemas de refrigeración solar por eyecto-compresión.

En 2006 inicia la construcción del banco de pruebas.

2007 R. Roman inicia simulación de estos sistemas con hidrocarburos.

En 2008 H. González diseño y evaluación termodinámica del enfriador intermedio de un sistema híbrido por eyecto-compresión (SIRHEC).

A finales de 2009 se tendrán resultados experimentales.


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METODOLOGÍA

Revisión Revisión bibliográficabibliográfica

Infraestructura Infraestructura ComputacionalComputacionalRefrigerantesRefrigerantes

Simulación del Simulación del sistema de eyecto-sistema de eyecto-

compresióncompresión

* Condiciones * Condiciones de diseñode diseño* Dimensionamiento * Dimensionamiento del eyectordel eyector* Refrigerante * Refrigerante adecuadoadecuado* Mayor rendimiento * Mayor rendimiento (COP)(COP)

ExperimentaciónExperimentación


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Revisión bibliográficaRevisión bibliográfica

Propiedades termodinámicas Propiedades termodinámicas Refrigerantes orgánicosRefrigerantes orgánicos

(R600a,R600,R290,R170)(R600a,R600,R290,R170)

Ecuaciones de estadoEcuaciones de estado

EOS modificada deEOS modificada deBenedict Webb RubinBenedict Webb Rubin

Diversos refrigerantesDiversos refrigerantesTodas las zonasTodas las zonas

Refrigerantes sistema Refrigerantes sistema de eyecto-compresiónde eyecto-compresión

CFC, HCFC, HFCCFC, HCFC, HFCR134a, R141b R134a, R141b

OrgánicosOrgánicosHaidar-7-R600aLallemand-R600a Lallemand-R600a COPCOP=0.07=0.07 Salvaraju-R290 COP=0.36 R600a COP= 0.34Nehdi- R600 Nehdi- R600 COPCOP=0.3=0.3 R290 R290 COPCOP=0.38=0.38Pridasawas- R600, R290 yPridasawas- R600, R290 y R600a R600a COPCOP=0.48=0.48


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15

10

17229

1

expn

nn

n

nn BBp

dT

PR

P

RTRdT

T

CTSTS

T

T oo

oPoo

o

2

1ln)(),(

T

T

OP

O

OO

O

dTCdTPTPRTP

THTH

22

)()(),(

S

T

o a

bcdef

VAPORLIQUIDO

REGIONBIFASICA

B

PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE REFRIGERANTES

Ecuación modificada de Benedict Webb Rubin

Trayectoria de integración para determinar S y H

Programa de propiedades

termodinámicas

SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE EYECTO-COMPRESION

Solución del sistema de ecuaciones del

eyector

Calcula propiedades faltantes de cada

estado

Resultados

Calcula propiedades de cada estado del sistema

Fin

Datos correspondientes a

cada estado del sistema

Inicio

Termino de calcular?

SI

NOPCO

PGE

1

h

PEV

P

2

43

5r

6

Criterios para el diseño y construcción del banco de pruebas

Pruebas experimentales controladas de los diferentes sistemas de refrigeración por eyecto-compresión : Sistema de enfriamiento por eyecto-compresión, SIRECA, SIRHEC, SIRSEC Y SIRSHECA.

Selección de cada componente (tubería, válvulas, accesorios, etc. )

Instrumentar adecuadamente el banco de pruebas.

Calibrar cada instrumento de medición.

Obtener datos de las principales variables P, T, flujo (frecuencias).

Pruebas controladas sobre el eyecto-compresor, para obtener y corroborar curvas de funcionamiento.


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Banco de Pruebas para sistemas de refrigeración por eyecto-compresión

Laboratorio de Refrigeración CIE-UNAM


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Carga de refrigerante Calentamiento del refrigerante


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Circuito de recirculación Bomba – Sensor de flujo


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Sensores Presión y Temperatura

Intercambiadores de calor

tipo placas


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Sistema de adquisición de datos

Apoyo por parte de Estudiantes

* Selección de equipo.

* Calibración de sensores de Temperatura.

* Calibración de sensores de Presión.

* Conexión de instrumentación

* Programación para adquisición de datos.

* Conexión de equipos auxiliares.

0

1)/2(k

1)/2(kM

)U(1

1)/2(k

1)/2(k)(M *

31/2

1kk

2*3

0)Q(M

1)/2(k

)(M1)/2(k1)/2(k

1M *3

1k1

D1k

1

2*c

*c

)Q(M

1U

*a

1/2

)z(MU1

2U)z(M

M

1x *

c1/2

1/2*a

*c

Sistema de ecuaciones del eyector Sistema de ecuaciones del eyector obtenidas obtenidas a partir del modelo de Lu. 1986.

Datos Datos Yapici et al. -2008-Yapici et al. -2008-

* Refrigerante R123 * Refrigerante R123 * Eficiencia difusor 0.9* Eficiencia difusor 0.9* Dimensiones de los eyectores * Dimensiones de los eyectores * Temperaturas de trabajo* Temperaturas de trabajo* Lm 5mm* Lm 5mm* COP * COP

Cv

Cpk

2

dt

D1

2

m

mU

1

2

T

T

2

1

p

p

2

D

DdcriticoMachM _*

VALIDACIÓN

Refrigeración y Bombas de Calor Departamento de Sistemas Energéticos

Algunos datos importantes

QGE, QCO, Wb, FF, e

RESULTADOS

Resultados SIRE funcionando con R123

(a) Este trabajo

(b) Yapici et al. (2008)

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Gráfica de Gráfica de contra contra TGETGE, , trabajando el sistema con 3 HC, trabajando el sistema con 3 HC,

2 HFC y 1 HCFC 2 HFC y 1 HCFC


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Gráfica de Gráfica de COPCOP contra contra TGETGE, , trabajando el sistema con 3 HC, trabajando el sistema con 3 HC,

2 HFC y 1 HCFC2 HFC y 1 HCFC


m

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Gráfica de Gráfica de COPCOP contra contra TCOTCO, , trabajando el sistema con 3 HC, trabajando el sistema con 3 HC,

2 HFC y 1 HCFC2 HFC y 1 HCFC


m

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Gráfica de Gráfica de COPCOP contra contra TEVTEV, , trabajando el sistema con 3 HC, trabajando el sistema con 3 HC,

2HFC y 1 HCFC2HFC y 1 HCFC


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→ Desarrollo de un programa de computo para obtener las propiedades termodinámicas de distintos refrigerantes con errores menores al 1%.

→ Implementación de un programa de computo en C que simula el sistema de enfriamiento por eyecto-compresión.

→ Validación del sistema con datos experimentales publicados, obteniendo errores menores al 6%

→ Simulación del sistema de enfriamiento variando paramétricamente las temperaturas TGE, TCO y TEV trabajando con Butano, Isobutano, Propano, R152a, R123 y R134a como refrigerantes, para obtener los datos de diseño del equipo y el refrigerante adecuado.

→ Del análisis de resultados se desprende que de los refrigerantes utilizados el R290 es el mejor para utilizarse en estos sistemas.

→ Esta por concluir el armado del banco de pruebas.

CONCLUSIONES


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GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Los conceptos y principios fundamentales de la ciencia son invenciones libres del espíritu humano (Albert Einstein)

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