INTRODUCCIÓN
Existe una tecnología con mucho potencial que aún no logra desarrollarse comercialmente y sigue despertando el interés de la comunidad científica internacional, debido a que es capaz de combinar las bondades que brinda un sistema convencional de calentamiento de agua con energía solar con una bomba de calor. Esta tecnología en desarrollo es conocida como bomba de calor de expansión directa con energía solar (BCAES-ED). La misma integra en una unidad el colector solar y el evaporador, un refrigerante como fluido de trabajo se expande en este panel evaporador/colector solar por donde pasa a una fase de transición de líquido a vapor debido a la ganancia de energía solar, unido a un compresor, condensador y una válvula de expansión completando lo que se conoce como un ciclo mecánico de compresión de vapor. Las perspectivas y actualidad de esta tecnología de calentamiento de agua han sido revisadas [1-3], con la finalidad de discernir su campo de aplicación en procesos agroindustriales de zonas rurales, pero aún no se logra conocer el comportamiento de la misma sobre todo en zonas que se caracterizan por tener altas temperaturas, humedad y radiación solar.
En los últimos años se ha incrementado el estudio de la BCAES-ED como tecnología de calentamiento de agua, varios estudios analíticos, numéricos y experimentales han sido desarrollados por investigadores con la finalidad de caracterizar el coeficiente de desempeño y la eficiencia exergética de una BCAES-ED buscando mejorar el rendimiento térmico. El coeficiente de operación del sistema (
El
Otro análisis de importancia para discernir la aplicación de esta tecnología es la eficiencia exergética, Li et al.[11] y Kara et al.[12], encuentran que la mayor pérdida de exergía ocurre en el compresor. Liu and Zhang [13], encuentran que la destrucción de exergía en el colector solar disminuye significativamente cuando se incrementa el número de colectores solares en paralelo debido a que la caída de presión a través del colector solar decrece significativamente. Mohanraj et al.[14], confirman con sus resultados que es aceptable utilizar redes neuronales artificiales para predecir la destrucción de la exergía y la eficiencia exergética de una BCAES-ED.
El panel evaporador/colector solar de dos fases, integrado a una BCAES-ED fue estudiado por Amin et al. [15], el cual se ve afectado significativamente por el flujo másico del refrigerante, la radiación solar, el área del colector, la temperatura ambiental y la humedad relativa. Los resultados muestran que este tipo de colector solar gana una cantidad significativa de energía debido a la baja temperatura de funcionamiento. Zhang et al. [16], demuestran que el
Con este panel evaporador-colector solar, el sistema puede ser operado incluso en ausencia de radiación solar en la noche y tiene grandes potencialidades para zonas tropicales.
Sun et al.[17], compararon el rendimiento térmico de un calentador de agua que utiliza una bomba de calor convencional de fuente de aire (ASHPWH) y una BCAES-ED, reportan que en condiciones de alta radiación solar y escasa nubosidad, el
El desempeño termodinámico de una BCAES-ED se puede determinar a partir de análisis energéticos y exergéticos, el presente artículo tiene como objetivo caracterizar termodinámicamente una BCAES-ED a partir de los datos experimentales de una instalación ubicada en Portoviejo, Ecuador. La influencia de parámetros de diseño y operación como el área del colector solar y la velocidad de rotación del compresor en el Coeficiente de desempeño (
MATERIALES Y MÉTODOS
La mayoría de las bombas de calor disponibles comercialmente operan en el ciclo mecánico de vapor-compresión que se muestra en la figura 1. El fluido de trabajo usualmente es R-134A, R-407C o R-410A, el cual es comprimido como vapor saturado en el estado 1 hasta la presión de condensación correspondiente, a través de un compresor rotatorio o centrífugo. Los procesos termodinámicos pueden ser observados en el diagrama T-S de 1a figura 2.
Tomando en cuenta que una pequeña cantidad de refrigerante líquido puede dañar las válvulas del compresor, se debe mantener un ligero grado de sobrecalentamiento a la salida del evaporador. El refrigerante como vapor sobrecalentado en el estado 2 es condensado mediante la circulación de agua fría o aire en el condensador; donde el calor latente y sensible de vaporización son liberados y transferidos al fluido o elemento refrigerante. Esta energía en el modo de calefacción se usa para mantener el reservorio a temperatura de la carga mientras el refrigerante sub-enfriado sale del condensador en el estado 3, donde pasa a un proceso de estrangulamiento a través de una válvula termostática de expansión la cual mantiene un sobrecalentamiento constante a la salida del evaporador, controlando el fluido del refrigerante a través del circuito.
El esquema de una BCAES-ED se muestra en la figura 3. Este sistema, además, trabaja en un ciclo mecánico de compresión de vapor ilustrado en la figura 1, y figura 2. Si tenemos en cuenta que este sistema emplea menos componentes, y el tipo de colector solar recomendado es el desnudo, tendremos una reducción en el costo de construcción de la instalación. Debido a la eliminación del circuito intermedio, también se mejora la eficiencia termodinámica del sistema. El desafío real está en mantener la diferencia de temperatura entre el colector y el medio ambiente en un rango de 0 a l0 grados °C, para condiciones ambientales que varían ampliamente.
Para el presente trabajo se utilizaron datos obtenidos de la estación experimental que se muestra en la figura 4, ubicada en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica de Manabí, en Portoviejo-Ecuador.
La instalación está conformada fundamentalmente por: un panel evaporador/ colector solar, un condensador tipo tanque, la unidad de compresión y la válvula de expansión. En el condensador tipo tanque se almacenan 250 litros de agua a una temperatura de 51 °C. Este tanque tiene en su parte interior una tubería de 9.52 mm de diámetro en forma de espiral donde se condensa el refrigerante obteniendo el efecto de calefacción deseado, está aislado térmicamente en su contorno con 50 mm de poliuretano expandido para evitar pérdidas por transferencia de calor.
El evaporador/colector solar es de tipo desnudo, construido con una lámina de cobre de 1mm de espesor en la cual está fijada, en la parte posterior la tubería de cobre de 9.52 mm, este conjunto se encuentra aislado con poliuretano en su parte inferior. La unidad de compresión está acoplada a un motor eléctrico de corriente alterna que tiene dos poleas de diferentes diámetros, las cuales sirven para aumentar o disminuir las revoluciones del motor. Por último una válvula de expansión de 1/2 tonelada de refrigeración. En la tabla 1, se resumen las principales características de cada uno de los componentes de la instalación experimental.
Componentes | Especificaciones |
---|---|
Colectores | Área. - Cada colector, 1.5 m2, total 3 m2. |
Plato absorbedor: Material cobre, espesor 1.0 mm. | |
Tratamiento de la superficie del plato: Pintura negro mate, absortividad 90% y emisividad 0.9 | |
Tuberías: material cobre, diámetro exterior 9.52 mm, diámetro interior 8 mm, espacio o distancia entre tubos de 100 mm. | |
Material de aislamiento: Poliuretano expandido, espesor 50 mm. | |
Inclinación del colector solar: 12° | |
Coeficiente de perdida de calor del Colector solar: 0,0259 kW/m2°K | |
Producto de la transmisividad por la absortividad: 0,81 | |
Factor de eficiencia del colector: 0,9 | |
Compresor | Diámetro del cilindro A.04762 m. |
Carrera 0.05397 m | |
Espacio muerto 3-ll x l0-3 m. | |
Número de cilindros: 2. | |
| |
| |
Condensador/tanque de agua | Capacidad 250 litros de agua. |
Material de aislamiento: Poliuretano expandido, espesor 50 mm |
DESEMPEÑO TERMODINAMICO DEL SISTEMA
Para caracterizar el desempeño térmico de una BCAES-ED se utilizan dos tipos de análisis, el análisis de energía, el cual evalúa el rendimiento térmico del sistema y el análisis basado en la exergía, el cual identifica él o los componentes del sistema que tienen un bajo desempeño lo que permite implementar mejoras en el mismo.
El rendimiento térmico de una bomba de calor es caracterizado por el coeficiente de desempeño
Donde
La potencia de compresión
Donde
La masa de refrigerante que circula por el compresor se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación (4):
Donde
Un modelo de evaporador/colector solar propuesto por Chaturvedi et al. [18], se utiliza para determinar la temperatura del colector
De la ecuación (5), se puede despejar para encontrar el valor de
Para realizar un análisis de exergía es necesario expresar en forma general la ecuación de balance de exergía
Donde
Para calcular la exergía del combustible de cada uno de los componentes (ks) de una BCAES-ED se utiliza la ecuación (8):
La eficiencia del sistema en general se calcula con la ecuación (9), que se muestra a continuación.
También se puede utilizar la ecuación (10), cuando se busca la eficiencia exergética en cada componente:
La destrucción de exergía en cada uno de los componentes puede ser calculado según Kara et al. [13], a partir de las siguientes expresiones resumidas en la tabla 2, que se presenta a continuación:
Componente |
|
Compresor |
|
Condensador |
|
VET |
|
Colector solar |
|
Para calcular la exergía utilizada
Donde
Para calcular la exergía colectada
Donde
Estado | Nombre del componente | Fluido | Área del colector = 3 m2 | Área del colector = 1,5 m2 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
T (°K) | P (kPa) |
|
|
T (°K) | P (kPa) |
|
|
|||
0 | Estado muerto | R-12 | 304,15 | 101,33 | - | - | 304,15 | 101,33 | - | - |
0´ | Estado muerto | Agua | 304,15 | 101,33 | - | - | 304,15 | 101,33 | - | - |
1 | Entrada al compresor | R-12 | 309,85 | 160 | 0,013 | 0,1019 | 285,35 | 184 | 0,0148 | 0,1665 |
2 | Salida del compresor/entrada al condensador | R-12 | 387,7 | 972 | 0,013 | 0,6475 | 366,9 | 1007 | 0,0148 | 0,7035 |
3 | Salida del condensador/ entrada a la VET | R-12 | 313,2 | 972 | 0,013 | 0,5000 | 315,8 | 1028 | 0,0148 | 0,5737 |
4 | Salida de la VET/entrada al colector solar. | R-12 | 279,1 | 376 | 0,013 | 0,4724 | 266,1 | 244 | 0,0148 | 0,4972 |
5 | Salida agua de circulación | Agua | 313 | 250 | 0,043 | 1,6360 | 313 | 250 | 0,043 | 1,6360 |
6 | Entrada agua de circulación | Agua | 303 | 250 | 0,043 | 1,6089 | 303 | 250 | 0,043 | 1,6089 |
Los refrigerantes R-12 y R-22 han sido ampliamente estudiados, pero debido a los efectos negativos que estos causan en la capa de ozono fue prohibido su uso en países en vías de desarrollo desde el año 2010 para el R-12 y 2040 para el R-22, por el acuerdo de Montreal. En la actualidad se hace urgente realizar nuevos experimentos con refrigerantes que reemplacen a los ya en desuso y el presente trabajo sirve como línea base para futuras comparaciones.
RESULTADOS Y (O) DISCUSION
En la figura 5, se muestra la variación del COP con respecto al tiempo en una BCAES-ED, evaluándose el comportamiento de la misma para dos velocidades de rotación del compresor, 400 y 600 rpm. La BCAES-ED utiliza un colector solar de 3 m2 y está ubicada en la ciudad de Portoviejo- Ecuador la cual se puede considerar una zona tropical, caracterizada por temperaturas ambientales promedios que oscilan entre 34,2 y 27,2 °C
Tomando en consideración las condiciones establecidas se puede observar que cuando se reduce la velocidad de rotación del compresor de 600 a 400 rpm, se incrementa el COP del sistema. Estos resultados concuerdan con los reportados por Kong et al.[4], quienes encuentran mejoras significativas en el rendimiento del sistema cuando se reduce la velocidad de rotación del compresor.
En la tabla 4, se muestran los resultados de la variación del COP en la a BCAES-ED objeto de estudio al variar el área del colector solar entre 1,5 y 3 m2 respectivamente y para una velocidad de rotación del compresor de 600 rpm.
Área del Colector: 3 m2 | Área del Colector: 1,5 m2 | |||
---|---|---|---|---|
HORA | COP | Eficiencia del Colector | COP | Eficiencia del Colector |
11:00:00 | 4,46 | 0,63 | 3,93 | 1,21 |
12:00:00 | 3,92 | 0,59 | 3,71 | 1,16 |
13:00:00 | 4,02 | 0,68 | 3,65 | 1,28 |
14:00:00 | 3,75 | 0,78 | 3,44 | 1,48 |
Respecto al COP del sistema el cambio en el área del evaporador/colector solar, para igual velocidad del compresor, no muestra una influencia significativa, obteniéndose valores similares entre 4.4 y 3,4. Vea la figura 6.
Molinaroli et al.[10], muestran como al incrementarse la temperatura ambiental o la radiación solar se incrementa el COPH del sistema, hasta que este alcanza una estabilidad en el mismo. Esto explica altos rendimientos de una BCAES-ED en climas tropicales y húmedos. Por su parte Zhang et al [16], reportan resultados similares cuando estudian el efecto que tiene el panel evaporador/colector solar sobre el COP del sistema.
En la tabla 5, se muestran los resultados del análisis exergético de la BCAES-ED estudiada, variando el área del panel evaporador/colector solar entre 3 m2y 1,5 m2. La eficiencia exergética del sistema en general mejora de un 63 a un 70% cuando se reduce el área del colector para las condiciones climatológicas de Portoviejo, Ecuador. Esto se debe a la reducción de la destrucción de la exergía en el colector solar lo que incrementa la eficiencia exergética del panel evaporador/colector solar. El componente que presenta mayor destrucción de exergía es el compresor, seguido del condensador y la válvula de expansión.
Área de Colector= 3m2 | Área de Colector= 1,5m2 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Componente |
|
|
|
|
|
|
|
|
Compresor | 0,99 | 0,55 | 0,44 | 0,55 | 1,11 | 0,54 | 0,57 | 0,49 |
Condensador | 0,65 | 0,50 | 0,12 | 0,77 | 0,70 | 0,57 | 0,10 | 0,82 |
Válvula de expansión Termostática VET | 0,50 | 0,47 | 0,03 | 0,94 | 0,57 | 0,50 | 0,08 | 0,87 |
Colector solar/evaporador | 0,53 | 0,16 | 0,37 | 0,30 | 0,27 | 0,25 | 0,01 | 0,96 |
Sistema en general | 2,67 | 1,68 | 0,96 | 0,63 | 2,65 | 1,86 | 0,76 | 0,70 |
Los resultados obtenidos en el presente análisis exergético para cada componente de la BCAES-ED concuerdan con los estudios exergéticos de Li et al.[11], Kara et al. [12] y Liu y Zhang [13], quienes reportan de estudios numéricos y experimentales que la mayor destrucción de exergía ocurre en el compresor.
Se obtuvo un valor de eficiencia exergética del 70% para la BCAES-ED estudiada operando en las condiciones climatológicas de Portoviejo-Ecuador, valor muy superior al 26% reportado por Mohanraj et al.[14], Liu y Zhang [13], y el 21% presentada por Li et al[11].
CONCLUSIONES
Del análisis energético y exergético realizado a la BCAES-ED objeto de estudio, se obtuvo que el Coeficiente de desempeño se encuentra en un rango entre 3,5 - 4,5 cuando opera para las condiciones climatológicas de Portoviejo- Ecuador, es decir condiciones de clima cálido y húmedo. La mayor destrucción de exergía ocurre en el compresor coincidiendo con algunas investigaciones realizadas por otros autores. Al reducir el área del colector de 3m2 a 1,5 m2 manteniendo la misma velocidad del compresor (600 rpm) se reduce del 37 a 1% la exergía destruida en el panel evaporador/colector solar incrementándose la eficiencia exergética del sistema de un 63 a 70%, con una reducción del COPH del sistema en un 9%.
El presente estudio demuestra la viabilidad técnica de utilizar una BCAES-ED en países con un clima tropical y húmedo, siempre y cuando la temperatura ambiental sea elevada y se encuentre en un rango entre 25-35 °C como ocurre en Portoviejo- Ecuador.