Proyecto Fin de Carrera Realizado por: Gonzalo García-Palacios Galán Dirigido por: Amancio Moreno Rodríguez 1. Introducción Actualmente Gran variedad (splits, enfriadoras, conductos, absorción, etc.) Bomba de calor para superficies grandes (no doméstico). Necesario modificaciones Sistemas de caudal de refrigerante variable (CVRV, CRV, VRF, VRV, etc.) Control - Caudal másico (VEE). - Caudal volumétrico (inverter-rpm). - Subenfriamiento ↑Longitud tuberías. - Central + distribuido independiente. - Recuperación calor. - Nº uds ext/nº int ↓↓↓. - Etc. 2. Descripción General y Tipos de Sistemas CRV. Tipos de CRVs (según funcionamiento): - Sólo frío - Bomba de calor - Recuperador de calor No confundir con multi-split Tipos de CRVs (según distribución del refrigerante): - 2 tubos L y G (aspiración- refrigeración; descarga-calefacción). - 3 tubos L, G a ↓P (aspiración) y G a ↑P,T (descarga). Ventiladores Otros: Deshidratadores, sensores, actuadores, separador aceite, válvulas, placas control, etc. Intercambiador Circuito subenfriamiento y válvulas Placa electrónica Compresor inverter Acumulador Compresor velocidad fija Intercambiadores para subenfriamiento en la caja recuperadora. Válvulas de control (C) Válvula bypass de líquido. Evita condensación en el colector de la caja recuperadora. (D) Válvula de balance. Control de P entre líneas de alta y baja durante la inversión de ciclo. (A) Solenoides de paso. Conmutación refrigeración/calefacción. (B) VEE (subenfriamiento). Expande una fracción ↓ del colector de línea de líquido subenfría el que se dirige al evaporador. 3. Funcionamiento y Control Funcionamiento de un CRV con recuperador de calor a 2 tubos Demanda mayoritaria de frío 09/02/2011 Funcionamiento de un CRV con recuperador de calor a 2 tubos Recuperación total (demanda refrigeración = demanda calefacción) 09/02/2011 Funcionamiento de un CRV con recuperador de calor a 3 tubos Refrigeración>Calefacción Refrigeración=Calefacción 09/02/2011 Esquema del sistema a 3 tubos funcionando en modo mixto con 2 unidades en calefacción y una en refrigeración Resumen: -Ud. Int. en refrigeración recibe L a ↑P de la caja recuperadora y devuelve G a ↓P. -Ud. Int. en calefacción recibe G a ↑T,P procedente de la caja recuperadora, y devuelve líquido a ↑P. Carga del sistema = f(uds. en funcionamiento, ma, %HR, capacidad, Taspiración) a) Control del compresor (refrigeración) demanda) uds. interiores Paspiración) Modificación condiciones diseño. Electrónica rpm compresor Vrefrigerante necesario (Pevap y Pcond en rango de diseño Tevap / absorbe carga de refrigeración y sus fluctuaciones). b) Control recalentamiento (frío) VEE ud int. Capacidad ud. interior. Control compresor sistema completo = f(Σuds. Int.) c) Condensación y subenfriamiento (calefacción) Sensor Pdescarga capacidad compresor / T sea la apropiada. Si subenfriamiento ↑↑ Qdemanda > Qcaudal de refrigerante VEE abre paso (información del sensor de Pdescarga ud. Ext. y del termistor del tubo de líquido de la ud. Int. que gobierna). Globalmente… Aumento demanda ΔP(alta-baja) disminuye rpm compresor aumenta (electrónica) Disminuye demanda Dificultades condensación (Vrefrig↑↑↑ Vs Tint) VEE uds. Int.(en este caso condensadores) cierran. Palta aumenta rpm compresor disminuye (electrónica). d) Factores de corrección de la capacidad: Correcciones por pérdidas de carga (L, Δaltura), desescarche, etc. f) VEE -Tipo solenoide + μP (tren de pulsos). - Tipo motor eléctrico paso a paso + engranajes+espiga. Frío recalentamiento. Calor subenfriamiento Subenfriamiento ≈5 ºC. 09/02/2011 4. Consumo energía. Factores -Componentes del sistema. - Diseño del sistema general y control. - Sistemas reversibles: Bomba de calor. - Mantenimiento y gestión. - Diseño del edificio y ventilación. Ver texto del proyecto 5. Relación entre Potencia Frigorífica, Longitud de Tuberías y Subenfriamiento Subenfriamiento = grados que se baja la Trefrigerante (líquido) al extraerle calor sensible partiendo de líquido saturado. A la salida del condensador y en las cajas recuperadoras (Líquido antes de L↑). -Evita evaporación antes de VEE de uds. destino. - La VE debe recibir sólo líquido para funcionar. - Al ser líquido, con el mismo caudal se puede transportar más energía y con menos pérdida de carga que en estado gaseoso (o mezcla). ≈40ºC ≈10ºC Algunos sistemas producen y almacenan hielo (noche) para subenfriar de día. Hipótesis: - ΔPintercambiadores = 0. - Rendimiento intercambiador subenfriamiento ≠0 (T1> T4). - Expansiones a h cte. - h4 ≈ hsalida circuito subenfr ≈ hsalida evap. (diferencias de P y T en 4 despreciables). Ecuaciones: Q e m e ·( h 4 h 5 ) mT=me+ms Qs ms ·( h4 h3 ) Qs mT ·( h1 h2 ) Del balance de energía en el subenfriador h2=h3=h5 Operando… K ·h1 h4 Qe mT K 1 h1 mT K 1h1 K ·h1 h4 mT (h4 h1 ) K 1 Nota: K es la relación entre el gasto total y el sangrado. Hipótesis: - ΔPintercambiadores = 0. - Rendimiento intercambiador subenfriamiento ≠0 (T1> T4). - Expansiones a h cte. - h4 ≈ h3 (diferencias de P y T despreciables). Ecuaciones: Q e m e ·( h 3 h 2 ) mT=me+ms Qs ms ·( h3 h1 ) Qs me ·( h1 h2 ) Del balance de energía en el subenfriador Operando… m s Qe (mT ms ) h3 h1 h3 h1 mT ms Qe mT h3 h1 Ecuaciones: h3 s h3 ; h2 s h2 ss h2 Qe me ·( h3 s h2 ss ) mT=me+ms Qs ms ·( h3 h2 s ) Q s m T ·( h1 h 2 ) Del balance de energía en el subenfriador Operando… Qe mT ·( h3 h1 ) Resultados anteriores (teóricos): Qevaporador ≠ f(subenfriamiento) Para obtener valores de rendimientos reales en relación al funcionamiento de cada uno de estos sistemas, podría recurrirse a simulaciones o medidas empíricas. Relación Subenfriamiento-Longitud Tuberías Pérdida de carga por fricción, restricciones en L-Ø y ascenso de altura. Refrigerante pierde energía Disminuye P (ebullición) 1 Presión Líquido Saturado [mbar] Temperatura Líquido Saturado [oC] 7950 (Yo) 0 (Xo) 9274 5 10756 10 12408 15 14241 20 16269 (Y1) 25 (X1) 18502 30 20954 35 23636 40 26563 45 29745 (Y2) 50 (X2) R410A L V2 2 P f d 2g L: longitud. d: diámetro. V: velocidad promedio del refrigerante. G: gravedad. f: fricción. P(T) Po (T - T0 )(T - T1 ) (T - T0 )(T - T2 ) (T - T1 )(T - T2 ) + P2 + P1 (T1 - T0 )(T1 - T2 ) (T2 - T0 )(T2 - T1 ) (T0 - T1 )(T0 - T2 ) Con 1 y 2, hasta saturación de líquido se obtiene: ΔLtubería≈ f(ΔTsubenfriamiento) para L horizontal sin elemtos. causantes de ΔP y R410A. L K 6,36 ( T - 25)( T - 50) - 26,03 ( T)( T - 50) + 23,8 ( T)( T - 25) Para TЄ[0,50] ºC y con K d 19,62 f V 2 6. Ejemplo diseño Resumen resultados: - Mejor aprovechamiento energético (sin considerar Ltub) diseño hotel=1sistema (flexibilidad asignación uds.) - Coste 1sistema < sistema por plantas. - Diseño por plantas + sobredimensionado efecto +o- en COP = f(caso) PEID+PEII = 343035 kg equiv. de CO2. (12 h/d, 260 d/año, 1 año) R410A no destruye el ozono. Vida≈ 32 años.. (Más info en texto proyecto) 09/02/2011 7. Simulaciones Utilidad: - Estimación de cargas y consumos instantáneos y por zonas. - Comparar alternativas. - Analizar el efecto del control del sistema (≈Δ 60% consumo anual). - Estudiar la relación carga interna-ocupación-uso aparatos. Ej. Simulación: evolución de la carga térmica/m2 en 2 zonas. Ej: Horas-Carga ↑tiempo a <100% CRV. CRV podría ahorrar: ≈12% Vs enfriadora. ≈22% Vs conductos. 8. Conclusiones - Sistema ideal = f(caso) - Rendimiento a cargas parciales ↓ (excepto en CRV). - Diseño para situaciones extremas sobredimensionamiento %W<100%. - Máx. COP (CRV) ≈ [45%<carga< 70%]. - En general, COP(todo agua) > COP (CRV) si carga>90%. CRV de 10 CV. Funcionamiento anual según ASHRAE. 09/02/2011 Resultados=f(Mantenimiento, forma de uso, etc.) Estimación difícil. Generalmente, el control distribuido mejor que central. Text y Ltub. Muy influyentes en el COP. Si >20.000 m2 Sistema de agua. Solución: División en varios CRVs independientes. Si Text ↓ ↓ Caldera gas (generalmente) Ej. COP100% = 2,4 y L=150m COP ≈ 1,63. Además, en caso de fuga será más difícil de encontrar/reparar. Problema sistemas DX ↑ potencia kg refrigerante / m3. Normativa. CRV Vs Agua: Agua corrosión y goteos. Costes y peso de tubería CRV < agua equiv. (posible reutilizar anteriores). P(avería CRV) > agua (electrónica, compresores). Costes: Muy variables en función del caso (€CRV > €agua, 5-20%) Ejemplo costes energéticos anuales: 7466$ para agua Vs 6326$ para CRV equivalente (ver texto proyecto) Amortización estimada 6-7 años €CRV (iniciales +operación)|vida útil ≈86% equiv. agua. Otros (ej. €/kWh) pueden ↓ periodo amortización CRV. Futuro - ↑nº CRVs. - Gases + ecológicos. - Simulaciones Adaptadas para CRVs. - Integración control [ventilación + CRV] ↑Rendimiento conjunto. - Fomento CRV + formación específica. - Normalización Evaluación instalación-equipos. - Coste kWh Elección diseño + eficiente (evitar conductos aire).