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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
Refrigeración y Bombas de CalorDepartamento de Sistemas Energéticos
SIMA 2009
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
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2
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OO
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dTCdTPTPRTP
THTH
22
)()(),(
S
T
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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
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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
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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
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m
SIMA 2009
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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