Historia do proxecto. Xustificación

Esta idea naceu dada a situación actual do sector da climatización no que estamos sufrindo unha transición no uso de sustancias refrixerantes que afecta en gran medida ás instalacións e polo tanto ao sector empresarial relacionado.

As limitacións existentes hoxe en día nas novas instalacións de climatización cos refrixerantes actuais usados son:
- Altos valores de impacto medio-ambiental no que respecta ao efecto invernadoiro.
- Altas posibilidades de que antes da finalización da vida útil da instalación, o refrixerante usado non estea dispoñible e aínda que é probable que o estarán fluídos substitutivos; estes non terán un percorrido amplo no mercado e polo tanto non presentarán confianza no seu uso ás empresas instaladoras e mantedoras.
- Os custos económicos de funcionamento e do refrixerante, das instalacións actuais, e mellorable; representando na actualidade, cos refrixerantes utilizados, un custo importante para os clientes de instalacións de climatización.
En pequenos equipos frigoríficos a tendencia e a cargar hidrocarburos desde 1995 os cales presentan baixo impacto medio-ambiental e boa eficiencia. Sendo esta unha solución que en instalacións de media potencia, con maiores cargas de refrixerante, implica riscos de seguridade e non se está abordando no noso país.

En instalacións de climatización o uso de hidrocarburos aumentaría a eficiencia das instalacións pero as limitacións normativas en España impiden un desenrolo deste tipo de equipos. Noutros países da comunidade europea como Alemaña o uso de hidrocarburos en instalacións de climatización estase potenciando coa adopción das correspondentes medidas de seguridade que reduzan riscos e co nacemento de empresas especializadas.

Simulacións desenvolvidas con software ceibe mostran unha mellor eficiencia empregando hidrocarburos en ciclos frigoríficos para equipos de climatización fronte a circuítos convencionais cos refrixerantes usados na actualidade de alto impacto medioambiental.

Ante esta análise numérica ábrese a necesidade de xustificar esta mellora mediante procesos experimentais comparados.

Estas melloras proporcionarían a vantaxe competitiva en tres aspectos:
- PQA100 (Poder de quentamento atmosférico a 100 anos) dos hidrocarburos fronte aos refrixerantes actuais.
- TEWI das instalacións de climatización durante a súa vida útil que ao preverse máis eficiente dá uns resultados menores.
O proxecto consistiu nunha liña de investigación que seguiu os seguintes pasos:

1.- Montáronse varios simuladores previos para decidir e parametrizar o controlador e a válvula de expansión electrónica a usar nos prototipos.

2.- Desenrolo de 4 equipos prototipo distintos, cas súas peculiaridades independentes, equipos de produción de auga quente bomba de calor con propano.

Ten cabida os hidrocarburos como fluídos frigoríficos ao seren uns equipos onde os riscos practicamente non existen montando todo o circuíto frigorífico no exterior. Inda así realizáronse coas adaptacións e comprobacións necesarias de seguridade para o seu uso seguro. Forzouse fugas do hidrocarburo e variacións bruscas nos parámetros de funcionamento para analizar as medidas de seguridade adoptadas cortando adecuadamente o funcionamento do equipo e lanzando as alarmas correspondentes.

3.- Montaxe dun equipo comercial de produción de auga quente con refrixerante tradicional a día de hoxe (R-410A).

4.- Deu tempo a analizar o funcionamento de 2 prototipos con hidrocarburo fronte o equipo comercial actual traballando sobre uns depósitos de auga xemelgos nas mesmas condicións ambientais e de carga térmica.

5.- Montáronse 2 sistemas de fancoils independentes e xemelgos para disipación da calor acumulada nos depósitos.

6.- Conectouse un sistema de adquisición de datos sobre as dúas instalacións para realizar unha captura de parámetros de funcionamento e consumos.

7.- Estudiáronse os valores acadados para chegar ás conclusións definitivas.

As montaxes de 2 prototipos aínda que estaban avanzadas no mes de Setembro grazas a iniciarse xa fai dous cursos, houbo que refacelas practicamente desde cero por variar totalmente o cadro de control das mesmas e optar por variacións significativas nos esquemas frigoríficos e hidráulicos. Puxéronse en marcha grazas aos alumnos do ciclo medio de frío e climatización diúrno promoción do curso 2016-17 os cales grazas a súa inquietude; se lles adaptou parte das ensinanzas dos currículos formativos, traballando, durante o primeiro e segundo trimestre nestas montaxes e na súa posta en marcha. A par un alumno do ciclo superior de mantemento de edificios e procesos realizou os seu traballo do módulo de proxecto sobre esta instalación.

A posta en marcha foi difícil debido a complexidade técnica das montaxes, as novidades empregadas e os defectos en parte dos elementos empregados ao ser reutilizados doutras montaxes realizadas en cursos pasados e que provocaban fallos que houbo que analizar ata dar co problema; pero ao final a día de hoxe fixéronse 3 comparativas con tomas de datos que nos proporcionan as primeiras conclusións aportadas neste traballo; quedándolle moito xugo por sacar aínda a estas montaxes a nivel comparativo.

Actualmente as montaxes están operativas e están dispoñibles nos distintos módulos relacionados que se imparten no centro; ademais de estar para mostrar a calquera técnico do sector interesado e que se achegue polas nosas instalacións. Os datos sacados destas primeiras probas son tidas en conta tamén polas empresas colaboradoras para poder mellorar os seus produtos.

Avaliación do proxecto

Neste apartado expóñense os resultados obtidos das probas iniciais realizadas ata agora.

Este é o paso previo a obter conclusións. Exporanse as características básicas das máquinas, nas cales radican as súas principais diferenzas, e despois expóñense diversos tipos de resultados obtidos.

Como características básicas dicir que partimos dunha potencia térmica de 6 kW en calor, cunha temperatura de vaporización media de 0ºC e unha temperatura de condensación media de 55ºC. Tódolos equipos son de compresión en simple etapa.

O resultados que se expoñen abranguen os seguintes campos:

Resultados de instalacións.
Resultados de consumo enerxético acumulado.
Resultados sobre implicacións do efecto medioambiental que as instalacións xeran.

Resultados de instalacións

A continuación noméanse as peculiaridades actuáis nas que se atopan os distintos elementos obxecto deste proxecto remitindo o apartado “resultados do proxecto” para profundizar nalguna parte das instalacións a través de planos, esquemas de principio…

Equipo de bombeo

A parte de ser o corazón hidráulico da instalación é o elemento onde se atopan os compoñentes de adquisición de datos que permiten capturar as variábeis de funcionamento.

As duas pezas fundamentais de esta parte aparecen sinaladas na fotografía xa que son as que permiten analizar a eficiencia instantánea e acumulativa dos equipos bomba de calor aire-auga a analizar en cada proba. Estos elementos son o calorímetro dixital e o analizador de variabeis eléctricas.

Foi o equipo que levou máis tempo deseñar, xa que requiriu da montaxe de varios simuladores previos para decidir os compoñentes finais a incorporar.

Prototipo 1 de propano

Compresor alternativo; válvula de expansión electrónica; intercambiador de placas soldadas.

Inicialmente incorporóuselle un intercambiador a dobre tubo comercial pero o non ser os resultados das probas previas satisfactorio o encontrar un salto térmico moi alto fabricouse un intercambiador a dobre tubo no propio taller; mellorando os resultados. Considerouse que había que probar intercambiadores de placas e ao facelo atopouse unha clara mellora co que foi a opción final tomada. Nos datos obtidos nas primeiras probas detectouse que é necesario aumentar o orificio da válvula de expansión electrónica para conseguir unha mellora na eficiencia.

Prototipo 2 de propano

Compresor alternativo con regulación de velocidade; válvula de expansión electrónica; intercambiador de placas soldadas.

Esta unidade esta practicamente rematada a súa montaxe quedando pendente o seu axuste e proba final; sendo realmente o equipo que permitirá obter unha comparativa en funcionamento permanente ao poder regular a súa velocidade en función da demanda como fan os equipos aire-auga actuais con R-410A.

Prototipo 3 de propano

Compresor rotativo; válvula de expansión capilar; intercambiador de placas soldadas.

Con esta unidade é ca que nas primeiras probas obtívose a mellor eficiencia e é un equipo baseado nunha unidade condensadora antiga de R-22 que foi adaptada e incorporóuselle elementos de seguridade para poder traballar con propano.

É a que mellores resultados deu nunhas probas iniciais porque presentaba o sistema de expansión; inda que por capilar, totalmente adaptado á instalación. Este elemento nos prototipos 1 e 2 é mellorable.

Prototipo 4 de propano

Compresor rotativo; válvula de expansión capilar; intercambiador de placas soldadas.

É unha variante do prototipo anterior e a día de hoxe non chegou a probarse, esperando del unha velocidade de quentamento maior.

Equipo comercial de R-410A

Unidade representativa do mercado actual para este tipo de equipos aire-auga; composto dunha unidade exterior mais unha unidade interior.

As probas realizas con esta unidade ata agora foron en réxime transitorio de subida de temperatura de 18ºC a entorno os 40ºC sobre un deposito.

Probas en réxime permanente, mantendo a temperatura do depósito, serían máis eficientes grazas a tecnoloxía inverter que incorpora; pero tamén hai que dicir que esa mesma tecnoloxía aplicada aos prototipos de propano aumentaría a eficiencia en igual medida.

Resultados de consumo enerxético acumulado

Partimos da potencia de carga térmica de 6 kW establecida para un tempo de funcionamento diario de 14h.

Respecto á valoración enerxética real, os resultados enerxéticos obtidos refírense a consumos enerxéticos acumulados.

Sabendo que neste tipo de instalacións con R-410A a día de hoxe esta xeneralizado o uso de compresores rotativos; e ao ser o equipo comercial que se usa no proxecto un equipo con compresor rotativo faise así mesmo a comparativa teórica en compresión simple

As conclusión analizando os datos teóricos son:

O rendemento superior para este tipo de equipos sería usando unha compresión en dobre etapa con R-600a (isobutano).
Para compresión simple o R-290 (propano) é un 15,6% máis eficiente que o R-410A ademáis de poder elevarse a temperatura da auga ata os 85ºC mentres que con R-410A estamos limitados a 60ºC.
As conclusión analizando os datos prácticos son:
- Para o R-290 (propano) o compresor rotativo resulta máis eficiente que o uso de compresores alternativos.
- O equipo comercial presenta un salto térmico medio no intercambiador de auga de 22ºC; conseguíndose só 15ºC nos prototipos probados con R-290.
- O prototipo de propano 3, para o proceso de quentamento de 18ºC a 37ºC, consegue mellorar a eficiencia sobre o equipo comercial nun 55%.
- Co prototipo de propano 3 conséguense, en certos momentos do proceso de quentamento, eficiencias superiores o 4,4; fronte a valores instantáneos máximos no equipo comercial de 2,6

Resultados sobre o efecto medioambiental das instalacións

Os valores de impacto sobre a muda climática global, son os referidos ao de contribución ao efecto invernadoiro. Estes valores, para o R-290 e para o R-410A son obtidos do IF2 do RSF.

Pódese establecer que unha instalación do tipo das analizadas posúe, perfectamente, unha vida útil de 15 anos.

Dada a actual normativa sobre instalacións frigoríficas en vigor desde 2011, e levando a cabo un cumprimento razoable da mesma, pódese establecer unha porcentaxe de recuperación de refrixerante no desmantelamento das instalacións, unha vez rematada a súa vida útil, dun 95%.

Pódese establecer que as perdas por fugas dos circuítos ao redor do 12% da carga total.

O factor "β" de equivalente de produción de CO₂ por kWh eléctrico consumido, será tomado o do ano 2015 na península, de valor: 0,302 kgCO₂/kWh.

A carga de refrixerante do prototipo 3 foi de 0,8 kg. Na instalación de R-410A a carga é de 1,2 kg.

Respecto ao impacto medio ambiental sobre a muda climática obsérvase que os resultados amosan que a instalación de R-290 presenta unhas emisións de CO2 á atmosfera dun 20% menos que a instalación de R-410A. O impacto é proporcional ás emisións de dióxido de carbono, polo que a menor porcentaxe no impacto é a mesma que a das emisións.

Conclusións.

De todo o proceso desenvolvido así como dos datos obtidos, pódense obter unha sucesión de conclusións relevantes respecto a diferentes aspectos do traballo proposto:

Respecto ao contraste entre as dúas instalacións:

- A eficiencia enerxética TEORICAMENTE dunha instalación con R-290 sobre as actuais con R-410A é un 15,6% mellor, na práctica nos atopamos nas primeiras probas cunha mellora do 55%.
- Valor TEWI de impacto medioambiental de muda climática é na instalación de R-290 do 20% inferior a da instalación de R-410A.
- O custo anual de enerxía consumida pola máquina aire-auga con R-290 sobre as actuais é TEORICAMENTE o 13,5% do consumido pola máquina con R-410A tradicional de simple etapa atopándonos nas probas en réximes transitorios con valores do 50% de aforro.
- O custo dunha máquina aire-auga con R-290 é equiparábel ao dunha máquina con R-410A tradicional simplemente lle sumaríamos o custo da seguridade de detección de fuga do hidrocarburo.

Respecto a particularidades do proceso técnico desenvolvido

O equipo tradicional de R-410A, nos réximes transitorios nos que se realizaron as probas, presenta un salto térmico no intercambiador de auga de 22ºC fronte os 15ºC cos que se deseñou o intercambiador para os prototipos de hidrocarburos; variando simplemente este parámetro un 20% a eficiencia da unidade.

- Os intercambiadores a dobre tubo presentan unha perda de carga superior que os intercambiadores actuais de placas soldadas; o que fai que sexan menos eficientes.
- Os compresores rotativos demostran unha maior eficiencia que os compresores alternativos para o campo de traballo dos equipos bomba de calor aire-auga.

Liñas futuras de investigación

Pasan por dous camiños:

Mellora da propia instalación; con mais probas e sobre todo co remate na montaxe do prototipo 2 con variación de velocidade que permitirá facer comparativas en réximes de funcionamento máis longos. Hai posibilidade de medir máis variables e de xeito máis fiable ( en moitos casos simplemente facendo un estudo de resituación de sondas), e sobre todo, máis versátil, é dicir, a mellora destes bancos experimentais de xeito que medre a súa capacidade para analizar multiplicidade de situacións diferentes. Hai que conseguir que certas variábeis que agora é necesario medir a man, poden ser tamén adquiridas de forma automática; o cal requiriría mais financiación.
Dar o salto a unha montaxe máis complexa usando R-600 (butano) como refrixerante; o cal requeriría o uso dunha tecnoloxía de dobre ou triple etapa de compresión pero que os estudos teóricos auguran de maior eficiencia neste tipo de equipos e xa con experiencia adquirida no centro ao usarse dita tecnoloxía innovadora nunha cámara frigorífica en funcionamento dende 2014.

Última modificación: xoves, 25 de xuño de 2020, 11:38 PM