Desarrollo de una bomba de calor de absorción a gas con fluidos orgánicos e intercambiadores de placas

Abstract

El crecimiento de la demanda eléctrica en Cataluña entre 1986 y 1999 ha sido alrededor de un 70% y se prevé para el año 2010 que dicha demanda sea un 43% superior a la actual. Incrementos similares en otras comunidades pueden provocar un colapso en el sistema eléctrico español.<br/><br/>A pesar de que el crecimiento del consumo energético se debe principalmente al incremento de la capacidad productiva de nuestro país, cada vez es más significativo el efecto de la proliferación de equipos de climatización eléctricos en el computo global de dicha demanda. Actualmente, y aún siendo el sector de la climatización un mercado emergente en nuestro territorio, ya se considera que el 12% de la demanda eléctrica está destinada a la climatización de edificios y viviendas y es la principal causante de los picos de demanda anuales situados en los meses de julio y diciembre.<br/><br/>Ante tal situación, y con las grandes perspectivas de expansión del mercado del aire acondicionado en nuestro país, en esta tesis se propone desarrollar un equipo de climatización que permita contribuir a satisfacer las necesidades térmicas en el sector residencial y pequeño comercio. Para ello, se propone un equipo de absorción que puede funcionar como bomba de calor en invierno con una potencia nominal de 24.5 kW y como equipo de refrigeración en verano con 20 kW de potencia frigorífica. En ambos casos, el consumo eléctrico previsto será inferior a 2 kW, ya que la energía de activación es térmica a temperaturas de 120-150ºC, pudiéndose utilizar tanto el calor procedente de la combustión o bien de energía solar.<br/><br/>Los equipos de absorción convencionales presentan ciertas limitaciones derivadas de los fluidos que utilizan (cristalización y corrosión en el caso del Agua-Bromuro de Litio, y presiones elevadas y rectificación para el Amoniaco-Agua). En este trabajo, se ha adoptado la mezcla de fluidos orgánicos Metanol-Tetraetilenglicol-dimetiléter para solventar dichas limitaciones. Esta mezcla se caracteriza por ser completamente miscible, ser compatible con la mayor parte de materiales utilizados actualmente en los equipos de aire acondicionado y presentar una buena estabilidad térmica y química a las temperaturas de operación previstas. <br/><br/>El equipo desarrollado opera en modo refrigeración bajo un ciclo de absorción-compresión de doble efecto, con un COP>1.2, mientras que en modo calefacción se convierte en un ciclo de simple efecto con un COP>1.4. En ambos casos, se ha incorporado una etapa de compresión con el fin de aumentar el intervalo de temperaturas de operación. De esta forma, no es necesario el uso de torres de refrigeración, pudiéndose utilizar aerorefrigeradores en su lugar.<br/><br/>La utilización de intercambiadores de placas ha permitido contar con unas superficies de intercambio de calor elevadas, en un reducido volumen. Como resultado, el equipo presenta una baja inercia térmica y un tamaño aceptable.<br/><br/>El equipo se ha experimentado en un banco de ensayos, construido a tal efecto, sometiéndose a las condiciones de operación previstas. Los resultados obtenidos confirman el buen comportamiento del equipo y del sistema de control adoptado.

The electrical demand in Catalonia has raised around 70% between 1986 and 1999, and the foreseen demand in 2010 is around 43% higher than the present one. Similar increases in other parts of the country may produce a collapse in the Spanish Electrical Network. Moreover, around 12% of the present electrical consumption in Spain is just for air conditioning.<br/><br/>Considering this situation and the enormous favourable perspectives in the Spanish air conditioning market, the development of an absorption unit for residential and light commercial applications is proposed in this thesis. In the target conditions, the unit should to provide a heating capacity of 24.5 kW in winter, while in summer the cooling capacity is targeted to 20 kW. In both cases, the expected electrical demand is below 2 kW, because the driving energy required is from a thermal source at temperatures between 120 and 150ºC. <br/><br/>Most of the commercial absorption units have some limitations related to working pair (corrosion, crystallisation, operating pressure or rectification). In order to overcome these limitations, in this study an organic pair has been selected, being the refrigerant Methanol and the absorbent Dimethylether tetraethylenglycol. The advantages of this mixture are its full miscibility, the good chemical and thermal stability in the expected operating temperatures and its compatibility with most of materials commonly used in the air conditioning units.<br/><br/>The developed unit operates in summer under an absorption-compression double effect cycle with a COP>1.2, while in winter the unit is shifted to a single effect absorption-compression cycle with a COP>1.4. In both cases, the compression step provides a higher temperature lift between the evaporator and the absorber, which makes feasible to reject the heat through a dry system instead of a cooling tower.<br/><br/>The unit has been built using plate heat exchangers in order to have high heat transfer surfaces in a low volume, accomplishing a compact unit with low thermal inertia.<br/><br/>The first results obtained in a test facility confirm both the suitable control strategy and the promising perspectives for the unit.