desarrollo de un sistema de refrigeraciÓn...

13
6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011 155 DESARROLLO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN SOLAR CON EYECTOR COMO TERMO-COMPRESOR Alejandro Gutiérrez Ortiz, Noel León Rovira Resumen Se presenta el desarrollo de un sistema de refrigeración doméstica que hace uso de la energía solar térmica para su funcionamiento. El sistema opera bajo el ciclo simple de eyección el cual emplea un eyector de vapor como termo-compresor, reemplazando así al compresor mecánico y al consumo eléctrico que este tiene por consumo de la energía térmica necesaria para la producción de vapor de alta presión del refrigerante. Se eligió este ciclo debido a su simplicidad mecánica, ausencia de partes móviles y bajo costo operativo, además de la posibilidad de operar con una amplia gama de refrigerantes. Se eligió al agua (R718) como refrigerante y como único fluido de trabajo dentro del ciclo debido a que tanto su potencial de depleción de la capa de ozono como su contribución al calentamiento global son nulos. Se presenta el diseño y la descripción de los componentes de la unidad de refrigeración derivados de la metodología TRIZ, con este diseño se planea cubrir el mercado residencial con modelos de 1 a 10 toneladas que sustituyan a los sistemas de compresión mecánica de vapor disponibles actualmente en el mercado. Palabras Clave: refrigeración, solar, eyección, eyector, termo-compresor. 1. Introducción Los sistemas de refrigeración para acondicionamiento de espacios son responsables de una gran parte del consumo eléctrico total tanto en aplicaciones industriales como en domésticas. Esto aunado al impacto ambiental de las emisiones de CO2 que se producen durante la generación eléctrica requerida para cubrir la demanda de este tipo de sistemas ha motivado la investigación enfocada tanto a aumentar la eficiencia de los sistemas actuales de refrigeración por compresión de vapor, como al desarrollo de sistemas no convencionales alimentados por energía térmica que tienen poco o nulo consumo eléctrico. El interés en el desarrollo de dichos sistemas no es algo nuevo, el auge de su investigación se dio durante la crisis energética de los 70’s debido a que se reconoció el gran beneficio de estas soluciones y su contribución en lograr un consumo energético global mesurado [1]. Gran parte de la optimización y refinación de estos sistemas se llevó a cabo en décadas posteriores (1970-1990) [2] y a pesar de las diversas ventajas encontradas (bajo consumo eléctrico y la posibilidad de aprovechar fuentes renovables como la energía térmica del Sol para alimentarlos) los sistemas de compresión de vapor convencionales aun dominan todos los sectores del mercado. Aunque el espectro de ciclos de refrigeración que emplean energía térmica para su funcionamiento es amplio [3,4], las contadas unidades comerciales de capacidades domesticas se

Upload: lamkhanh

Post on 06-Feb-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

155

DESARROLLO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN SOLAR CON

EYECTOR COMO TERMO-COMPRESOR

Alejandro Gutiérrez Ortiz, Noel León Rovira

Resumen

Se presenta el desarrollo de un sistema de refrigeración doméstica que hace uso de la

energía solar térmica para su funcionamiento. El sistema opera bajo el ciclo simple de

eyección el cual emplea un eyector de vapor como termo-compresor, reemplazando así al

compresor mecánico y al consumo eléctrico que este tiene por consumo de la energía

térmica necesaria para la producción de vapor de alta presión del refrigerante. Se eligió este

ciclo debido a su simplicidad mecánica, ausencia de partes móviles y bajo costo

operativo, además de la posibilidad de operar con una amplia gama de refrigerantes. Se

eligió al agua (R718) como refrigerante y como único fluido de trabajo dentro del ciclo

debido a que tanto su potencial de depleción de la capa de ozono como su contribución al

calentamiento global son nulos. Se presenta el diseño y la descripción de los componentes de la

unidad de refrigeración derivados de la metodología TRIZ, con este diseño se planea cubrir el

mercado residencial con modelos de 1 a 10 toneladas que sustituyan a los sistemas de

compresión mecánica de vapor disponibles actualmente en el mercado.

Palabras Clave: refrigeración, solar, eyección, eyector, termo-compresor.

1. Introducción

Los sistemas de refrigeración para acondicionamiento de espacios son responsables de una

gran parte del consumo eléctrico total tanto en aplicaciones industriales como en domésticas.

Esto aunado al impacto ambiental de las emisiones de CO2 que se producen durante la

generación eléctrica requerida para cubrir la demanda de este tipo de sistemas ha motivado la

investigación enfocada tanto a aumentar la eficiencia de los sistemas actuales de refrigeración

por compresión de vapor, como al desarrollo de sistemas no convencionales alimentados por

energía térmica que tienen poco o nulo consumo eléctrico.

El interés en el desarrollo de dichos sistemas no es algo nuevo, el auge de su investigación

se dio durante la crisis energética de los 70’s debido a que se reconoció el gran beneficio de estas

soluciones y su contribución en lograr un consumo energético global mesurado [1].

Gran parte de la optimización y refinación de estos sistemas se llevó a cabo en décadas

posteriores (1970-1990) [2] y a pesar de las diversas ventajas encontradas (bajo consumo

eléctrico y la posibilidad de aprovechar fuentes renovables como la energía térmica del Sol para

alimentarlos) los sistemas de compresión de vapor convencionales aun dominan todos los

sectores del mercado.

Aunque el espectro de ciclos de refrigeración que emplean energía térmica para su

funcionamiento es amplio [3,4], las contadas unidades comerciales de capacidades domesticas se

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

156

basan en su mayoría en los ciclos de absorción y adsorción, los cuales han tenido una lenta

aceptación en el mercado [2].

Los factores que han perjudicado a este tipo de unidades son principalmente su costo

elevado y el hecho de que requieren una instalación y mantenimiento especializado [5] el cual

regularmente no está disponible al mismo precio que el de los sistemas convencionales de

compresión de vapor.

Es por ello que resulta claro identificar la necesidad de desarrollar una solución comercial

que sea capaz de sobrellevar los problemas que enfrentan las unidades actuales de refrigeración

solar, es decir, que sea mecánicamente simple y por lo tanto de bajo costo, sin partes móviles o

especializadas que aumenten los costos de mantenimiento y que sea capaz de trabajar con

refrigerantes de bajo impacto ambiental (bajo potencial de contribución al calentamiento global y

de depleción de la capa de ozono).

El ciclo simple de refrigeración por eyección o de eyector como termo-compresor cuenta

con estas características [5,6] y sin embargo su utilización en los últimos años se ha limitado a

procesos industriales y a unas cuantas instalaciones de prueba [5, 7-9].

Esto se ha debido en parte a que presenta un coeficiente de desempeño menor al de los

sistemas de efecto simple de absorción y adsorción [1-4], además de la naturaleza estática del

eyector el cual no cuenta con algún mecanismo que garantice una eficiencia relativamente

constante ante las variaciones de la temperatura ambiente que se esperan a lo largo del ciclo de

operación de un sistema de refrigeración durante el verano.

Sin embargo un diseño que compita en costos con las unidades de compresión mecánica de

vapor actuales podría sobrellevar las desventajas inherentes al ciclo y daría paso a la mejora de

algunos de los aspectos que las causan.

A continuación se describen tanto el ciclo de refrigeración con eyector como termo-

compresor como la unidad diseñada para operar en este ciclo y que puede ser implementada en

capacidades de 1 a 10 toneladas en aplicaciones domésticas.

2. Ciclo de refrigeración con eyector como termo-compresor

En el ciclo de refrigeración por eyección un eyector de vapor reemplaza al compresor

mecánico como medio para elevar la presión del refrigerante en el evaporador hasta una presión

lo suficientemente alta para que este pueda rechazar calor en el condensador.

El eyector fue inventando por Sir Charles Parsons en 1901 [10] pero el primero en utilizarlo

en un sistema de refrigeración fue Maurice Leblanc en 1910 [11], su aplicación estuvo en

crecimiento durante 20 años hasta principios de 1930, inclusive se utilizaban para acondicionar

los vagones de pasajeros de las locomotoras de vapor de esos tiempos [12], pero su reemplazo

por sistemas de refrigeración por compresión de vapor fue inevitable con la llegada de las

locomotoras diesel-eléctricas.

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

157

Dentro del ciclo se puede ver al eyector como un termo-compresor, es decir, este puede

aumentar la presión de un fluido haciendo uso de una fuente de energía térmica. El calor es

necesario para generar vapor a alta presión (mayor a la que se desea alcanzar en el condensador),

este vapor es llamado fluido primario o motriz; es introducido al eyector mostrado en la figura 1

por la boquilla primaria que es convergente-divergente y en la cual el fluido primario se expande

y acelera a una velocidad supersónica para crear una región de muy baja presión a la salida de la

boquilla primaria, debido a esta región de baja presión el fluido secundario es arrastrado hacia la

zona de mezclado, al final de esta zona se considera que ambos fluidos están completamente

mezclados [13].

Debido a la alta presión que prevalece al final de la sección de la garganta se presenta un

efecto de choque en el fluido el cual causa la compresión del mismo y una disminución repentina

de su velocidad (pasa de ser supersónico a subsónico). Este efecto de compresión se aumenta

dentro del difusor subsónico ya que este reduce aún más la velocidad del fluido [13].

Figura 1. Corte transversal de un eyector

La figura 2 muestra un diagrama del ciclo de refrigeración por eyección el cual está

conformado por: un evaporador, un condensador, una válvula de expansión y un eyector, una

bomba y una caldera o generador, estos últimos reemplazan al compresor mecánico. Se dice que

es un ciclo de refrigeración solar cuando se emplea la energía térmica del Sol para producir el

vapor dentro de la caldera.

El vapor generado en la caldera se usa como el fluido primario del eyector, el efecto del

eyector es empleado para ejercer una baja presión en el refrigerante del evaporador (fluido

secundario), esto hace que el refrigerante se evapore a una baja presión y produzca el efecto de

refrigeración deseado (tal y como en el ciclo de compresión mecánica).

El eyector descarga la mezcla de los fluidos hacia el condensador donde se rechaza calor

hacia el ambiente y regresan al estado líquido. Una parte de la mezcla es bombeada de nuevo a la

caldera para convertirse en vapor de alta presión y la otra parte regresa al evaporador a través de

la válvula de expansión.

Las condiciones de operación del sistema están definidas por las presiones y temperaturas

en la caldera, el evaporador y el condensador, las cuales a su vez se definen por el tipo de fuente

de calor, el tipo de aplicación que se le quiera dar al sistema de refrigeración y las condiciones

climáticas de la región donde operara [13].

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

158

Figura 2. Esquema del ciclo sencillo de refrigeración por eyección

Debido a que el consumo de la bomba es mucho menor a la cantidad de calor requerida en

la caldera su efecto se desprecia y el coeficiente de desempeño del ciclo queda definido por la

razón que existe entre la potencia de refrigeración del evaporador y el calor necesario para

generar el vapor en la caldera [14]:

caldera lapor requeridoCalor

evaporador del PotenciaCOP (1)

El coeficiente de desempeño en este sistema es directamente proporcional a la razón de

arrastre (razón del flujo másico entre el fluido secundario y el primario) y a la presión critica del

condensador, la cual es la máxima presión que puede existir en el condensador antes que el

eyector deje de ser capaz de generar el efecto de choque (momento en el cual deja de cumplir con

su función de comprimir el fluido).

3. Selección del fluido refrigerante

El fluido refrigerante dentro del ciclo afecta directamente al desempeño del mismo, por lo

general se busca que tenga un alto calor latente de vaporización, que sea químicamente estable,

de bajo o nulo impacto ecológico y de bajo costo.

Resulta también favorable que la presión a la temperatura de la caldera no sea muy alta para

evitar que esta no tenga que ser muy resistente y evitar así altos costos de fabricación [15]. Por

último se busca también que las propiedades como la conductividad térmica, volumen específico

y viscosidad favorezcan al diseño eficiente del evaporador y condensador [13].

El uso del agua o R718 como refrigerante resulta favorable [7,8,16] debido a su alto calor

latente de vaporización (11 veces más alto que el del R134a) lo cual le permite remover más calor

por mol que cualquier otro refrigerante, disminuyendo el flujo másico necesario en el sistema y

por lo tanto reduciendo el trabajo en la bomba la cual es el único componente del sistema con

consumo eléctrico [13]. Además de sus favorables propiedades termodinámicas el agua es

ampliamente disponible y su uso no implica efectos negativos para el medio ambiente.

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

159

Por otra parte, es necesario tener en cuenta ciertos aspectos al usar agua como refrigerante;

debido a su alto volumen específico (3500 veces mayor al de algunos HCFC) en condiciones

típicas del evaporador (.01 Bar) se deben utilizar conductos de mayor diámetro para reducir la

velocidad media del fluido y así minimizar las pérdidas por fricción en ellos [17]. Otra de las

consecuencias negativas del empleo del agua es que debido a sus propiedades termodinámicas

tanto el condensador como el evaporador deben mantenerse bajo presiones subatmosféricas, lo

que propicia la constante intrusión de gases de la atmosfera hacia dichos componentes. Por esta

razón se debe prever que el diseño correcto de empaques o cualquier otro mecanismo de sellado

elimine o al menos reduzca la intrusión de gases al sistema. Se requiere además de la inclusión de

algún sistema para remover los gases no condensables del ciclo.

La tabla 1 muestra los puntos de operación para el sistema de refrigeración con eyector

como termo-compresor con agua como refrigerante. Es necesario considerar que el agua también

restringe la temperatura del evaporador a temperaturas por arriba de los 0°C, sin embargo para

aplicaciones de refrigeración domestica esta restricción pierde relevancia.

Tabla 1: Puntos de operación para ciclo de refrigeración con agua como refrigerante

Fluido primario o motriz Vapor de agua

Presión del fluido primario 1.43 bar

Temperatura del fluido primario 110 °C

Presión de succión (absoluta) .01 bar

Fluido secundario o refrigerante Vapor de agua

Temperatura del evaporador 7 °C

Presión de descarga o de condensación

(absoluta) .056 bar

4. Enfoque TRIZ para el diseño de los intercambiadores

Como ya se describió, el ciclo de eyección está compuesto por 3 intercambiadores de calor

(en forma de evaporador, condensador y generador) además de una bomba de condensados,

válvula de expansión y el eyector mismo, sin embargo el diseño de estos 3 últimos está

restringido a los puntos de operación deseados para el ciclo y su adaptación para este sistema (al

menos para el primer prototipo) se limita a la correcta elección de cada uno de ellos.

Es por ello que en este trabajo se buscó aplicar el enfoque TRIZ [18,19] a los

intercambiadores de calor mencionados, los cuales (debido a las propiedades que tiene el agua

como refrigerante en este ciclo) difieren en gran parte de los evaporadores y condensadores

empleados en otros sistemas de compresión de vapor.

La principal diferencia entre los evaporadores y condensadores utilizados en el ciclo de

eyección con agua como refrigerante y los utilizados en las máquinas de refrigeración

convencionales reside en la presión a la que operan, ya que en estas últimas los refrigerantes

sintéticos como el R22 les permiten trabajar en presiones mayores a la atmosférica (sin peligro de

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

160

infiltración) mientras que al usar agua como refrigerante tanto el evaporador como el

condensador trabajan en condiciones subatmosféricas (.01 y .056 bar respectivamente) lo cual

propicia la infiltración de gases no condensables al ciclo a diferencia de los refrigerantes

sintéticos que corren el peligro de fugarse del ciclo.

Dicho de otra manera, un intercambiador de calor para este ciclo debe resistir los efectos del

vacío en su interior, además de permitir altas tasas de flujo (debido a alto volumen especifico del

vapor de agua en la condiciones de operación del condensador) mientras que mantiene un

volumen y peso moderado característico de las unidades de refrigeración domésticas disponibles

actualmente en el mercado.

Los parámetros generalizados a mejorar de la metodología TRIZ que corresponden con los

formulados en el párrafo anterior son: resistencia (14), presión (11) y factores perjudiciales

actuando en un objeto (30) que conciernen a mejorar el diseño del intercambiador para

sobrellevar los efectos del vacío, y el volumen de un objeto estacionario (8) de manera de poder

aumentar el volumen del intercambiador para permitir altas tasas de flujo. Mientras que al mismo

tiempo se empeoran los parámetros de complejidad del dispositivo (36), peso de un objeto

estacionario (2) los cuales al aumentar perjudican la utilidad del sistema en aplicaciones

domésticas, mientras que la forma (12) no puede tener cierto grado de complejidad ya que el

flujo interno en los intercambiadores se vería afectado por las caídas de presión.

A continuación se muestra la tabla 2 que relaciona las contradicciones entre los parámetros

generalizados mencionados y los principios de inventiva que sugiere la matriz de Altshuller para

sobrellevarlos.

Tabla 2: Contradicciones

Parámetros que

empeoran

Parámetros

a mejorar

Complejidad del

dispositivo

(36)

Peso de un objeto

estacionario

(2)

Forma

(12)

Resistencia (14) 2,13,25,28 40,26,27,1 10,30,35.40

Presión o tensión (11) 19,1,35 13,29,10,18 35,4,15,10

Volumen de un objeto

estacionario (8) 1,31 35,10,19,14 7,2,35

Factores perjudiciales

actuando en el objeto

(30)

22,19,29,40 2,22,13,24 22,1,3,35

Al analizar cada uno de los 22 principios de inventiva arrojados por la matriz se identificó

que los propuestos para resolver las contradicciones que se generaban al tratar de mejorar los

factores perjudiciales actuando en un objeto (30) podían aprovechar la interacción y las

características comunes entre el condensador y evaporador, dichos principios se explican a

continuación (un * marca un principio de inventiva que fue aplicado en la propuesta final)

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

161

*Convertir algo malo en beneficio (22): Utilizar factores o efectos dañinos de un ambiente

para obtener efectos positivos o remover un factor dañino agregándolo a otro factor

peligroso.

Acción periódica (19): reemplazar una acción continua con una periódica, o un impulso, si

una acción es periódica, cambiar su frecuencia o usar pausas entre impulsos para dar acción

adicional.

Uso de una construcción neumática o hidráulica (29): reemplazar las partes sólidas de un

objeto por gas o líquido

*Materiales compuestos (40): reemplazar materiales homogéneos con compuestos

Extracción (2): remover o separar una parte o propiedad “desordenadora” , de un objeto o

extraer únicamente la parte o propiedad necesaria.

Inversión (13): en lugar de una acción dictada por las especificaciones del problema,

implementar una acción opuesta

*Mediador (24): Use un objeto intermediario para transferir o llevar a cabo una acción.

Segmentación (1): dividir un objeto en partes independientes, crear un objeto seccionado o

incremente un grado la segmentación de un objeto

Calidad local (3): transición de una estructura homogénea de un objeto o medio ambiente

externo (acción externa), a una estructura heterogénea. Hacer que diferentes partes del

objeto lleven a cabo diferentes funciones. Colocar cada parte del objeto en las condiciones

más favorables para su funcionamiento.

Transformación de los estados físicos y químicos de un objeto (35): cambiar un estado de

agregación de un objeto, concentración de densidad, grado de flexibilidad, temperatura

Aunado a esto el principio de anidación (7) de contener un objeto dentro de otro, el cual resulto

de la contradicción de mejorar el volumen de un objeto estacionario (8) sin perjudicar su forma

(12) parece sugerir que el diseño del sistema se puede beneficiar de un concepto donde el

evaporador se encuentre anidado (7) dentro del condensador, de modo que este último sirve como

mediador (24) o intermediario entre la presión atmosférica externa y la presión interna de .01 bar

del evaporador, convirtiendo algo malo (el vacío requerido por ambos componentes) en algo

beneficioso (22).

De esta manera tan solo el condensador tiene que resistir un alto diferencial de presión (cerca de

1 bar con la presión atmosférica) mientras que el evaporador solo debe resistir el diferencial de

presión entre .056 bar del condensador y .01 bar de su presión interna, lo cual resulta

considerablemente bajo permitiendo la construcción su construcción con materiales compuestos

(40) que pueden ser delgados y ligeros (inclusive plásticos), la propuesta derivada de esta

metodología se describe a continuación.

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

162

5. Propuesta

Durante el proceso de diseño se encontró también que el usar solo agua dentro del sistema

(como refrigerante, fluido primario y fluido de trabajo para remover calor del condensador) hace

posible el uso de intercambiadores de calor de contacto directo tanto para el condensador como el

evaporador, los cuales suelen tener una construcción más económica [20], además de ser capaces

de almacenar altas tasas de flujo (lo cual es necesario debido al alto volumen específico que se

mencionó en la sección anterior) y presentar menores caídas de presión en su interior, en

comparación con sus contrapartes de contacto indirecto como lo son los intercambiadores de tubo

y aletas.

El condensador de intercambio directo se compone de un contenedor, rociadores y material

de relleno mostrados en la figura 3, en su interior la descarga de vapor de alta temperatura del

eyector entra en contacto directo con el agua de los rociadores, el material de relleno

(preferentemente PVC) aumenta el tiempo y la superficie de contacto de manera que se dé un

intercambio óptimo de calor entre ambos, obteniéndose como resultado una mezcla

completamente condensada al fondo del contenedor. El agua que pasa a través de los rociadores

proviene de un ciclo de torre de enfriamiento en el cual se rechaza el calor que es absorbido por

la condensación del refrigerante.

Figura 3. Vista explosionada de la unidad de refrigeración solar con eyector como termo-compresor

El evaporador también consta de un contenedor con un conducto de aspiración en su parte

superior por el cual el eyector ejerce el vacío necesario para que el agua dentro del contenedor

logre evaporarse a una baja presión y temperatura, obteniéndose así el efecto refrigerante deseado

en toda máquina de refrigeración. Cabe mencionar que esta unidad es de tipo “chiller” es decir,

tiene una producción de agua fría la cual debe de ser utilizada por un sistema de manejo de aire

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

163

para acondicionar el ambiente de una determinada zona para después retornar al evaporador y

completar el ciclo.

El diseño de la unidad propuesta cuenta con una configuración de condensador y evaporador

anidados que se muestra en la figura 4, esto derivado de los principios de inventiva de TRIZ que

como ya se mencionó en la sección anterior aprovechan el bajo diferencial de presión entre el

condensador que se encuentra a aproximadamente 0.056 bar y el evaporador que está en un vacío

de 0.01 bar; de modo que el evaporador puede ser fabricado mediante el moldeo plástico con

paredes delgadas y aun así ser capaz de resistir los efectos del vacío en su interior; por lo tanto, el

condensador es el único componente que resiste el diferencial cercano a 1 bar en sus paredes

exteriores por lo que debe tener una construcción metálica resistente a la corrosión.

Figura 4. Corte transversal del diseño anidado de la unidad

El evaporador se encuentra sellado herméticamente y aislado térmicamente del condensador

mediante una cubierta aislante, preferentemente de poliuretano expandible, debido a que el

evaporador es un contendor plástico y no metálico, su bajo coeficiente de conductividad térmica

también ayuda a mantener las bajas temperaturas dentro del evaporador. En la parte inferior del

evaporador, se encuentra una válvula de expansión la cual conecta al evaporador con el

condensador y por la cual se deja pasar una porción del agua condensada de regreso al

evaporador a modo de compensar constantemente el nivel de agua que se extrae por la acción del

eyector.

Siguiendo con la descripción del sistema anidado, en la parte superior del condensador, se

encuentra una tapa exterior con brida y empaque para minimizar la intrusión de gases no

condensables en el ciclo, debido a que como ya se explicó el sistema se encuentra bajo presiones

subatmosféricas.

En la parte superior de esta tapa se encuentran los rociadores y una toma para la conexión de

la bomba que provoca el vacío inicial de 0.056 bar y que a su vez extrae los gases no

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

164

condensables durante la operación del sistema. Los rociadores se encuentran colocados a 180°

entre sí y como ya se mencionó se abastecen del agua de una torre de enfriamiento que no se

muestra en el diagrama y descargan hacia el interior del condensador.

El eyector que también se encuentra instalado sobre la tapa del condensador como se

muestra en la figura 5 se alimenta del vapor de alta presión proveniente de la caldera, al mismo

tiempo ejerce un vacío sobre el evaporador y comprime ambos fluidos para posteriormente

descargarlos en a través de su difusor hacia el condensador.

Figura 5. Vista isométrica de la unidad de refrigeración solar con eyector como termo-compresor

Por último, la caldera se encuentra en la parte inferior del condensador y consta de un

reservorio de fluido y de un intercambiador de contacto indirecto, el cual puede ser de tubo y

aletas, cuya función es la de generar vapor de agua a partir del intercambio de calor entre

cualquier fluido de transporte de calor proveniente del sistema de captación solar y el agua dentro

de la caldera. El nivel de la caldera se mantiene gracias a la constante reposición del agua

proveniente del condensador

6. Conclusiones

El principal objetivo de este trabajo fue el de presentar el desarrollo de un sistema de

refrigeración con eyector como termo-compresor haciendo énfasis en el empleo de la

metodología TRIZ para el diseño del condensador y el evaporador de la unidad. Se presentaron

las ventajas del ciclo de eyección sobre otros ciclos de refrigeración accionados por energía

térmica como el de absorción y el de adsorción.

Se explicó el funcionamiento básico del eyector y se demostraron las favorables

características que tiene el agua como refrigerante y como único fluido dentro del ciclo de

refrigeración.

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

165

Se describió la propuesta de diseño unidad de refrigeración para operar bajo este ciclo

derivada de la metodología TRIZ, la cual puede escalarse a capacidades de 1 a 10 toneladas de

refrigeración, a modo de cubrir el sector doméstico.

El diseño obtenido no presenta partes móviles a excepción de la bomba del condensador y

emplea intercambiadores de calor de contacto directo, los cuales tienen un sencillo diseño

mecánico y reducen el costo de fabricación del sistema completo.

Aunado a esto la fabricación en serie del eyector, el cual tampoco contiene partes móviles,

puede alcanzar un costo marginal comparado con el de los compresores mecánicos actuales que

reemplaza.

Es por ello que el ciclo de refrigeración por eyección representa una opción viable para

resolver los problemas que han plagado a los sistemas comerciales de refrigeración solar: altos

costos de adquisición, instalación y mantenimiento. Se ha solicitado la patente MX-A-2010-

013637 para proteger el diseño presentado en este trabajo.

7. Trabajo futuro

Actualmente se están buscando fondos para la realización del prototipo del sistema descrito

de 1 tonelada de refrigeración, sobre este prototipo se harán pruebas para obtener su coeficiente

real de desempeño ante diversas condiciones climáticas, se simulara la variación en la radiación

solar a lo largo del día por medio de una caldera eléctrica de vapor de potencia variable.

Con estos resultados se planea realizar una segunda etapa de diseño con el fin de optimizar

los componentes del sistema de modo que se logren reducir los costos para la manufactura en

serie de las unidades. En esta segunda etapa se buscara aplicar la metodología TRIZ al diseño del

eyector a modo de aumentar su robustez ante cambios en las condiciones ambientales a las que

estará expuesto el sistema.

También se tiene pensado realizar un prototipo en el cual se pueda implementar el ciclo

hibrido de eyección y compresión mecánica de vapor propuesto inicialmente por Sokolov y

Hershgal [21] el cual aumentaría el coeficiente de desempeño total del sistema.

Alejandro Gutiérrez Ortiz. ITESM Campus Monterrey, CIDyT, Cátedra de Investigación Diseño e Innovación en

Ingeniería, Ave. Eugenio Garza Sada 2501 Sur, Col. Tecnológico C.P. 64849, Monterrey, N.L., México.

[email protected]

Noel León Rovira. ITESM Campus Monterrey, CIDyT, Cátedra de Investigación Diseño e Innovación en Ingeniería,

Ave. Eugenio Garza Sada 2501 Sur, Col. Tecnológico C.P. 64849, Monterrey, N.L., +52 (81) 8358-2000 Ext. 5128

México. [email protected]

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

166

Referencias

[1] W. Saman, M. Krause, K. Vajen, “Solar Cooling Technologies: Current Status and Recent

Developments”, in 42nd Annual Conference proceedings of the Australian and New Zealand

Solar Energy Society, (Pearth), 2004.

[2] W. Pridasawas, “Solar-driven Refrigeration system”, Msc. Thesis, Department of Energy

Technology, Royal Institute of Technology, Stockholm, 1999.

[3] J. Deng, “A review of thermally activated cooling technologies for combined cooling, heating

and power systems”, Progress in Energy and Combustion Science, Shanghai, 2010.

[4] D.S. Kim, “Solar refrigeration options – a state-of-the-art review”, International Journal of

Refrigeration 31, pp. 3-15, 2008.

[5] W. Pridasawas, “Solar-driven Refrigeration Systems with Focus on the Ejector Cycle”,

Doctoral Thesis, Department of Energy Technology, Royal Institute of Technology, Stockholm,

2006.

[6] S.B. Riffat, G. San, S. Smith, “Computational fluid dynamics applied to ejector heat pumps”,

Applied Thermal Engineering 16 (4), pp. 291-297, 1996.

[7] X, Ma, W. Zhang, S.A. Omer, S.B. Riffat, “Experimental investigation of a novel steam

ejector refrigerator suitable for solar energy applications”, Applied Thermal Engineering 30, pp.

1320-1325, 2010.

[8] A.J. Meyer, T.M. Harms, R.T. Dobson, “Steam jet ejector cooling powered by waste or solar

heat”, Renewable Energy 34, pp. 297-306, 2009.

[9] C. Pollerberg, A.H. Ali, C. Dotsch, “Solar driven steam jet ejector chiller”, Applied Thermal

Engineering 29, pp. 1245-1252, 2009.

[10] Steam-jet refrigeration equipment, ASHRAE guide and data book. US: ASHRAE; 1969

[chapter 13].

[11] W.B. Gosney, Principle of refrigeration. Cambridge: Cambridge University Press; 1982.

[12] W.F. Stoecker, Steam-jet refrigeration. Boston, MA: McGraw-Hill; 1958.

[13] K. Chunnanond, S. Aphornratana, “Ejectors: applications in refrigeration technology”,

Renewable and Sustainable Energy Reviews 8, pp. 129-155, 2004.

[14] I.W. Eames, S. Aphornratana, H. Haider, “A theoretical and experimental study of a small-

scale steam jet refrigerator”, International Journal of Refrigeration 18, pp. 378–386, 1995.

[15] N. Al-Khalidy, “Performance of solar refrigerant ejector refrigerating machine”, ASHRAE

Trans 103, pp. 56-64, 1997.

[16] V.M. Nguyen, S.B. Riffat, P.S. Doherty, “Development of a solar-powered passive ejector

cooling system”, Applied Thermal Engineering 21, pp. 157-168, 2001.

[17] Y.M. Chen, C.Y. Sun, “Experimental study of the performance characteristics of a steam-

ejector refrigeration system”, Experimental Thermal and Fluid Science 15, pp. 384–394, 1997.

[18] Altshuller, G.S. Creativity as an Exact Science, NY. Gordon & Breach Science

Publishers, 1984.

[19] Terninko John, Zusman Alla, Zlotin Boris, Step by Step TRIZ Creating

Innovative Solution Concepts, 1996.

6º Congreso Iberoamericano de Innovación Tecnológica

Querétaro, del 20 al 22 de octubre de 2011

167

[20] B.F. Lachner, Jr., “The Use of Water as a Refrigerant: Impact of Cycle Modifications on

Commercial Feasibility”, Msc. Thesis, University of Wisconsin, Madison, 2004.

[21] M. Sokolov, D. Hershgal, “Enhanced ejector refrigeration cycles powered by low

grade heat. Part 1. Systems characterization”. International Journal of Refrigeration 13,

pp. 351–356, 1990.