INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 ANÁLISIS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA Y DESEMPEÑO EN CAVA DE CONSERVACIÓN Alejandro Valencia Mejía Ingeniería electromecánica Asesor M. Ing. Luis Fernando Cardona INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO 2019 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 RESUMEN El presente trabajo estudia la eficiencia energética y desempeño en el funcionamiento de la cava de congelación de la empresa industrial de alimentos Flórez y cia, la cual contiene la unidad condensadora sometida a una alta temperatura del entorno. El sistema de refrigeración debe funcionar mucho más tiempo y trabajar al máximo para poder alcanzar la temperatura de conservación en la cámara de refrigeración para las carnes blancas y rojas; de no alcanzar esta temperatura, al producto se le puede desarrollar patógenos (microrganismos) provocando que la materia prima no sea apta para el consumo humano, además de ocasionar un alto consumo energético. Este trabajo presenta un análisis sobre las variables que están afectando la eficiencia energética del sistema y cómo lograr el mejoramiento de ésta. En este estudio se miden diferentes variables del equipo y del entorno del lugar donde se encuentra ubicada la unidad condensadora de la cava de congelación, por medio de las fórmulas de balances de energía y exergía se analiza el sistema con el fin de obtener el coeficiente de desempeño. Entre los principales resultados, inicialmente se comprobó con la prueba de hipótesis que el consumo del compresor varía dependiendo la hora. Por otra parte, se encuentra que el sistema está disipando calor en la etapa de compresión del gas, lo cual genera coeficientes de desempeño más altos que en el caso ideal (isentrópico), el cual es aprox. 2,4. Al realizar un análisis de los resultados obtenidos se identifica que la temperatura del lugar donde se encuentra la unidad condensadora del equipo, incide en la eficiencia del sistema, siendo más eficiente en horas de la mañana cuanto la temperatura es baja. Estos resultados pueden ser de gran utilidad para la empresa, ya que le permite disminuir sus gastos, tener una capacidad de competitividad, ofrecer un producto inocuo para el consumo humano mientras disminuye el impacto ambiental de la operación de la cava. Palabras claves: eficiencia energética, coeficiente de desempeño, balance de energía y exergía. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 RECONOCIMIENTOS Mis más sinceros agradecimientos, en primera instancia, a mi madre Olga, mi padre Carlos y mi familia Valencia Mejía por todo el acompañamiento y enseñanzas de vida, las cuales me hacen una persona íntegra para la sociedad. A mi esposa Angee por su apoyo y sacrificio todo este proceso de mi vida. Al grupo de docentes del programa ingeniería electromecánica de la facultad de ingenierías del ITM, quienes me cultivaron con sus conocimientos, y me brindaron todo el apoyo necesario en la elaboración de este trabajo de grado. Y finalmente, y no menos importante, a mi asesor Luis Fernando Cardona por su excelente disposición y paciencia para la excelente asesoría prestada para la elaboración de presente trabajo. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 ACRÓNIMOS BBS línea de Evaporadores Blueline. COPR Coeficiente de desempeño del sistema de refrigeración. COPRrev Coeficiente de Rendimiento u operación en enfriadores ideales (reversibles). CFC Refrigerantes clorofluorocarbonados. CFM Pie cúbico por minuto. CO2 Dióxido de carbono. DML Referencia de filtro secador para líneas de líquido. E Energía; si se designa con el punto encima se denomina potencia. EER Índice de eficiencia energética en el ciclo de refrigeración. EVX Electroválvula de Expansión motorizada Eléctrica. EES Software académico especializado en la resolución de problemas de ingeniería, en especial para el uso de máquinas térmicas y Termodinámica. g Gravedad. GWP Potencial de calentamiento global. h entalpía específica. H0 Hipotesis nula. HA Hipotesis alternativa. HP Alta presión. HCFC Refrigerantes Hidroclorofluorocarbonados. HFC Mezcla Hidrógeno, Flúor, Carbono. HACCP Proceso sistemático preventivo para garantizar la inocuidad alimentaria, de forma lógica y objetiva. ISO Organización Internacional para la Estandarización. LP Baja presión. ṁ Flujo másico. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 NH3 Amoniaco. NTC Norma técnica colombiana. ηc Eficiencia isentrópica del compresor. ηII,ciclo Eficiencia de segunda ley de la termodinámica para el ciclo de refrigeración. OHSAS Serie de especificaciones y estándares sobre la salud y seguridad en el trabajo materializadas establecidas por la British Standards Institution (BSI). ODP Potencial de agotamiento del ozono. Q Calor; si se designa con el punto encima se denomina tasa de transferencia de calor. Q̇k El subíndice K se define como contador de fronteras. SCADA Supervisión, Control y Adquisición de Datos. S Entropía. Si se designa con un punto encima, se denomina tasa de entropía. s Entropía específica (por unidad de masa). Ṡgen Tasa de entropía generada en un sistema. SI sistema internacional de unidades de medición. SO2 Dióxido de azufre. SP Presión estática. T Temperatura. T0 Temperatura del estado muerto (temperatura ambiente). TH Temperatura ambiente. TL Temperatura en cámara de refrigeración. µ Medias 𝜇𝐷 El subíndice D se refiere a diferencias. V Velocidad. W Trabajo; si se designa con el punto encima se denomina trabajo por unidad de tiempo (potencia). X Exergía o disponibilidad (Tiene las mismas unidades de energía). Si se designa con el punto encima se denomina exergía por unidad de tiempo. z Coordenada espacial. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 13 1.1. OBJETIVOS.......................................................................................................................... 14 1.1.1. Objetivo General ........................................................................................................ 14 1.1.2. Objetivos específicos ................................................................................................. 14 2. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 15 2.1. INDUSTRIAL DE ALIMENTOS FLOREZ Y CIA S.A.S ............................................................... 15 2.2. CICLO DE REFRIGERACION ................................................................................................. 16 2.2.1. El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor ........................................... 16 2.2.2. El ciclo real de refrigeración por compresión de vapor ............................................. 18 2.3. PRINCIPALES PARTES QUE CONFORMAN UN CAVA DE CONSERVACION .......................... 20 2.3.1. Compresor ................................................................................................................. 20 2.3.2. Condensador .............................................................................................................. 22 2.3.3. Recipiente de líquido ................................................................................................. 23 2.3.4. Filtro Secador ............................................................................................................. 24 2.3.5. Visor de líquido y humedad ....................................................................................... 25 2.3.6. Válvula Solenoide....................................................................................................... 27 2.3.7. Válvula de expansión termostática ............................................................................ 28 2.3.8. Evaporador................................................................................................................. 29 2.3.9. Presóstato .................................................................................................................. 29 2.3.10. Cámara de refrigeración ............................................................................................ 30 2.3.11. Control de refrigeración ............................................................................................ 31 2.3.12. Refrigerantes ............................................................................................................. 32 2.4. PRUEBA DE HIPÓTESIS CON PRUEBA DE MEDIA ............................................................... 34 2.4.1 Planteamiento de una hipótesis estadística ..................................................................... 34 2.4.2 Estadístico de Prueba ....................................................................................................... 35 2.4.3 Criterio de rechazo ........................................................................................................... 36 2.4.4 Prueba de Media con variancia desconocida ................................................................... 36 2.5. BALANCES DE ENERGÍA Y EXERGÍA PARA CICLO DE REFRIGERACIÓN ............................... 38 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2.6. ANÁLISIS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA A SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN .......................... 43 3. METODOLOGÍA ............................................................................................................. 52 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................... 60 4.1 Resultados experimentales ...................................................................................................... 60 4.2 Prueba de hipótesis ................................................................................................................. 69 4.3 Resultados del sistema con compresión isentrópica ............................................................... 70 4.4 Resultados del sistema con compresión real .......................................................................... 75 4.5 Propuesta de mejora ............................................................................................................... 84 5. CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO ........................................ 90 REFERENCIAS ........................................................................................................................ 92 APÉNDICE.............................................................................................................................. 94 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Unidad condensadora. ........................................................................................................ 13 Figura 2. Logo de Industrial de Alimentos Florez y Cia S.A. ............................................................... 15 Figura 3. Componentes del ciclo de refrigeración ideal. Izquierda: Diagrama de componentes del ciclo. Derecha: Diagrama T-s del ciclo ........................................................................................................ 17 Figura 4. Esquema y diagrama T-s para el ciclo real para el ciclo de refrigeración por compresión de vapor. ................................................................................................................................................. 19 Figura 5. Partes que conforman la cava de conservación. ................................................................ 20 Figura 6. Compresor Tecumseh TFH2480Z ....................................................................................... 22 Figura 7. Condensador. ...................................................................................................................... 23 Figura 8. Recipiente de líquidos. ........................................................................................................ 24 Figura 9. Filtro secador Danfoss DML. ............................................................................................... 25 Figura 10. Visor de líquidos y humedad ............................................................................................ 26 Figura 11. Válvula solenoide Danfoss tipo BF220BS. ......................................................................... 27 Figura 12. Válvula de expansión termostática. .................................................................................. 28 Figura 13. Evaporador BBS. ............................................................................................................... 29 Figura 14. Presóstato ......................................................................................................................... 30 Figura 15. Cámara de refrigeración. .................................................................................................. 31 Figura 16. Controlador TC-900E Power Full gauge ............................................................................ 31 Figura 17. Clasificación de los refrigerantes ...................................................................................... 33 Figura 18. Refrigerante R404A ........................................................................................................... 34 Figura 19. Regiones de aceptación o de rechazo. ............................................................................. 36 Figura 20. Regiones de rechazo y aceptación de hipótesis. .............................................................. 37 Figura 21. Relación entre energía y exergía ...................................................................................... 40 Figura 22. Línea del sistema de refrigeración .................................................................................... 44 Figura 23. Banco de prueba. .............................................................................................................. 45 Figura 24. Esquema de un refrigerador con congelador superior ..................................................... 46 Figura 25. Esquema simple del sistema de compresión de vapor de una etapa. ............................. 47 Figura 26. Esquema de la planta de refrigeración experimental....................................................... 48 Figura 27. Esquema del sistema de refrigeración. ............................................................................. 49 Figura 28. Ciclo de refrigeración. ....................................................................................................... 51 Figura 29. Manifold con manómetros Uniweld. ................................................................................ 53 Figura 30. Penta III Full Gauge. .......................................................................................................... 53 Figura 31. Pinza amperimétrica UNI-T. .............................................................................................. 54 Figura 32. Higrómetro HTC-1. ............................................................................................................ 54 Figura 33. Termómetro digital Delta Track. ....................................................................................... 55 Figura 34. Puntos de obtención de variables. ................................................................................... 57 Figura 35. Propiedades del sistema en el EES considerando compresión isentrópica. ..................... 71 Figura 36. Ecuaciones en EES considerando compresión isentrópica. .............................................. 72 Figura 37. Solución del EES considerando compresión isentrópica. ................................................. 73 Figura 38. Propiedades del sistema en el EES considerando compresión real. ................................ 76 Figura 39. Ecuaciones en EES considerando compresión real. .......................................................... 77 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 40. Solución del EES considerando compresión real. ............................................................. 78 Figura 41. Ventilador de hélice axial. ................................................................................................. 85 Figura 42. Instalación del sistema de extracción ............................................................................... 86 Figura 43. Lugar donde se encuentra unidad condensadora. ........................................................... 86 Figura 44. Área donde están ubicadas las unidades condensadoras. ............................................... 87 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Contenido de humedad en ppm para varios refrigerantes a varias temperaturas. ............ 26 Tabla 2. Lista de equipos de medición utilizados en el estudio. ....................................................... 56 Tabla 3. Hoja de cálculo para toma de mediciones. ......................................................................... 57 Tabla 4. Datos tomados para la prueba de hipótesis. ....................................................................... 58 Tabla 5. Obtención de datos 29 de marzo del 2019. ........................................................................ 61 Tabla 6. Obtención de datos 05 de abril del 2019. ........................................................................... 62 Tabla 7. Obtención de datos 12 de abril del 2019. ........................................................................... 63 Tabla 8. Resultado de tablas de prueba de hipótesis. ...................................................................... 69 Tabla 9. Resultados para el dia 5 de abril considerando compresión isentrópica. ........................... 74 Tabla 10. Resultados para el viernes 29 de marzo ............................................................................ 79 Tabla 11. Resultados para el viernes 5 de abril ................................................................................. 80 Tabla 12. Resultados para el viernes 12 de Abril .............................................................................. 81 Tabla 13. Resultados del 29 de marzo de 2019 sin despreciar calor disipado por el compresor. .... 83 Tabla 14. Puntos críticos para la distribución T de Student (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). ................................................................................................................................................ 94 Tabla 15. Cambios de aire sugeridos para una ventilación adecuada (Dayton, 2005) ..................... 95 Tabla 16. Referencias de ventiladores segun las CFMs (Dayton, 2005) ............................................ 95 Tabla 17. Guias de presion estatica (Dayton, 2005) .......................................................................... 96 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 GRAFICAS Grafica 1. Presión de succión vs Hora en el punto 1. ........................................................................ 64 Grafica 2. Presión de descarga vs Hora en el punto 2. ...................................................................... 65 Grafica 3. Presión en el condensador vs hora punto 3. .................................................................... 65 Grafica 4. Hora vs temperatura en línea de succión en el punto 1. .................................................. 66 Grafica 5. Hora vs temperatura de línea de descarga en el punto 2. ............................................... 67 Grafica 6. Hora vs temperatura a la salida del condensador en el punto 3. ..................................... 67 Grafica 7. Temperatura ambiente vs Hora del lugar. ........................................................................ 68 Grafica 8. Hora vs consumo de compresor en Amperios. ................................................................. 68 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 1. INTRODUCCIÓN El centro de producción sur de la empresa industrial de alimentos Flórez y cia. Ubicada en la dirección carrera 50 ff N° 8 sur- 97 sector Aguacatala – Medellín - Colombia, presta el servicio de alimentación industrial. Dentro de sus equipos, cuenta con una cava de congelación para conservar carnes rojas y carnes blancas con una temperatura ideal de - 18°C. La unidad condensadora de este equipo está ubicada en una azotea, tal como se muestra en la Figura 1; en este lugar se encuentran también el ducto de la campana extractor del área de cocción y 8 unidades condensadoras (4 unidades condensadoras de aire acondicionado, 3 de cavas y 1 de abatidor). Estos equipos disipan calor a una temperatura ambiente muy alta, hasta de 50°C medidos con termómetro digital. A una altura de 3 m se tiene un techo de material de Eternit; el cual absorbe calor de los rayos solares; adicionalmente el lugar no cuenta con recirculación de aire o extractores. Figura 1. Unidad condensadora. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Según las condiciones a las cuales se encuentra sometida la unidad condensadora de la cava de congelación, puede presentar altos consumos de energía y deficiencia en el desempeño, ya que el refrigerante internamente debe llegar a temperaturas bajo cero para mantener los productos en óptimas condiciones para el consumo humano. Mediante el uso de las fórmulas establecidas para el análisis de los sistemas de refrigeración se pretende resolver la siguiente pregunta: ¿cuál es el consumo energético y desempeño en cava de congelación y como se puede mejorar este desempeño? 1.1. OBJETIVOS 1.1.1. Objetivo General Determinar el coeficiente de desempeño y eficiencia de la segunda ley de la termodinámica de la unidad condensadora de la cava de congelación de la empresa industrial de alimentos Flórez y cia S.A.S.; con el fin de proponer mejoras en el desempeño del equipo para conservar los productos. 1.1.2. Objetivos específicos  Medir y analizar las variables del sistema de conservación actual y su entorno en la compañía.  Estimar el coeficiente de desempeño del equipo a través del balance de energía y exergía para el ciclo de refrigeración.  Proponer mejoras para aumentar la eficiencia energética y el desempeño del equipo en un 5%. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2. MARCO TEÓRICO 2.1. INDUSTRIAL DE ALIMENTOS FLOREZ Y CIA S.A.S Es una empresa contratista privada, productora de bienes y servicios de la línea de alimentación a nivel industrial. La organización tiene una trayectoria en el mercado desde abril de 1974 donde nace una idea y se constituye SIERRAFLOR contratista de restaurantes industriales, en 1986 se realiza un cambio de razón social a INDUSTRIAL DE ALIMENTOS FLOREZ Y CIA. S.A (el logo actual se muestra en la Figura 2); en 1993 se realiza la construcción de su primer centro de producción el cual es llamado Edificio de producción Norte ubicado en la calle 60 # 52-63 Medellín, Antioquia. En el año 2002, la empresa recibe la certificación de la ISO 9001:2008 y para el 2010 es certificada en la NTC 5830 – HACCP y OHSAS. En el 2018 realiza la construcción de su segundo centro de producción, el cual es llamado producción sur ubicado en la calle 8 sur # 50FF – 86 la Aguacatala, Medellín, Antioquia. Figura 2. Logo de Industrial de Alimentos Florez y Cia S.A. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 La empresa ofrece dos sistemas de servicios de alimentación:  Alimentación Industrial Centralizada: Para empresas que no poseen la infraestructura de un servicio de alimentación en sus instalaciones, Industrial de Alimentos Flórez y Cia s.a. garantiza la entrega oportuna de alimentos preparados bajo altos estándares de calidad. Este servicio se realiza a través de los centros de producción norte o sur.  Alimentación Industrial Descentralizada: Para empresas que poseen la infraestructura de un servicio de alimentación en sus instalaciones. La totalidad de los procesos de producción y distribución de alimentos se hace en la infraestructura propia del cliente donde se presta el servicio (Industrial de Alimentos Florez y Cia S.A., 2019). 2.2. CICLO DE REFRIGERACION Es el proceso termodinámico por el cual se logra transferir calor de un lugar a baja temperatura hacia un lugar a una temperatura superior. Los equipos que producen refrigeración son llamados refrigeradores, los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración; siendo el ciclo de refrigeración por compresión de vapor el más utilizado en la industria, donde el refrigerante se evapora y se condensa alternamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. 2.2.1. El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor La refrigeración por compresión es un método de refrigeración que consiste en forzar mecánicamente la circulación de un refrigerante a lo largo de la línea que une los siguientes cuatro componentes del ciclo; compresión, condensación, expansión y INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 evaporación, cambiando de estados y de condiciones físico/químicas en cada uno de ellos, reiniciando de nuevo el ciclo en la tapa de compresión, como se observa en la Figura 3. En el proceso interviene también la energía eléctrica con el fin de generar trabajo para accionar el compresor. Figura 3. Componentes del ciclo de refrigeración ideal. Izquierda: Diagrama de componentes del ciclo. Derecha: Diagrama T-s del ciclo (Cengel & Boles, 2015). De manera ideal durante el ciclo se presentan los siguientes procesos:  En el compresor se da un proceso de compresión de vapor de manera isentrópica (sin transferencia de calor, ni fricción ni otras irreversibilidades). Este proceso aumenta tanto la temperatura como la presión del refrigerante (proceso 1 2). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96  En el condensador se da un proceso de transferencia de calor isobárica (a presión constante), en el que el refrigerante en forma de vapor se condensa al entregar calor a un medio externo a menor temperatura (proceso 23).  En la válvula de expansión ocurre un proceso de expansión isentálpico (a entalpía constante) en el que el refrigerante pasa de líquido saturado a mezcla saturada líquido-vapor. Este proceso disminuye tanto la presión como la temperatura del refrigerante (proceso 34).  En el evaporador ocurre un proceso de transferencia de calor isobárico (a presión constante) e isotérmico (a temperatura constante), en el que la mezcla saturada de refrigerante se transforma en vapor saturado, al ganar calor proveniente de un medio a mayor temperatura (proceso 41). En los años 1800 se utilizaron diferentes sustancias como medios refrigerantes las cuales eran bastante nocivas en caso de fugas tales como el éter, amoniaco, dióxido de carbono y también la gasolina. Posteriormente, en la década de los años veinte, llegaron los primeros refrigerantes llamados freón, pero, en los últimos tiempos se pudo determinar que son los principales causantes del daño en la capa de ozono, por eso ya están totalmente descontinuados. 2.2.2. El ciclo real de refrigeración por compresión de vapor Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere de uno ideal en varios aspectos, principalmente debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido (causa caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El diagrama T- s de un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor se muestra en la Figura 4. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 4. Esquema y diagrama T-s para el ciclo real para el ciclo de refrigeración por compresión de vapor (Cengel & Boles, 2015). Durante el ciclo real se presentan los siguientes procesos (ver Figura 4):  El proceso de compresión real incluye efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, por lo que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. Por consiguiente, la entropía del refrigerante puede incrementarse (proceso 1 2) o disminuir (proceso 1 2´) durante un proceso de compresión real, dependiendo del predominio de los efectos. El proceso de compresión 1 2´ puede ser incluso más deseable que el proceso de compresión isentrópico debido a que el volumen específico del refrigerante y, por consiguiente, el requerimiento de entrada de trabajo son más pequeños en este caso. De ese modo, el compresor debería enfriarse durante el proceso de compresión siempre que sea práctico y económico hacerlo. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2.3. PRINCIPALES PARTES QUE CONFORMAN UN CAVA DE CONSERVACION Para este proceso de refrigeración en particular se cuenta con secciones básicas que trabajan en ciclo infinito. Estos componentes y accesorios, que trabajan complementariamente, se muestran en la Figura 5 y se describen cada uno de ellos a continuación: Figura 5. Partes que conforman la cava de conservación (Yañez, 2019). 2.3.1. Compresor Es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar ciertos tipos de fluidos llamados compresibles, tales como gases y vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido, en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él, convirtiéndose en energía de flujo, aumentado su presión y energía cinética e impulsándola a fluir. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Un compresor en el ciclo de refrigeración funciona generando la succión del refrigerante desde el evaporador o intercambiador de calor, logrando así una reducción en la presión para que la temperatura de evaporación pueda ser mantenida en el nivel deseado. El compresor eleva la presión a su salida a un nivel lo suficientemente alto, logrando que la temperatura de saturación sea mayor a la temperatura del medio donde se va a enfriar el refrigerante por condensación del gas. Los compresores pueden ser:  Compresores de tornillo rotativo: estos equipos tienen unos husillos que comprimen el gas a medida que entran en el evaporador.  Compresores alternativos: este es un compresor de gas que funcionan por el movimiento de émbolos dentro de uno o varios cilindros, movidos por medio de un cigüeñal para generar altas presiones.  Compresores de desplazamiento: estos compresores se caracterizan porque utilizan dos espirales que son los encargados de comprimir el gas. Uno de estas dos espirales es fijo y se incorpora a la puerta de descarga y la función principal del otro espiral es la motricidad.  Compresores centrífugos: estos comprimen el gas refrigerante por medio de la fuerza centrífuga creada por los rotores los cuales giran a una alta velocidad. Esta energía se envía a un difusor y convierten una gran parte de él en aumento de la presión (fritz, 2017). El compresor utilizado en el equipo objeto del presente estudio es de tipo alternativo o reciprocante, de Marca Tecumseh referencia TFH2480Z con voltaje 220 V trifásico, Potencia de 2HP, RLA 4,8, frecuencia 60 Hz con refrigerante R404A. Para compresores de esta marca, con potencia de 1/5 HP y superior, se requiere circulación de aire forzado (o un enfriador de aceite) para enfriar el motor eléctrico, como se puede observar en la Figura 6 (Tecumseh Europe, 2003). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 6. Compresor Tecumseh TFH2480Z (Pecomark, 2019). 2.3.2. Condensador Es un intercambiador de calor que posee una tubería ondulante o serpentín donde el gas que sale a presión del compresor se transforma en líquido. El calor absorbido por el refrigerante en la evaporación y compresión es removido al medio ambiente en este equipo. Para esto, el refrigerante realiza un tránsito a través de unos paneles que tienen cientos de micro tubos de cobre en el interior, donde se realiza la transferencia de calor de forma mecánica a través de un ventilador axial de aire forzado. A medida que el refrigerante va cediendo calor, su estado físico se transforma de vapor a líquido, llegando INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 a la saturación de este, por lo cual recibe el nombre de condensador, como se observa en la Figura 7. Figura 7. Condensador. 2.3.3. Recipiente de líquido El recipiente de líquido el cual va ubicado en la línea de líquido entre el condensador y la válvula de expansión almacena refrigerante y lo cede a la instalación cuando su demanda aumenta. El condensador y el recipiente de líquido son las partes de la instalación que contienen más cantidad de refrigerante. Este dispositivo se aprovecha en paradas de temporada para almacenar en ellos el fluido de la instalación, cerrando la válvula de salida del recipiente, poniendo en marcha el compresor y a continuación cerrando la válvula de servicio del compresor (en la descarga), como se observa en la Figura 8. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 8. Recipiente de líquidos. 2.3.4. Filtro Secador El filtro secador o deshidratador es el responsable de evitar que impurezas y/o humedad ingresen al elemento de control (tubo capilar o válvula de expansión) o hacia el mismo compresor. Su principal función es la de absorber la humedad en el sistema y además tiene la función de impedir que pasen partículas sólidas (astillas metálicas de cobre o acero, residuos de soldadura, etc.) lo que pueden provocar taponamientos y una baja de enfriamiento por una alta temperatura en la descarga. Este elemento se muestra en la Figura 9. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 9. Filtro secador Danfoss DML (Danfoss, 2019). 2.3.5. Visor de líquido y humedad Es un dispositivo de metal que contiene una mirilla de vidrio la cual permite evidenciar las condiciones del refrigerante. Anteriormente se utilizaba como simplemente un visor del refrigerante por medio de la mirilla, pero posterior a esto surgió la idea que por medio de esta mirilla era posible verificar la humedad, como se observa en la Figura 10. La función principal de este componente es revelar la presencia de excesos de humedad en el refrigerante, lo cual puede ser malo para el dispositivo de expansión y el sistema completo. Para realizar esta función, cuenta con un sensor de humedad, que consiste en un papel filtro poroso impregnado con una sal anhidra de cobalto. Esta sal es única, ya que tiene la capacidad de cambiar de color en presencia o ausencia de pequeñas cantidades de humedad. El elemento se encuentra calibrado, de acuerdo con lo que se consideran niveles seguros o inseguros de humedad, estos niveles varían según el refrigerante por lo tanto los puntos cambian de color, en el indicador de humedad también varían con cada INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 refrigerante según Tabla 1 (Danfoss, 2019). La otra función del visor en poder evidenciar el flujo del refrigerante el cual se debe encontrar en estado líquido totalmente. Tabla 1. Contenido de humedad en ppm para varios refrigerantes a varias temperaturas (Danfoss, 2019). Figura 10. Visor de líquidos y humedad INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2.3.6. Válvula Solenoide La válvula solenoide es el componente que se utiliza para realizar el control del flujo de un líquido o gas. Esta válvula se controla al pasar una corriente eléctrica a través de la bobina, generando un campo electromagnético de cierta intensidad en el interior y el émbolo fabricado en metal ferroso es atraído por la fuerza magnética hacia el centro de la bobina, lo que proporciona el movimiento necesario para accionar la válvula. El émbolo vuelve a su posición por efecto de la gravedad o por presión del fluido a controlar. La válvula se puede abrir o cerrar, no hay término medio, por lo que no se puede utilizar este sistema para regulación de flujos. Estas válvulas pueden ser del tipo normalmente abierto o cerrado. La primera no abre hasta que recibe corriente, y la de tipo normalmente abierto se halla siempre así, y no cierra hasta que llega corriente a la misma, como se observa en la Figura 11. Figura 11. Válvula solenoide Danfoss tipo BF220BS. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2.3.7. Válvula de expansión termostática La válvula de expansión es un componente fundamental en los sistemas de refrigeración, la cual tiene la capacidad de permitir una caída de presión entre el condensador y el evaporador del sistema. Su función principal es generar una caída de presión del refrigerante proporcionando líquido a baja presión al evaporador en función de la carga térmica y mantener un sobrecalentamiento adecuado a la salida del evaporador, como se observa en la Figura 12. Figura 12. Válvula de expansión termostática (Danfoss, 2019). En la salida del evaporador se tiene instalado un bulbo con el mismo refrigerante del sistema. El aumento de temperatura en el evaporador genera la expansión del refrigerante del bulbo, lo que baja el vástago de la válvula para que fluya el refrigerante hacia el evaporador bajando la temperatura de este. Cuando el evaporador baja la temperatura, el bulbo se contrae, sube el vástago y se obstruye el paso del refrigerante. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2.3.8. Evaporador El evaporador es un intercambiador de calor utilizado en los sistemas de refrigeración, donde se intercambia energía térmica desde un medio que se desea enfriar para enviarlo a un fluido refrigerante el cual se encuentra dentro del evaporador. La temperatura dentro del evaporador debe ser siempre menor que la del medio que va a ser aclimatado. El refrigerante al entrar al evaporador se encuentra como mezcla saturada (típicamente un 90% estado líquido y un 10% en estado gaseoso). Justo a la salida debe ser 100% gaseoso o vapor, para entrar nuevamente a la etapa de succión del compresor, como se observa en la Figura 13. Figura 13. Evaporador BBS. 2.3.9. Presóstato Un presóstato o interruptor de presión es un dispositivo que cierra o abre un circuito eléctrico dependiendo del cambio de un valor de presión prefijado, como se observa en la INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 14. Su ajuste del valor de presión para permitir abrir o cerrar el circuito se realiza mediante un tornillo o una leva, que aumenta la presión que ejerce sobre un muelle central y esta a su vez sobre unos contactos. Cuando la presión del sistema es mayor a la del muelle, este mueve los contactos cambiándolos de posición. Al contrario, cuando la presión del sistema baja, los muelles nuevamente se mueven y los contactos vuelven a su posición inicial. Debido a esto, los contactos abren o cierran el circuito eléctrico y controlan el compresor. Figura 14. Presóstato (Danfoss, 2019). 2.3.10. Cámara de refrigeración Una cámara de refrigeración es un cuarto que se encuentra aislado de la temperatura exterior, por medio de unos paneles frigoríficos construidos con polímeros sintéticos de bajo coeficiente de transferencia de calor. Su principal función es absorber el calor que se encuentra en su interior y extraer la energía térmica de los productos almacenados, para lo cual se ubica en su interior uno o varios evaporadores mientras los demás componentes se encuentran remotos, como se observa en la Figura 15. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 15. Cámara de refrigeración. 2.3.11. Control de refrigeración Es un controlador el cual optimiza la programación de los componentes descritos en la cámara de refrigeración, controlando la temperatura según parámetros ingresados, permitiendo la supervisión del equipo, tal como se observa en la Figura 16. Figura 16. Controlador TC-900E Power Full gauge (Full gauge, 2019). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2.3.12. Refrigerantes Son sustancias que sirven como agente de enfriamiento, absorbiendo calor a bajas temperaturas y presión, cediéndole a temperatura y presión más elevadas, en procesos de cambios de fase del fluido. Los fluidos utilizados como refrigerantes en los ciclos de compresión son principalmente los que pertenecen a la familia de los hidrocarburos halogenados. Estos refrigerantes están clasificados como se observa en la Figura 17. Pueden ser puros o mezclas de gases, donde los puros son de tipo Clorofluorocarbono totalmente halogenados sin presencia de átomos de hidrógeno en su composición química, llamados CFC: (Flúor, Carbono, Cloro). Empleados hasta hace relativamente poco (año 1995), los CFCs han sido prohibidos al afectar en gran medida la capa de ozono y ser responsables del efecto invernadero. También está prevista la eliminación de los denominados HCFC (Hidrógeno, Carbono, Flúor, Cloro), similares a los anteriores pero que contienen átomos de hidrógeno en su molécula siendo por ello menos estables y descomponiéndose antes de alcanzar la estratósfera, teniendo por lo tanto un reducido potencial de destrucción de la capa de ozono. Por último, existen los llamados HFC: (Hidrógeno, Flúor, Carbono), que son Fluorocarbonos sin cloro, con átomos de hidrógeno, sin potencial destructor del ozono dado que no contienen cloro (Absorsistem, 2002). Las mezclas de refrigerantes pueden ser azeotrópicas cuando están formadas por tres componentes y se comportan como una molécula de refrigerante puro. Las mezclas no azeotrópicas están formadas por varios componentes, pero la mezcla no se comporta como una molécula de refrigerante puro. Por lo tanto, la carga de refrigerante que funciona con estos gases se ha de realizar siempre en estado líquido ya que cada gas se comporta de diferente manera en estado gaseoso. Además, este tipo de mezclas tiene el llamado deslizamiento, lo que significa que a la misma presión la temperatura es distinta si está en estado gaseoso o en estado líquido. Este deslizamiento puede ser desde 1°C INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 hasta 7°C. También existen refrigerantes que son fluidos inorgánicos, como el amoniaco (NH3), el dióxido de carbono (CO2) y dióxido de azufre (SO2). Por último, también se utiliza en alguna instalación doméstica el isobutano, denominado R-600 y que es altamente inflamable (Absorsistem, 2002). Figura 17. Clasificación de los refrigerantes (Absorsistem, 2002). El refrigerante utilizado en el sistema de refrigeración objeto del presente estudio es una mezcla azeotrópica R404A, como se muestra en la Figura 18. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 18. Refrigerante R404A (Servimet, 2019). 2.4. PRUEBA DE HIPÓTESIS CON PRUEBA DE MEDIA Es un estudio experimental o una investigación, por lo general tiene como objetivo, responder en forma segura ciertas preguntas y/o tomar decisiones. En este contexto, el experimentador tiene a priori ciertas creencias o hipótesis que desea comprobar. A continuación, se describen los conceptos básicos de prueba de hipótesis, es decir, los pasos fundamentales de cualquier procedimiento de prueba de hipótesis, como son: planteamiento de hipótesis, estadístico de prueba y criterio de rechazo (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). 2.4.1 Planteamiento de una hipótesis estadística Es una afirmación sobre los valores de los parámetros de una población o proceso, que es susceptible de probarse a partir de la información contenida en una muestra representativa que es obtenida de la población o proceso. Por ejemplo, la afirmación “este proceso produce menos de X productos defectuosos” se puede plantear INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 estadísticamente, en términos de la proporción “p” desconocida de artículos defectuosos que genera el proceso como se realiza a continuación. H0: p = X (la proporción de defectuosos es de X) (2.1) HA: p < X (la proporción es menor a X) (2.2) A la expresión 𝐻0 se le conoce como hipótesis nula y 𝐻𝐴 se le llama hipótesis alternativa (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). 2.4.2 Estadístico de Prueba Probar una hipótesis consiste en investigar si lo afirmado por la hipótesis nula es verdad o no. La estrategia de prueba parte del supuesto de que 𝐻0 es verdadera, y si los resultados de la investigación contradicen en forma suficiente dicho supuesto, entonces se rechaza 𝐻0 y se acepta la hipótesis alternativa. En caso de que los resultados de la investigación no demuestren claramente la falsedad de 𝐻0, esta no se rechaza. Es decir, la hipótesis nula es verdadera mientras no se demuestra lo contrario. Una vez planteada la hipótesis, se toma una muestra aleatoria de la población o proceso en estudio, se obtiene datos mediante un experimento planeado de acuerdo con la hipótesis. El estadístico de prueba es un número calculado a partir de los datos y la hipótesis nula, cuya magnitud permite discernir si se rechaza o no la hipótesis nula 𝐻0, se le llama región o intervalo de rechazo para la prueba, y a los posibles valores donde no se rechaza 𝐻0 se les llama región o intervalo de aceptación (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2.4.3 Criterio de rechazo El estadístico de prueba, construido bajo el supuesto de que 𝐻0 es verdad, es una variable aleatoria con distribución conocida. Si efectivamente 𝐻0 es verdad, el valor del estadístico de prueba debería caer dentro del rango de valores más probables de su distribución asociada, el cual se conoce como región de aceptación. Si cae en una de las colas de su distribución asociada, fuera del rango de valores más probables (en la región de rechazo) como se muestra en la Figura 19, es evidencia en contra de que este valor pertenece a dicha distribución (comúnmente se utiliza la distribución T de student). De aquí se deduce que debe estar mal el supuesto bajo el cual se construyó, es decir, 𝐻0 debe ser falsa (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). Figura 19. Regiones de aceptación o de rechazo (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). 2.4.4 Prueba de Media con variancia desconocida Sea X una variable aleatoria con distribución normal con media µ y varianza 𝜎2 , ambas desconocidas. Se requiere probar la hipótesis de que la media es igual a cierto valor 𝜇0. Es decir, la hipotesis a probar es: 𝐻0: 𝜇 = 𝜇0 (2.3) 𝐻1: 𝜇 ≠ 𝜇0 (2.4) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Para probar la hipótesis se toma una muestra aleatoria de tamaño n de los posibles valores de la variable X y se calcula el estadístico de prueba: 𝑡0 = �̅� 𝑆𝑑/√𝑛 (2.5) Donde S es la desviación estándar de los datos. Bajo el supuesto de que 𝐻0 es verdadera, este estadistico se distribuye T Student con n-1 grados de libertad. Se rechaza 𝐻0 si el valor absoluto del estadístico de prueba es mayor que el valor crítico de la distribución, es decir, se rechaza 𝐻0 si |𝑡0| > 𝑡𝛼 2⁄ . Se debe recordar que 𝑡𝛼 2⁄ es el punto crítico de la distribución T de Student, tal que 𝑃 (𝑡 > 𝑡𝛼 2⁄ ) = 𝛼 2⁄ ; o sea, las áreas bajo la curva a la derecha del punto 𝑡𝛼 2⁄ y a la izquierda de −𝑡𝛼 2⁄ son iguales de 𝛼 2⁄ como se muestra en la Figura 20. Estos valores críticos se obtienen de tablas de la distribución T de Student, donde α es la significancia dada de la prueba y es la probabilidad de la región o el intervalo de rechazo. En este proyecto se trabajará con α = 0,05 el cual es un valor muy utilizado (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). Figura 20. Regiones de rechazo y aceptación de hipótesis (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 2.5. BALANCES DE ENERGÍA Y EXERGÍA PARA CICLO DE REFRIGERACIÓN La primera ley de la termodinámica para sistemas de flujo estacionario se puede expresar como (Cengel & Boles, 2015): Ėentrada⏟ 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟, 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑦 𝑚𝑎𝑠𝑎 = Ėsalida⏟ 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟, 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑦 𝑚𝑎𝑠𝑎 (2.6) La anterior ecuación se puede reescribir como: Q̇entrada + Ẇentrada + ∑ �̇�(ℎ + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎⏟ 𝑃𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = Q̇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + Ẇ𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + ∑ �̇�(ℎ + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎⏟ 𝑃𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (2.7) Si se supone que los cambios de energía cinética/potencial son insignificantes y se desprecia la transferencia de calor del compresor a los alrededores, la potencia de entrada del compresor se puede derivar de la anterior expresión y queda: Ẇent = ṁ(h2 − h1) (2.8) Donde los subíndices 1 y 2 se refieren a la salida y entrada del compresor. En caso de conocer este trabajo de entrada (por ejemplo, si se mide en sitio), es posible despejar el flujo másico (ṁ) de refrigerante en el ciclo. Si la transferencia de calor del compresor a los alrededores es significativa, la potencia del compresor se puede derivar de la ecuación 2.7 y queda: Ẇent = ṁ(h2 − h1) + �̇�𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 (2.9) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Siguiendo un procedimiento similar (y despreciando el trabajo realizado por ventiladores y otros equipos eléctricos menores) se tiene que:  Calor de refrigeración del evaporador: Q̇L = ṁ(h1 − h4) (2.10)  Calor de rechazo del condensador: Q̇H = ṁ(h2 − h3) (2.11) Con estos datos se puede obtener el coeficiente de desempeño del ciclo de refrigeración: COPR = Salida deseada del equipo Entrada requerida = Q̇L Ẇent = h1 − h4 h2 − h1 (2.12) Este coeficiente es una medida del desempeño de la cava de conservación (mientras más alto mejor). Teóricamente el COPR más alto es el que alcanza un ciclo de refrigeración o ciclo invertido de Carnot, el cual es reversible. Este COPR reversible se calcula con la siguiente expresión: COPRrev = 1 𝑇𝐻 𝑇𝐿 − 1 = TL TH − TL (2.13) En la anterior expresión las temperaturas deben ser absolutas en Kelvin o Rankine. Otra medida del desempeño de la cava de conservación es el Índice de Eficiencia Energética, el cual se puede obtener a partir del coeficiente de desempeño: 𝐸𝐸𝑅 = 3,1412𝐶𝑂𝑃𝑅 (2.14) Una medida adicional de desempeño del equipo es la eficiencia isentrópica del compresor, que se calcula con la siguiente expresión: INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 ηc = 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 = Ẇent,s Ẇent = hs2 − h1 h2 − h1 (2.15) La eficiencia isentrópica del compresor se define como la relación entre el trabajo de entrada requerido para elevar la presión de un gas a un valor especificado de una manera isentrópica y el trabajo de entrada real. Esta definición impide que ηc se vuelva mayor a 100%. Sin embargo, en ocasiones los compresores son enfriados intencionalmente con ventiladores o camisas de agua que arropan la carcasa para reducir los requerimientos de trabajo de entrada y debido a esto las eficiencias isentrópicas si pueden dar mayores a 1. (Cengel & Boles, 2015). La exergía (X) o disponibilidad representa el potencial de trabajo útil del sistema en el estado especificado, teniendo las mismas unidades de energía. La exergía es el límite máximo en la cantidad de trabajo que un dispositivo puede entregar sin violar cualquier ley termodinámica, como se puede observar en la Figura 21. Figura 21. Relación entre energía y exergía (Cengel & Boles, 2015). Las irreversibilidades (fricción, transferencia de calor, reacciones químicas, etc.) siempre generan entropía y por tanto destruyen la exergía (destruyen potencial de generar trabajo). Por definición: INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Ẋdestruida = T0Ṡ𝑔𝑒𝑛 ≥ 0 (2.16) Ṡ𝑔𝑒𝑛 Es la entropía generada, la cual siempre es una cantidad positiva o cero para un sistema sin irreversibilidades (ideal). Sus unidades son kW/K. Este término de generación de entropía se puede obtener de un balance de entropía (balance de segunda ley de la termodinámica): Ṡentrada − Ṡsalida⏟ 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝í𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑦 𝑚𝑎𝑠𝑎 + Ṡ𝑔𝑒𝑛⏟ 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝í𝑎 = dSsistema 𝑑𝑡⁄⏟ 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝í𝑎 (2.17) Para un sistema de flujo estacionario este balance se expresa de la siguiente forma: ∑ Q̇k T0 +∑ṁ𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎s𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 −∑ṁ𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎s𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + Ṡ𝑔𝑒𝑛 = dSsistema 𝑑𝑡⁄ = 0 (2.18) Reorganizando y despejando Ṡ𝑔𝑒𝑛 para un dispositivo estacionario de una sola entrada y salida: Ṡ𝑔𝑒𝑛 = ṁ(s𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − s𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) −∑ Q̇k T0 (2.19) Si se reemplaza la definición de destrucción de exergía en la anterior expresión, se obtiene las ecuaciones que permiten calcular la destrucción de exergía en cada componente del ciclo de refrigeración :  Compresor: Ẋdest,1−2 = T0ṁ(s2 − s1) (2.20)  Condensador: Ẋdest,2−3 = T0 [ṁ(s3 − s2) + ( Q̇H TH )] (2.21) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96  Válvula de expansión: Ẋdest,3−4 = T0ṁ(s4 − s3) (2.22)  Evaporador: Ẋdest,4−1 = T0 [ṁ(s1 − s4) − ( Q̇L TL )] (2.23) La destrucción total de exergía, es la diferencia entre la exergía gastada (suministro o entrada de potencia) y la exergía recuperada (la exergía del calor que se quita desde el medio de baja temperatura) para todo el ciclo: Ẋdest,total = Ẇent − ẊQL̇ (2.24) Al sumar las destrucciones parciales de exergía, también se puede determinar la destrucción total de exergía del ciclo de refrigeración: Ẋdest,total = Ẋdest,1−2 + Ẋdest,2−3 + Ẋdest,3−4 + Ẋdest,4−1 (2.25) El flujo de exergía, correspondiente al calor transferido del medio de baja temperatura, es equivalente a la potencia que se puede producir por una máquina que recibe calor de un entorno a T0 y rechaza calor a un medio de baja temperatura a TL: ẊQL = Q̇L T0 − TL TL (2.26) Por definición de reversibilidad, ẊQL también es el suministro mínimo de potencia reversible del ciclo, necesaria para retirar el calor del espacio a climatizar y poderlo rechazar al ambiente: ẊQL = Ẇmin−ent (2.27) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Una medida adicional de desempeño es la eficiencia de segunda ley de la termodinámica del ciclo de refrigeración, la cual se puede calcular como: ηII,ciclo = ẊQL Ẇin = COPR COPRrev (2.28) 2.6. ANÁLISIS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA A SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Se realizó una investigación en diferentes fuentes literarias sobre las variables que se pueden considerar importantes en la eficiencia energética de los sistemas de refrigeración. A continuación, se presenta la evidencia de los autores investigados. En 2007 se realizó un estudio sobre “Balance energético en la planta de lácteos ESPOCH en la comunidad de tunshi” (QUINDE, 2017). La planta de lácteos ESPOCH consta de tres líneas principales que es la línea de estandarización y pasteurización, la línea de generación de vapor y la línea del sistema de refrigeración. Este balance se realizó para obtener información más detallada sobre la exergía destruida en todas las líneas de la planta. Los resultados indicaron que la mayor tasa de destrucción de exergía en toda la planta se produjo en la línea de estandarización y pasteurización en el intercambiador de calor por placas con el 29,42 kW (63,3 % de la destrucción total). En la línea de generación de vapor la mayor tasa de destrucción de energía se produjo en la caldera debido a las pérdidas de calor (5,14 kW). En la línea del sistema de enfriamiento como se muestra en la Figura 22, la mayor tasa de destrucción se dio en el banco de hielo por la transferencia de calor rápida (0,221 kW). Además, identifican las variables y las líneas principales del proceso, siendo primordial la presión y la temperatura de entrada y de salida de cada uno de los componentes del mismo (QUINDE, 2017). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 22. Línea del sistema de refrigeración (QUINDE, 2017) Por otro lado, Pineda (2011) investiga sobre “Estudio experimental del incremento de eficiencia en un sistema de refrigeración al integrar un módulo termoeléctrico” al realizar un módulo termoeléctrico en un sistema de refrigeración mecánico pretendiendo lograr incrementar el COP (Coeficiente de desempeño) y con ayuda de un sistema control mantenerlo sin importar las variaciones de temperatura del medio exterior. Por medio de demostraciones a través del banco de prueba, como se muestra de una manera gráfica en la Figura 23, experimentalmente se pudo determinar que el cambio que sufre el condensador afecta seriamente al sistema de refrigeración. Se demostró que a un mayor enfriamiento del condensador el consumo de electricidad disminuye y así mismo el COP se incrementa. Por otro lado, al calibrar los instrumentos de medición se obtiene las curvas características del ciclo de refrigeración temperatura-entropía y temperatura-entalpia a diferentes cargas y flujos másicos que describe el comportamiento del sistema (Pineda, 2011). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 23. Banco de prueba (Pineda, 2011). Corte (2014) realizó una investigación sobre el sistema de refrigeración doméstica, para superar dificultades relacionadas con el gran consumo de energía y sus problemas de impacto ambiental. En ese estudio se evidenció que, por las características termodinámicas y medioambientales, los hidrocarburos se han convertido en los refrigerantes alternativos ideales y el único inconveniente que presenta para su uso es la peligrosidad en el manejo por cuanto son inflamables. Sin embargo, en varias investigaciones de sus parámetros de operación y técnicas de seguridad con base en normas internacionales, se demostró que su implementación se le pueda realizar de forma masiva y segura a nivel local y mundial. Demostraron los HC y sus mezclas pueden reemplazar a los refrigerantes tradicionales contaminantes; ya que además de poseer cero ODP (Potencial de agotamiento del ozono) y GWP (Potencial de calentamiento global) bajo cercano al cero, tienen excelentes características termodinámicas, que permiten mejorar el comportamiento de refrigeración, disminuir el tiempo de descenso de la INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 temperatura, reducir el tiempo de encendido y lograr ahorros de energía significativos. Además, recomiendan continuar realizando estudios de la transferencia de calor en el interior del refrigerador, tomando en cuenta los ciclos de encendido y apagado del compresor. Para ello se podría desarrollar un modelo tridimensional más complejo con el fin de predecir la distribución de la temperatura en el interior de los compartimientos del refrigerador, como se puede observar en la Figura 24 (Edwin Corte, 2014). Figura 24. Esquema de un refrigerador con congelador superior (Edwin Corte, 2014). Bejarano (2013) Desarrollan un modelo dinámico de sistemas de refrigeración por compresión de vapor, simplificado orientado al control de un ciclo de refrigeración de una etapa como se observa en la Figura 25, basados en submodelos dinámicos o estáticos de sus componentes. A partir de las simulaciones realizadas variando las entradas manipulables del sistema, obtuvieron modelos en forma de funciones de transferencia de primer orden para las principales variables de salida de cara al control: la potencia frigorífica intercambiada en el evaporador y el grado de sobrecalentamiento. De esta INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 forma se ha caracterizado la dinámica dominante en la respuesta del sistema. Identificaron que los submodelos dinámicos de los intercambiadores de calor no contemplan otras situaciones respecto al flujo de refrigerante que pueden darse en régimen transitorio de parada y arranque del sistema (Bejarano, 2013). Figura 25. Esquema simple del sistema de compresión de vapor de una etapa (Bejarano, 2013). Ruz (2016) De la universidad de Córdoba presentaron una planta experimental de refrigeración por compresión de vapor de una etapa como se observa en la Figura 26. La planta de refrigeración incorpora un sistema para el control de la temperatura ambiente y un sistema para regular la carga térmica demandada en el evaporador. De este modo, obtienen una gran flexibilidad para imponer condiciones de trabajo al ciclo de refrigeración. Además, presentan una estrategia de control descentralizada que se ha utilizado para poner a punto la planta, y de esta forma explorar el rango de operación en las distintas condiciones y conformar un conjunto de experiencias orientadas a la caracterización de los componentes del ciclo de refrigeración. Con el SCADA que actúa como servidor OPC (OLE for Process Control). Este protocolo es un estándar de control y supervisión de procesos industriales, que tiene como ventaja principal su extensión en uso INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 e implementación por parte de diferentes fabricantes, facilitándose por tanto la comunicación entre los mismos. El protocolo OPC se ha utilizado para comunicar las variables del SCADA con el entorno de Matlab/Simulink. Este software se ha utilizado con la finalidad de poder aprovechar su potencia de cálculo para la obtención de parámetros termodinámicos del proceso, y, por otra parte, utilizar el entorno Simulink para la implantación de una futura capa de control superior, como pudiera ser el caso de un optimizador. Para los cálculos termodinámicos mediante Matlab utilizan la librería de acceso libre Coolprop. Dichos cálculos permiten la monitorización en tiempo real del ciclo frigorífico y del diagrama P-H (Ruz, 2016). Figura 26. Esquema de la planta de refrigeración experimental (Ruz, 2016). Mendoza Miranda (2013) al detectar que actualmente los sistemas de refrigeración en la zona industrial consumen alrededor del 10% de la demanda total de energía, toman un esquema de sistema de refrigeración como se muestra en la INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 27 y presentan una evaluación energética de los refrigerantes R1234yf y R152a como alternativa en sistemas de refrigeración, además analizan la influencia de la variación de las condiciones de evaporación y condensación para un sistema de compresión de vapor; así como los parámetros propios del compresor como lo son el régimen de giro, la razón entre el volumen muerto, el volumen desplazado y la eficiencia isotrópica del compresor. Esta evaluación se realiza para un ciclo de simple etapa en un rango de temperaturas de evaporación desde 253K a 283K y para tres temperaturas de condensación de 313K, 323K y 333K manteniendo un grado de recalentamiento y subenfriamiento de 5K. El desempeño de los refrigerantes se evalúa a través del COP, carga de refrigeración, potencia consumida por el compresor y temperatura de descarga. Los resultados muestran que utilizando R152a como alternativa al R134a el COP se incrementa entre un 2,46% y un 30,79% para el rango de temperaturas de condensación estudiadas. Mientras que usando el R1234yf se tiene una pérdida de COP alrededor de 2,7 – 18,14% en comparación con el R134a. Por lo que es necesario la implementación de mejoras en los sistemas de compresión de vapor o la búsqueda de mezclas que mejoren las propiedades termodinámicas del refrigerante (Mendoza Miranda, 2013). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 27. Esquema del sistema de refrigeración (Mendoza Miranda, 2013). Lugo (2013) Realizaron un análisis sobre los costos de operación exergo-económicos a un ciclo teórico de refrigeración de vapor usando HFC-134a obteniendo las propiedades de los estados termodinámicos del ciclo y realizaron un análisis paramétrico del coeficiente de operación de la eficiencia energética de la potencia suministrada al compresor y del flujo de refrigerante para una potencia frigorífica dada. El ciclo de refrigeración de compresión de vapor simple como se observa en la Figura 28 que opera con HFC-134a, presenta los costos de operación más significativos en el condensador. El segundo proceso en costos de operación es la válvula de estrangulamiento, que representa una pérdida inherente al ciclo. El compresor está en el mismo orden de magnitud en costos de operación que la válvula, sin embargo, se pueden disminuir al mejorar la eficiencia isentrópica del compresor, ya que disminuiría los costos de operación del compresor y del condensador. Con base a las condiciones ambientales propuestas de la República Mexicana, los costos de operación exergo económicos están en el intervalo de 3,7 a 8,5 $/h. Esta variación se debe principalmente al efecto de la temperatura ambiente. Los costos de operación energéticos y los costos de operación exergo económicos son más sensibles a la variación de la temperatura ambiente que al cambio de la temperatura frigorífica. Al disminuir la eficiencia isentrópica del compresor, el costo de operación exergo económico del refrigerador se incrementa hasta 1 $/h para una carga térmica de 5TR y una temperatura frigorífica de -5°C. Se constató, que al aumentar la temperatura ambiente en 5°C, se incrementan los costos de operación exergo económicos equivalentes al incremento de una tonelada de refrigeración para una temperatura frigorífica de -5°C (Lugo-Leyte, 2013). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 28. Ciclo de refrigeración (Lugo-Leyte, 2013). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 3. METODOLOGÍA A continuación, se describen las actividades que se realizaron para llevar a cabo esta investigación. Inicialmente, dada la problemática que se presentaba en la compañía industrial de alimentos Flórez y cia., se solicitó autorización en la empresa para iniciar el proceso de análisis en el sistema de refrigeración, para de esta forma proponer mejoras que ayudaran a aumentar la eficiencia energética. A continuación, se realizó una investigación en la web y una referenciación en los documentos, libros termodinámicos y fuentes citadas en el presente informe, de cada una de estas fuentes se tomaron datos importantes para llevar a cabo los objetivos propuestos. Posteriormente se hizo una medición de los datos necesarios en sitio (directamente en el equipo) para poder recopilar y construir los elementos que conforman el análisis de la eficiencia energética de la cava de conservación. Los equipos de medición utilizados fueron: - Dos manifold con los respectivos manómetros de marca Uniweld para medir presiones como se muestra en la Figura 29. - Un termopar Penta III de marca Full Gauge con cinco sensores para medir temperaturas como se muestra en la Figura 30. - Una pinza amperimétrica de marca UNI-T de referencia UT200A para medir la corriente y el voltaje como se muestra en la Figura 31. - Un higrómetro de referencia HTC-1 para medir la humedad relativa como se muestra en la Figura 32. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 - Un termómetro digital de marca DeltaTrack para medir temperaturas como se muestra en la Figura 33. Figura 29. Manifold con manómetros Uniweld. Figura 30. Penta III Full Gauge. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 31. Pinza amperimétrica UNI-T. Figura 32. Higrómetro HTC-1. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 33. Termómetro digital Delta Track. En la Tabla 2 se reporta el resumen de los instrumentos utilizados en la investigación con sus respectivas resoluciones. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Tabla 2. Lista de equipos de medición utilizados en el estudio. EQUIPO MARCA REFERENCIA UNIDA DE MEDIDA RESOLUCIÒN Manómetro de baja color azul. Uniweld QAL3SM-5 Presión (Psig) 1 Manómetro de alta color rojo. Uniweld QAL3SM-5 Presión (Psig) 5 Sensor de temperatura. Full Gauge. Penta III Temperatura (Celsius) 0,1 Pinza amperimétrica Uni-t UT200A Resistencia (Ohmios) Voltaje (Voltios) Corriente (Amperios) 0,01 Termohigrómetro N/A HTC-1 Temperatura (Celsius) Humedad relativa (%) 0,1 Termómetro digital Deltatrack 11050 Temperatura (Celsius) 0,1 Durante la fase práctica en campo, se realizaron mediciones de las diferentes variables en los puntos indicados en la Figura 34 como del exterior. En el punto 4 se tomó humedad relativa, en el punto 5 voltaje y corriente del compresor, las presiones y temperaturas del sistema se tomaron en los puntos 1-2-3, (en el horario de 6:00 am – 6:00 pm cada 2 horas, los días viernes con 2 recopilaciones y cuantificación de los datos). Se utilizó una plantilla en una hoja de cálculo como se observa en la Tabla 3, con el fin de facilitar la recopilación de los datos. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 34. Puntos de obtención de variables. Tabla 3. Hoja de cálculo para toma de mediciones. Todas estas variables se tomaron en un horario de 6:00 am – 6:00 pm cada 2 horas para obtener así 7 datos del viernes y se realizarán 2 réplicas. Se realizó el viernes y en este horario, debido a que es el día más crítico por el cargue y descargue de la materia prima INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 en el equipo para la producción de los desayunos, almuerzos y cenas de la semana entrante. Se realizó una prueba de hipótesis descrita en la sección 2.4 para evaluar si hay diferencia en tomar el dato a las 6:00 am o en otra hora diferente. El planteamiento estadístico consiste en probar la hipótesis de que la media de las diferencias es cero (la diferencia entre en el consumo del compresor tomado a las 6:00 am y el dato del consumo del compresor tomado a una hora diferente), según las ecuaciones (2.3) y (2.4). En la Tabla 4 se muestra los datos a tomar en esta prueba de hipótesis: Tabla 4. Datos tomados para la prueba de hipótesis. Bloque (n) Hora Consumo compresor (A) Diferencia (A) 1 6: 00 am Dato referencia 2 8: 00 am 3 10:00 am 4 12:00 am 5 2:00 pm 6 4:00 pm 7 6:00 pm Medias �̅� Desviación estándar 𝑆𝑑 Al aceptar 𝐻0: 𝜇𝐷 = 0 se estaría admitiendo que no hay diferencia entre los consumos tomados a las 6:00 am o a una hora diferente. Se calculó el valor del estadístico de prueba según la ecuación (2.5). Bajo el supuesto de que 𝐻0 es verdadera, este estadístico sigue una distribución T de Student con n-1 grados de libertad. Se rechaza 𝐻0 si el valor INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 estadístico de prueba es mayor que el valor crítico de la distribución, es decir, se rechaza 𝐻0 si |𝑡0| > 𝑡𝛼 2⁄ donde α es la significancia dada de la prueba y es la probabilidad de la región o el intervalo de rechazo. En este proyecto se trabajó con α = 0,05. Se debe recordar que 𝑡𝛼 2⁄ es el punto crítico de la distribución T de Student, tal que 𝑃 (𝑡 > 𝑡𝛼 2⁄ ) = 𝛼 2⁄ ; estos valores críticos se obtuvieron de la tabla de la distribución T de Student (ver tabla en el apéndice) (Gutierrez Pulido & De la Vara Salazar, 2008). Luego mediante el uso de herramientas tecnológicas como cámara fotográfica, un computador portátil, bases de datos académicas (disponibles en la biblioteca digital del ITM), libros termodinámicos y software especializados académicos como el EES se pudo realizar los cálculos termodinámicos. Con los datos obtenidos en campo, se pudo realizar un balance exergético descrito en la sección 2.5 de este informe, con el cual se pudo hallar el coeficiente de desempeño COP e identificar la cantidad de energía que se utiliza de forma eficiente, pero más aún, aquella energía que no se aprovecha eficientemente y de qué componente proviene, con el cual se pueden emitir las conclusiones, presentar los resultados obtenidos de la presente investigación, con el fin de proponer mejoras en su desempeño. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 Resultados experimentales Considerando los puntos en la obtención de datos descritos en la sección 3, se diligencia la hoja de cálculo como se observa en la Tabla 3 y se realiza la conversión de unidades de las presiones de psig a kPa donde 1 psig = 6,89476 kPa, a este resultado se le suma 85 kPa presión atmosférica de la ciudad de Medellín (EPM, 2018), para la cuantificación de datos obtenidos los días 29 de Marzo, 05 y 12 de Abril del 2019 como se observa en las Tabla 5 a 7 respectivamente. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Tabla 5. Obtención de datos 29 de marzo del 2019. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 62 Tabla 6. Obtención de datos 05 de abril del 2019. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 63 Tabla 7. Obtención de datos 12 de abril del 2019. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 En la Grafica 1 se representa: en el eje horizontal la hora y en el eje vertical la presión en kPa de la línea de succión del compresor en el punto 1 como se muestra en la Figura 34. Se puede identificar que a las 12:00 m se encuentra la máxima presión debido a que ésta se presenta cuando la temperatura es máxima y a las 6:00 am-pm se presentan mínimas presiones ya que decae la temperatura del lugar. A las 6.00 pm se identifica un alto margen de error por cambios climáticos presentados en la ciudad de Medellín. Grafica 1. Presión de succión vs Hora en el punto 1. En la Grafica 2 se representa la hora y la presión en kPa en la línea de descarga del compresor en el punto 2 como se muestra en la Figura 34. Se puede identificar la máxima presión a las 12:00 pm por las altas temperaturas presentadas a esta hora; por otro lado las presiones mínimas se dan a las 6:00 am y pm debido a las bajas temperaturas. 234 257 296 301 290 269 234 00 50 100 150 200 250 300 350 6:00 a. m. 8:00 a. m. 10:00 a. m. 12:00 p. m. 2:00 p. m.4:00 p. m.6:00 p. m. P R ES IO N ES P U N TO 1 ( kP a) HORA SUCCION (1) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 65 Grafica 2. Presión de descarga vs Hora en el punto 2. En la Grafica 3 se representa la hora vs la presión en kPa en la salida del condensador en el punto 3 como se muestra en la Figura 34. Se puede identificar que a las 12:00 m se presenta la máxima presión a los altos índice de temperatura y las mínimas presiones resultan a las 6:00 am y pm debido a los bajos grados de temperatura. Grafica 3. Presión en el condensador vs hora punto 3. 1.809 1.866 2.280 2.441 2.372 2.165 1.832 00 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 6:00 a. m. 8:00 a. m. 10:00 a. m. 12:00 p. m. 2:00 p. m. 4:00 p. m. 6:00 p. m. P R ES IO N ES P U N TO 2 ( kP a) HORA DESCARGA (2) 1.809 1.866 2.280 2.441 2.372 2.165 1.820 00 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 6:00 a. m. 8:00 a. m. 10:00 a. m. 12:00 p. m. 2:00 p. m. 4:00 p. m. 6:00 p. m. P R ES IO N ES P U N TO 3 ( kP a) HORA CONDENSADOR (3) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 66 En la Grafica 4 se representa la hora y la temperatura en la línea de succión del compresor en el punto 1 como se muestra en la Figura 34. Se puede identificar que en la línea la máxima temperatura se presenta a las 6:00 pm y la mínima se identifica a las 6:00 am. Grafica 4. Hora vs temperatura en línea de succión en el punto 1. En la Grafica 5 se representa la hora vs la temperatura de la línea de descarga del compresor en el punto 2 como se muestra en la Figura 34. Se puede identificar que la máxima temperatura se presenta a las 2:00 pm y la mínima se presenta a las 6:00 pm. -07 -03 01 01 -01 00 02 -10 -08 -06 -04 -02 00 02 04 06 6:00 a. m. 8:00 a. m. 10:00 a. m. 12:00 p. m. 2:00 p. m. 4:00 p. m. 6:00 p. m. T EM P ER A T U R A P U N TO 1 ( °C ) HORA SUCCION (1) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 67 Grafica 5. Hora vs temperatura de línea de descarga en el punto 2. En la Grafica 6 se representa la hora y la temperatura de la línea a la salida del condensador en el punto 3 como se muestra en la Figura 34. Se puede identificar el máximo de temperatura a las 12:00 pm y la mínima temperatura a las 6:00 am. Grafica 6. Hora vs temperatura a la salida del condensador en el punto 3. En la Grafica 7 se representa la hora y la temperatura en °C del lugar donde se encuentra ubicada la unidad condensadora. Se puede identificar que la máxima temperatura que se presenta en el lugar es a las 12:00 m y 2:00 pm del día; debido a esto se presentan altos 47 61 56 60 67 53 43 00 10 20 30 40 50 60 70 80 6:00 a. m. 8:00 a. m. 10:00 a. m. 12:00 p. m. 2:00 p. m. 4:00 p. m. 6:00 p. m. TE M P ER A TU R A P U N TO 2 (° C ) HORA DESCARGA (2) 30 35 42 44 43 38 32 00 05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 6:00 a. m. 8:00 a. m. 10:00 a. m. 12:00 p. m. 2:00 p. m. 4:00 p. m. 6:00 p. m.T EM P ER A T U R A P U N TO 3 ( °C ) HORA CONDENSADOR (3) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 68 índices de presión y temperaturas en las líneas del sistema como se muestran en las gráficas anteriores. Grafica 7. Temperatura ambiente vs Hora del lugar. En la Grafica 8 se representa la hora vs el consumo del compresor en Amperios; se puede identificar un alto consumo en el equipo en las horas del mediodía, debido a las altas presiones presentadas en las Grafica 1-Grafica 2 en la succión y descarga del compresor, en cambio un bajo consumo a la 6:00 am por las bajas presiones generadas a estas horas. Grafica 8. Hora vs consumo de compresor en Amperios. 23 27 33 37 38 30 24 00 05 10 15 20 25 30 35 40 45 6:00 a. m. 8:00 a. m. 10:00 a. m. 12:00 p. m. 2:00 p. m.4:00 p. m.6:00 p. m. TE M P ER A TU R A D E LU G A R (° C ) HORA LUGAR (4) 05 05 07 07 07 06 06 00 01 02 03 04 05 06 07 08 6:00 a. m. 8:00 a. m. 10:00 a. m. 12:00 p. m. 2:00 p. m. 4:00 p. m. 6:00 p. m. C O R R IE N TE C O M P R ES O R ( A ) HORA INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 69 4.2 Prueba de hipótesis Se realiza la prueba de hipótesis descrita en la sección 2.4 para evaluar si hay diferencia al tomar el dato a las 6:00 am o a otra hora diferente, para probar la hipótesis; la media de las diferencias es cero (la diferencia entre en el consumo del compresor tomado a las 6:00 am y el dato del consumo del compresor tomado a una hora diferente), como se observa en las ecuaciones (4.1) y (4.2) siendo “Z” el consumo del compresor. Ingresando los datos promedios de los 3 días del consumo del compresor en la Tabla 8. H0: Z = 0 (4.1) HA: Z ≠ 0 (4.2) Tabla 8. Resultado de tablas de prueba de hipótesis. Bloque (n) Hora Consumo compresor (A) Diferencia (A) 1 6:00 a. m. 4,97 Dato referencia 2 8:00 a. m. 5,27 0,30 3 10:00 a. m. 5,84 0,87 4 12:00 a. m. 6,74 1,77 5 2:00 p. m. 6,67 1,70 6 4:00 p. m. 6,13 1,16 7 6:00 p. m. 5,32 0,35 Medias 5,8 d̅ INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 70 Desviación estándar 0,70 𝑆𝑑 Sustituyendo los valores en la ecuación (2.5) obtenidos de la Tabla 8 se tiene los siguientes resultados: t0 = d̅ Sd/√n = 5,8 0.7/√7 = 21,92 (4.3) Bajo el supuesto de que H0 es verdadera, según la ecuación (2.3), se rechaza H0 si el valor absoluto del estadístico de prueba es mayor que el valor crítico de la distribución, es decir, Se rechaza H0 si |t0| > tα 2⁄ . (4.4) Recordando lo descrito en la sección 2.4, tα 2⁄ es el punto crítico de la distribución T de Student, donde los grados de libertad son n-1 y α es la significancia dada de la prueba (ver Tabla 14). En este proyecto se trabajó con α = 0,05, por tanto: |t0| > tα 2⁄ (4.5) |21,92| > 2,45 De acuerdo con lo anterior se deduce que la hipótesis de H0: Z = 0 se rechaza, ya que el dato de consumo obtenido a las 6:00 am es diferente a otro dato tomado en otra hora en el consumo del compresor. 4.3 Resultados del sistema con compresión isentrópica En esta sección se presenta un análisis en el compresor con eficiencia isentrópica igual a 1 (sin pérdida de calor, ni perdidas por fricción interna). En la Figura 35 se puede observar INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 71 que en la etapa 2 (Descarga del compresor), se ingresa con la variable presión y la entropía de la etapa 1 (Succión del compresor). Figura 35. Propiedades del sistema en el EES considerando compresión isentrópica. En la Figura 36 se ingresan las ecuaciones del balance exergético descritas en el numeral 2.5 con el fin de obtener el coeficiente de desempeño y demás variables del balance exergético, para así realizar una comparación con el sistema analizado inicialmente en un día en las diferentes horas. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 72 Figura 36. Ecuaciones en EES considerando compresión isentrópica. En la Figura 37 se puede identificar los resultados obtenidos de las ecuaciones ingresadas en el EES del día 5 de abril del 2019 a 12:00 m. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 73 Figura 37. Solución del EES considerando compresión isentrópica. La INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Tabla 9 muestra todos los resultados recopilados del balance en las diferentes horas del día 05 de abril del 2019 considerando que el compresor opera de manera isentrópica. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Tabla 9. Resultados para el dia 5 de abril considerando compresión isentrópica. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Como se puede observar en la Tabla 9 se obtiene una 𝑛𝐶 (eficiencia isentrópica) constante con un valor de 1. Por otra parte, se obtienen 𝐶𝑂𝑃 (coeficientes de desempeño) con un valor menor al del 𝐶𝑂𝑃𝑅𝑒𝑣 (coeficiente de desempeño reversible), por consiguiente la eficiencia de la segunda ley está por debajo de 1 (cercana al 30%). Para este análisis el valor del coeficiente de desempeño es en promedio de 2,4, acercándose al valor de 2,24 reportado por otros autores para una cámara de frío para la conservación de alimentos (Benavides & Polanco, 2013). 4.4 Resultados del sistema con compresión real Luego de la obtención de los datos para el caso isentrópico, se ingresan todos los datos que se obtuvieron en los 3 días, pero calculando para la entrada y salida del compresor las entalpías “h_1 y h_2”, entropías “s_1 y s_2” y calidad “x_1 y x_2" a partir de los datos medidos de presión y temperatura (puntos 1 y 2). Estos cálculos se realizaron para el día 29 de Marzo del 2019 a partir de los datos de la INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Tabla 5, para el día 05 de abril del 2019 a partir de los datos de la Tabla 6 y para el día 12 de abril del 2019 a partir de los datos de la Tabla 7. A la salida del condensador (punto 3) se utiliza la presión y temperatura para hallar entalpia “h_3”, entropía “s_3” y la calidad “x_3”. En la entrada del evaporador (punto 4) se utiliza la misma entalpía del punto 3 (proceso de expansión isentálpico) y la temperatura. Las ecuaciones utilizadas en el EES para determinar las propiedades en los cuatro puntos se observa en la Figura 38. Figura 38. Propiedades del sistema en el EES considerando compresión real. A partir de los anteriores resultados, se ingresan las ecuaciones descritas en la sección 2.5 en el programa EES como se observa en la Figura 39 para hallar el coeficiente de desempeño y otros resultados de interés del balance exergético del sistema de refrigeración como se observa en la Figura 40. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 39. Ecuaciones en EES considerando compresión real. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 40. Solución del EES considerando compresión real. Obtenidos todos los resultados del EES para los diferentes días y horas, se presentan a continuación en las Tablas 10 a 12. . INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Tabla 10. Resultados para el viernes 29 de marzo INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Tabla 11. Resultados para el viernes 5 de abril INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Tabla 12. Resultados para el viernes 12 de Abril INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Según los resultados que se tienen en las tablas anteriores se puede observar que la ηc (eficiencia isentrópica) es mayor a 1 en algunos casos. Este fenómeno se está presentando en este sistema debido a que la entalpia isentrópica en el punto 2 es mayor a la entalpia en el punto 2 (ℎ2𝑠 > ℎ2), lo cual indica que el compresor está experimentando una pérdida de calor a los alrededores. Esto también se confirma con el signo de negativo de la exergía en esta misma etapa. La menor tasa de destrucción de exergía total se presenta el día 5 de abril del 2019 a las 6:00 am con un valor de 0,007 kJ/s. Como se puede observar en las tablas de los resultados obtenidos, el 𝐶𝑂𝑃𝑅 más alto se encuentra el día 29 de marzo del 2019 a las 6:00 PM con un valor de 15,97. Este es un valor significativamente más alto que el promedio de 2,4 para el caso isentrópico, a tal punto que supera el valor del 𝐶𝑂𝑃𝑅𝑒𝑣, obteniendo como resultado la 𝑛𝐼𝐼 mayor que 1; por lo tanto se estaría violando la segunda ley de la termodinámica y es algo imposible teóricamente. Este fenómeno se debe a que el compresor está perdiendo calor debido a que las aletas del condensador están dirigiendo el flujo de aire forzado hacia el cuerpo del compresor. Como se había mencionado en el marco teórico, en algunos compresores se realiza este enfriamiento a propósito, con el fin de aumentar la eficiencia del equipo. Inicialmente se supuso, para realizar el análisis del balance de energía y exergía, que la transferencia de calor del compresor a los alrededores es insignificante, lo cual es una suposición común para esta clase de sistemas. Los resultados expuestos en esta sección muestran que ese no es el caso para la cava estudiada en este trabajo. Para analizar entonces el ciclo real, se recalcula el flujo másico con el valor del calor disipado en el compresor con la ecuación 2,9 del numeral 2.5, en las horas donde la eficiencia de la segunda ley dio como resultado mayor a 1. Para tal fin se estima el calor mínimo necesario que el compresor disipa para que la eficiencia de segunda ley sea menor a 1 y no se viole esta ley termodinámica. A continuación en la siguiente tabla se demuestran los resultados obtenidos para el día 29 de Marzo del 2019. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Tabla 13. Resultados del 29 de marzo de 2019 sin despreciar calor disipado por el compresor. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 De la anterior tabla se puede ver que las pérdidas de calor que debe experimentar el compresor para respetar la segunda ley oscilarían entre los valores de 0,2 y 0,72. De estos resultados se concluye que la pérdida de calor en el compresor influye en el cálculo de las eficiencias isentrópicas y la eficiencia de la segunda ley y que en este caso no debería despreciarse. Estas pérdidas generalmente no se consideran en los análisis de los ciclos de refrigeración y se desprecian en la mayoría de los estudios. 4.5 Propuesta de mejora La propuesta de mejora consiste en disminuir la temperatura del lugar donde se encuentra ubicada la unidad condensadora de la cava de conservación. Como se puede observar en la INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 Tabla 9, se obtiene el mejor resultado del 𝐶𝑂𝑃 a las 6:00 AM con un valor de 2,63 e igualmente el mejor índice de eficiencia energética con un valor 8,261 y una temperatura del lugar de 23° C como se puede observar en la Tabla 6. Este resultado se compara favorablemente con los resultados obtenidos en horas de la tarde donde el COP es en promedio de 2,22 y el índice de eficiencia energética en promedio de 6,98 con una temperatura que alcanza hasta los 39,8°C como se observa en la Tabla 6. Se puede concluir entonces que, manteniendo las condiciones del entorno en el lugar presentadas a las 6:00 AM, el sistema va a ser más eficiente energéticamente. Teniendo en cuenta que la temperatura máxima de la Ciudad de Medellín después del medio día oscila entre los 26°C y 28°C (Ideam, 2019) y comparando esta temperatura con la registrada en el lugar donde se encuentra ubicada la unidad condensadora de hasta 39,8 °C, presenta una diferencia de 12°C. Esta temperatura se puede disminuir e igualar a la máxima de la ciudad presentada posterior al medio día, instalando ventiladores de hélice los cuales son dispositivos de movimiento de aire en el que el flujo de aire es paralelo o axial al eje en el que se monta la hélice (Figura 41). Estos ventiladores tienen una buena eficiencia cerca del suministro de aire libre y se usan principalmente en aplicaciones de baja presión estática (SP) y alto volumen. A medida que aumenta la SP, los HP requeridos aumentan y los CFMs disminuyen. Por lo general, se monta en un Venturi, anillo u otra carcasa de construcción simple y bajo costo. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 41. Ventilador de hélice axial (Dayton, 2005). Los equipos se instalarían en las paredes que se encuentran totalmente libres del lugar (ver Figura 43) y con sus respectivas rejillas de admisión como se puede observar en la Figura 42; para reemplazar el aire y de esta manera baje los índices de temperatura después del mediodía. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 Figura 42. Instalación del sistema de extracción (Dayton, 2005) Figura 43. Lugar donde se encuentra unidad condensadora. Una vez que se conoce el tipo de ventilador, se debe determinar la cantidad de aire intercambiado (CFM). Para una ventilación apropiada se debe utilizar una “tasa de cambio de aire” que ventile adecuadamente las áreas de los condensadores (Dayton, 2005). Con esta información es posible calcular los CFM que deben suministrar los ventiladores: 𝐶𝐹𝑀 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑎𝑟𝑡𝑜 𝑎 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑟 (𝑓𝑡3) 𝑀𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠/𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 (4.6) Donde: INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑎𝑟𝑡𝑜 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 ∗ 𝐴𝑙𝑡𝑜 ∗ 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 (4.7) Este volumen se calcula por medio del software DesignModeler de ANSYS como se puede observar en la Figura 44, obteniendo un resultado de 1427,3 𝑚3, lo que corresponde a 50404,62 𝑓𝑡3. Figura 44. Área donde están ubicadas las unidades condensadoras. Para determinar la tasa de cambio de aire se puede utilizar la Tabla 15 que se encuentra en el apéndice. Es importante considerar la ubicación geográfica y el nivel de servicio promedio del área. Para climas como el de Medellín y para un uso del área más pesado que lo normal, se debe seleccionar un número bajo en el rango para cambiar el aire más rápidamente. Sin embargo, en condiciones extremas se pueden requerir de "Minutos por cambio" fuera del rango recomendado. En este trabajo se utiliza los factores INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 96 recomendados para una sala de máquinas (Engine Room) el cual corresponde a un rango de 1-3 minutos/cambio y se elige un valor intermedio de 2. Por tanto los ventiladores deben entregar los siguientes CFMs: 𝐶𝐹𝑀 = 50404,62 2 = 25201,31 𝐶𝐹𝑀 (4.8) Posterior a obtener la cantidad de CFM, se procede a decidir la referencia del ventilador ideal de acuerdo a la necesidad, según la Tabla 16 en el apéndice. Para elegir la dimensión del ventilador, se debe tener en cuenta la caída de presión admisible en pulgadas de agua manométrica que el ventilador es capaz de superar. Para las instalaciones donde no se tiene ducto, el rango está entre 0,05” a 0,20” (Dayton, 2005), como se puede ver en l