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Estudio y Optimización de una Máquina Frigorífica
Tutor: Ángel Jiménez Álvaro
Javier Fernández Sánchez
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
(UPM)
Trabajo de Fin de Grado
Estructura del documento
Este documento consta de dos partes pues se desarrolló en el Instituto Nacional Politécnico
de Grenoble (Institut National Polytechnique de Grenoble), siendo a su vez supervisado por
la ETSII.
La primera parte del documento, redactada en castellano, consta de un resumen ejecutivo y
de un segundo resumen más extenso, requerido al haberse realizado durante un programa
Erasmus +. En este resumen se incluyen los requerimientos adicionales exigidos por la ETSII.
La segunda parte se corresponde con el documento entregado en la universidad francesa en
a modo de Projet Fin d’Étude.
Agradecimientos
A mi familia por haberme acompañado desde el principio, en los buenos y sobretodo en los
malos momentos. Sus ánimos han sido de valor incalculable.
A todas mis amigos por saber estar cuando no todo el mundo sabe.
A todo el profesorado que hace posible que salgamos adelante.
A mis tres tutores, Ángel, Jean-Paul y Jérôme, por su tiempo y sus ganas de ayudar.
I
I. Resumen
El mercado del frio industrial está globalmente extendido y tiene multitud de aplicaciones,
desde aplicaciones de uso cotidiano –aclimatación de objetos o espacios concretos como
neveras o motores de combustión- hasta otras realmente complejas en sectores de tecnología
punta –refrigeración de grandes instalaciones de generación de energía como centrales
nucleares-. Cualquier instalación de frio industrial tiene como objetivo extraer calor de un
entorno (foco caliente) para enfriarlo o refrigerarlo bien por cuestiones de mantenimiento o de
seguridad, o bien simplemente porqué se desea mantener dicho entorno por debajo de cierta
temperatura. Este calor extraído será transportado a otro medio o entorno (foco frío).
En el presente trabajo se analiza una instalación de frío industrial que tiene como objetivo la
formación de nieve artificial a partir de agua dulce. En este caso el medio que se desea enfriar
es este agua dulce de la cual se extraerá un calor, concretamente el calor latente de
solidificación del agua, mediante un intercambiador de calor llamado cristalizador que trabaja
con agua salada como fluido refrigerante, la cual realiza la función de foco frío.
Ilustración 1: intercambio de calor en el cristalizador
Aunque el intercambio de calor representado en la imagen anterior es el principal del sistema,
pues el objetivo del sistema es formar nieve artificialmente, no es el único. Se producen
exactamente tres intercambios de calor entre cuatro medios, más precisamente cuatro fluidos.
Estos cuatro fluidos son:
1. Agua dulce que cristaliza en nieve
2. Agua salada que hace de fluido caloportador en el intercambio de calor principal. Este
fluido es al que más espacio se le dedica en el trabajo pues además de ser el fluido
refrigerante en el cristalizador, forma parte de un ciclo de evaporación-compresión-
condensación.
3. Agua con glicol (agua glicolada desde aquí en adelante) que refrigera la condensación
del ciclo de evaporación-compresión-condensación nombrado en el anterior punto.
4. Aire tomado del exterior que enfría el agua glicolada.
II
Ilustración 2: intercambios de calor
Gran parte del trabajo trata sobre la explicación del bucle que sufre el agua salada, pues como
se ha dicho este fluido forma parte de un ciclo termodinámico. Podría decirse que es la parte
central del proyecto. La instalación consta de los elementos pertinentes para reproducir este
ciclo: evaporador, compresor, condensador y válvula de laminación, se trata de una
refrigeración por compresión.
La refrigeración por compresión se basa en el aprovechamiento de las propiedades de ciertos
fluidos, llamados refrigerantes o fluidos frigorígeno, de las cuales, la principal para este
proceso, es que su temperatura de vaporización a presión atmosférica es extremadamente
baja.
Supuesto un refrigerante con esas características en un circuito frigorífico como el de esta
instalación, se eleva su presión y temperatura, mediante un compresor en un proceso
isentrópico, hasta alcanzar la presión de condensación. En esas condiciones el fluido
atraviesa el condensador mientras intercambia calor con el medio exterior. Como
consecuencia de la cesión de calor se produce la condensación del fluido, que sale del
condensador y alcanza la válvula de expansión totalmente en estado líquido. Esta última parte
del proceso, se puede considerar isotérmica, ya que no varía la temperatura durante el cambio
de estado. El tramo del circuito comprendido entre el compresor y la válvula de expansión, se
conoce como lado de alta o zona de alta presión.
El dispositivo de expansión provoca una caída repentina de la presión y la temperatura sin
intercambio de calor, por lo que esta parte del proceso se puede considerar, idealmente, como
una transformación adiabática o isoentálpica. El fluido todavía en estado líquido y a la presión
de vaporización penetra en el evaporador, intercambiador de calor ubicado en el medio que
se pretende enfriar, del cual absorbe la energía térmica correspondiente al calor latente de
vaporización, de forma que el fluido sale del evaporador completamente en estado de vapor.
La transformación se puede considerar isotérmica por la misma razón que se dio en el
condensador. El tramo del circuito desde la válvula de expansión hasta el compresor se
conoce como lado de baja o zona de baja presión. A continuación, el vapor es aspirado por el
compresor para iniciar de nuevo el ciclo.
En el ciclo de refrigeración ideal, en los balances de energía del equipo, se desprecia cualquier
pérdida o ganancia de calor en las tuberías, considerando que los únicos intercambios de
calor que se producen en el sistema, ocurren en el evaporador y en el condensador. Sin
III
embargo, en el ciclo real el fluido refrigerante sufre una ligera caída de presión y temperatura
debido a las perdidas por fricción, sobre todo en evaporador y condensador y en las
restricciones de las válvulas de admisión y de escape. Esto hace que el ciclo real resulte
ligeramente distorsionado respecto del ciclo ideal sin pérdidas.
Ilustración 3: diagrama presión-entalpía de un ciclo frigorífico
Palabras clave:
- Intercambio de calor
- Fluido refrigerante
- Ciclo termodinámico de refrigeración por compresión
- Evaporador
- Condensador
- Compresor
- Laminación
IV
V
Índice general
I. Resumen ..................................................................................................................... I
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................1
1.1 Concepto de “stage” .............................................................................................1
1.2 Contexto ...............................................................................................................1
1.3 Entorno laboral: asociación Alpinov X-LEGI ..........................................................1
1.4 Proyecto Snowfarm X ...........................................................................................3
1.5 Nieve natural ........................................................................................................5
1.6 Cañones de nieve artificial ....................................................................................6
1.7 Condiciones adecuadas de la nieve......................................................................7
2. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO ......................................................................9
3. METODOLOGÍA............................................................................................................11
3.1 Ciclo termodinámico frigorífico ............................................................................12
3.2 Instalación ..........................................................................................................14
4. RESULTADOS ..............................................................................................................17
4.1 Cristalizador ........................................................................................................17
4.2 Evaporador .........................................................................................................19
4.3 Etapa de compresión ..........................................................................................25
4.4 Condensador ......................................................................................................27
4.5 Retorno de condensados ....................................................................................30
5. CONCLUSIONES..........................................................................................................31
5.1 Datos numéricos .................................................................................................31
5.2 Coeficiente de rendimiento .................................................................................32
5.3 Salmuera ............................................................................................................33
6. IMPACTO SOCIAL Y AMBIENTAL................................................................................35
7. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO .......................................................37
7.1 Planificación temporal .........................................................................................37
7.2 Presupuesto .......................................................................................................38
8. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................39
9. NOTACION UTILIZADA ................................................................................................39
10. ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Y TABLAS .................................................................41
10.1 Índice de ilustraciones ........................................................................................41
10.2 Índice de tablas...................................................................................................41
VI
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Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Concepto de “stage”
Se ha considerado oportuno situar brevemente al lector antes de comenzar con la explicación
del trabajo como tal, cómo se originó este trabajo pues hay varios aspectos que deben ser
conocidos para comprenderlo globalmente.
Las escuelas de ingeniería en Francia exigen a sus alumnos realizar un periodo de prácticas
laborales antes de obtener el diploma, este periodo es llamado “stage”. Suele ser realizado
durante el segundo semestre, normalmente tiene una duración de entre 4 y 6 meses, del
último año académico y ha de guardar relación con los estudios que se estén realizando. Al
finalizar el periodo de trabajo el alumno debe realizar una memoria y una exposición sobre
este en la escuela ante un jurado que le evaluará. Todo este proceso se conoce como “Projet
Fin d’Études”, se puede decir que equivale al Trabajo de Fin de Grado que se realiza en
España.
Este “stage” debe ser efectuado en el seno de una empresa, sociedad o laboratorio. Se
redacta un contrato, denominado “convention de stage”, entre el alumno, la empresa y la
universidad para establecer todos los términos necesarios.
1.2 Contexto
El proyecto en cuestión se realizó a modo de “Projet Fin d’Études” para la escuela École
Nationale Supérieure de l'Énergie, l'Eau et l'Environnement (ENSE3) de la universidad Institut
National Polytechnique de Grenoble (INP) en la ciudad francesa de Grenoble entre los meses
de febrero y junio del año 2018.
Desde mediados del siglo XIX la ciudad de Grenoble se ha caracterizado por su gran
involucración en la investigación científica y en la alta tecnología. Hoy en día cuenta con
multitud de organismos de investigación tanto nacionales como internacionales además de
los numerosos laboratorios de investigación asociadas a las universidades y al INP.
Grenoble es una ciudad situada al sureste de Francia, en la región Auvernia-Ródano-Alpes,
capital del departamento de Isère. Se encuentra junto a la cadena montañosa de los Alpes, lo
cual afecta fuertemente a la cultura de la ciudad, tanto que de hecho la ciudad es conocida
coloquialmente como la capital de los Alpes franceses.
Esta cultura de montaña es la causante de que los deportes de montaña y nieve sean muy
practicados en los alrededores de la ciudad y se invierta una gran cantidad de tiempo y dinero
en mejorar las condiciones y calidad de estos.
1.3 Entorno laboral: asociación Alpinov X-LEGI
Este proyecto es fruto de una colaboración entre dos sociedades: la empresa AlpinovX y el
laboratorio “Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels” (LEGI).
2
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
INTRODUCCIÓN
Alpinov X es una empresa creada en mayo de 2017 por tres ingenieros franceses con la
ambición de irrumpir en el mercado de la nieve artificial de la mano de un novedoso sistema
para la creación de esta. La start-up tiene sede en la ciudad de Grenoble, que como se
comentó anteriormente es una ciudad en la que este mercado tiene una gran relevancia, cada
vez tiene una mayor importancia en el panorama de los deportes de nieve. De hecho la
empresa colabora con 2 estaciones cercanas a la ciudad, Chamrousse y Villard de Lans, a
modo de patrocinadores de sus productos.
El LEGI es un laboratorio de investigación público de la Comunidad Universitaria de Grenoble-
Alpes. Es una Unidad de Investigación Conjunta (“Unité Mixte de Recherche”, UMR 5519)
compartida por el Centro Nacional de Investigación Científica (“Centre Nationale de la
Recherche Scientifique”, CNRS), la Universidad de Grenoble Alpes (UGA) y el Institut National
Polytechnique (Grenoble-INP), que reúne a más 150 personas, incluyendo 60 estudiantes
permanentes.
Las principales actividades de investigación llevadas a cabo en el LEGI pertenecen al campo
de la mecánica de fluidos y la transferencia de calor. Estas investigaciones se basan en una
combinación de enfoques metodológicos que aúnan el modelado, la experimentación
(cuentan con más de 40 bancos experimentales), simulación numérica de alto rendimiento
(máquinas de computación en paralelo) y el desarrollo de innovadores instrumentos de
medición. Estas actividades están vinculadas a un gran número de campos de aplicación
relacionados con cuestiones medioambientales e industriales.
Fundamentalmente los temas de investigación del laboratorio son:
• Dinámica de flujos turbulentos.
• Dinámica de fluidos geofísicos.
• Dinámica de flujos con acoplamientos hidrodinámicos.
El primer paso del proyecto, dado por Alpinov X, es un demostrador a pequeña escala con el
que se comprueba que el sistema ideado cumple las expectativas y se forma nieve trabajando
con agua como fluido caloportador y teniendo una temperatura exterior no negativa.
Es tras este pequeño éxito cuando Alpinov X decide asociarse con el LEGI con le idea de
verdaderamente llevar a cabo el proyecto.
Tras este pequeño éxito se comienza a diseñar y construir el segundo demostrador ya a gran
escala. Este demostrador se prueba en la estación de esquí Villard de Lans.
Ilustración 5: símbolo de Alpinov X Ilustración 4: símbolo del LEGI
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Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
1.4 Proyecto Snowfarm X
El objetivo del proyecto Snowfarm X es la creación de la nieve artificial. Como se explicará
posteriormente, este objetivo no es nada novedoso pues actualmente ya existen cantidad de
dispositivos capaces de crear nieve artificialmente a partir de agua y aire. La principal
aportación que propone Alpinov X es la independencia del medio ambiente y sus condiciones,
es decir, poder producir nieve sean cuales sean las condiciones de temperatura y humedad
del exterior. Esta independencia puede tener un valor incalculable pues la mayoría de
sistemas existentes precisan de una temperatura exterior muy fría para poder trabajar.
El proyecto Snowfarm X ofrece 8 principales ventajas en comparación con los sistemas
tradicionales de fabricación de nieve:
1. Producción no dependiente del clima exterior: posibilidad de trabajar tanto a temperaturas
por debajo de 0° C como por encima.
2. Consumo de energía optimizado: entre 3 y 5 veces mejor que los fabricantes de nieve
comparables.
3. Valorización del 100% del agua utilizada: entre el 40 y el 50% del agua tomada por los
fabricantes de nieve tradicionales, cañones de nieve, no se encuentra en la pista una vez que
se genera la nieve, pues gran parte de ella se pierde.
4. Integración en el entorno del sitio de despliegue: vestimenta adaptada y discreción de
operación.
5. Uso de las redes de agua y electricidad existentes: no existe la necesidad de construir
nuevas infraestructuras.
6. Movilidad para uso plural: posibilidad de tratar diferentes zonas de una sola estación.
7. Producción de nieve cualitativa en grandes volúmenes: para una óptima explotación de la
nieve.
8. Operación remota para una mejor flexibilidad de operación.
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INTRODUCCIÓN
Ilustración 6: cartel publicitario del Snowfarm X
El demostrador trabaja con un ciclo termodinámico evaporación-compresión-condensación.
La gran novedad física en el proyecto es el uso del agua como fluido termodinámico a la hora
realizar este ciclo, que tiene como objetivo enfriar otro circuito de agua, el del cristalizador,
para congelarla y formar la nieve.
Ilustración 7: esquema sinóptico del ciclo termodinámico
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Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
La decisión de utilizar agua como fluido acarrea ventajas y desventajas respecto a otros fluidos
típicamente usados. Aunque el amoníaco tenga unas excelentes propiedades térmicas que lo
hacen ser un refrigerante ideal, es tóxico, algo inflamable y explosivo bajo ciertas condiciones.
El punto a favor de utilizar agua como fluido termodinámico son sus buenas cualidades
térmicas: su alto calor específico y su elevado calor latente de evaporización. Esto
reduce notablemente el caudal de agua que hay que usar.
Tabla 1: propiedades térmicas de distintos refrigerantes
Refrigerante Calor específico (J/Kg*K)
Calor latente de vaporización(KJ/Kg)
Agua 4.186 2.257
Amoniaco 4.700 1.369
R22 1.227 182
Sin embargo, al querer absorber calor de un sistema que está a 0 °C, el agua como
fluido refrigerante debe estar por debajo de dicha temperatura y su evaporación
(fenómeno físico que permite la absorción del calor en forma de calor latente de
evaporización) solo se producirá si la presión es lo suficientemente baja debido a sus
propiedades de saturación. Por ejemplo la presión de saturación correspondiente a
una temperatura de 0 °C es de 6 milibares. Esta es la causa de que se utilice una
bomba de vacío para conseguir una presión de esa magnitud en el interior del
evaporador.
En la ilustración 7 el bucle superior representa el ciclo termodinámico que sufre el agua y el
inferior hace referencia al bucle donde se produce realmente el intercambio de calor entre el
ciclo y el cristalizador para la formación de la nieve.
1.5 Nieve natural
El clima en el continente europeo está determinado por el choque casi permanente de masas
de aire caliente y masas de aire frío. Cuando dos masas de aire de diferente origen y
temperatura se encuentran, no pueden mezclarse. Se repelen mutuamente. De ahí surgen
perturbaciones climatológicas que pueden dar lugar a las precipitaciones que conocemos.
Cuanto más fría es una masa de aire, menos vapor de agua en estado gaseoso puede
contener. Al enfriarse una masa de aire húmedo, el exceso de vapor de agua que queda se
condensa en forma de gotas de agua formándose así las nubes. Estas gotas pueden
permanecer en estado líquido incluso a temperaturas inferiores a 0 ° C, fenómeno que es
conocido como la subenfriamiento. Si este subenfriamiento continúa hasta los -12 ° C
aproximadamente, las gotas se congelan espontáneamente alrededor de pequeñas partículas
sólidas, que actúan como núcleos de congelación.
Se podría decir que para que se formen los primeros cristales de hielo deben darse las
siguientes tres condiciones:
i. bajas temperaturas (por debajo 0 ° C);
ii. la presencia de vapor de agua;
iii. la presencia de pequeñas partículas sólidas volátiles que harán (polvo, arena,
ceniza, polen etc...) de núcleos de congelación.
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INTRODUCCIÓN
De esta manera nacen los cristales de hielo que pueden dar origen a la nieve si las
condiciones de temperatura en la precipitación son las adecuadas. Estos primeros cristales
pueden ir aumentando su tamaño por entrar en contacto con más vapor de agua y este
condensarse, o directamente capturando otras gotitas de agua cuya temperatura este entre
0ºC y -12ºC. Al alcanzar cierto peso, cuando pasan ya a llamarse copos de nieve, comienzan
a descender hasta la superficie terrestre. Estos copos de nieve solamente conservarán su
estado sólido de copo de nieve si las temperaturas a las que son sometidos durante su caída
no son lo suficientemente elevadas como para derretirlos y que pasen a ser simplemente
gotas de lluvia o agua-nieve. Esta última condición es la causante de que en grandes ciudades
con multitud de personas, vehículos, edificios que no cesan de emitir calor al medio ambiente
y en consecuencia aumentar la temperatura, sea menos frecuente la nieve que en lugares
más aislados y menos explotados ( industrialmente hablando) como puede ser la montaña.
1.6 Cañones de nieve artificial
La creación de la nieve artificial no es nada novedoso hoy en día, pero si es algo que comenzó
a investigarse recientemente. Lleva siendo estudiado desde finales de los años 50 del siglo
XX. Los primeros cañones de nieve (método más utilizado, que se explicara a continuación)
datan de 1973, fueron desarrollados por investigadores norteamericanos.
El funcionamiento de un cañón de nieve se basa en mezclar aire a alta presión y agua a baja
temperatura. La mayor parte de los cañones son los llamados de alta presión: los hay de entre
6 y 10 metros de altura y están fijos sobre el terreno. Los de baja presión pueden moverse y
son más productivos, pero consumen más energía. Según el modelo son capaces de producir
entre 8 y 14 metros cúbicos de nieve por hora.
Las estaciones de esquí extraen el agua de algún río o embalse cercano, bien natural o
artificial. Para ello deben contar con una compleja y costosa infraestructura de cañerías que
acerque dicha agua hasta las instalaciones de esquí gracias al trabajo de unas potentes
bombas extractoras, y de grandes grupos de compresión para cambiar las condiciones del
aire a las adecuadas.
El sistema de cañerías distribuye el agua por todos los cañones de la estación y es en cada
cañón donde se mezcla con el aire comprimido.
Para la compresión del aire existen dos distintos tipos de instalaciones:
a. IN SITU: cada cañón cuenta con un compresor diferente encargado de tomar el aire
del ambiente y ponerlo a punto para la consiguiente mezcla con el agua.
b. Compresión central: existe una gran planta central donde se comprime todo el aire
necesario para alimentar a toda la estación. El aire comprimido es bombeado por unas
tuberías paralelas a las de agua hasta cada cañón. De esta manera se ahorran costes
en compresores pero son necesarias las bombas para el transporte del aire ya
comprimido y evitar una fuerte pérdida de carga durante este.
El aire no tiene que ser únicamente comprimido, también debe ser enfriado y sobre todo se le
debe extraer la humedad.
Aire y agua se mezclan inmediatamente después de haber sido expulsados simultáneamente
pero por separado por diferentes propulsores activados por el sistema de control que pilote el
cañón.
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Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
De esta manera aire y agua confluyen a la salida del cañón. Eso sí, para poder generar esta
nieve se necesita una temperatura exterior próxima a los ceros grados. Hoy en día la
infraestructura en su conjunto se pone en marcha cuando las condiciones meteorológicas,
tanto de temperatura como de humedad, son las adecuadas para la creación de la nieve. El
proceso es muy costoso para la estación y no garantiza grandes cantidades de nieve, pero sí
permite que haya una cantidad suficiente como para esquiar sobre ella.
1.7 Condiciones adecuadas de la nieve
Al formar nieve artificialmente básicamente se imita, se trata de imitar, lo que ocurre en la
naturaleza. Si a miles de metros de altura en la atmosfera el copo se forma a partir de una
partícula de agua, en el sistema de cañones se reproduce algo similar: se genera una partícula
de hielo sobre la que impacta el agua ayudada por el aire, y se crea un copo. Cuanto más frío
hace (siempre por debajo de cero) y menos humedad hay en el ambiente, más calidad tiene
la nieve producida y más eficaz es el sistema.
Efectivamente, se puede producir nieve de diferentes calidades. Cuanta más agua se emplee
en la mezcla, más pesada resultará y más se engancharán las tablas de esquiar al pasar
sobre ella. No se utilizan aditivos ni sustancias químicas durante el proceso a pesar de lo que
suele creerse, de modo que el producto es completamente natural.
Aun así, las asociaciones ecologistas critican estas instalaciones por el uso del agua y el
impacto visual de no solo los cañones sino de toda la infraestructura necesaria.
Sin duda alguna, nada hay comparable a la nieve que cae del cielo: lo natural siempre mejor.
El copo, en forma de estrella, es más ligero, tiene mucho aire y poca agua, así es poco denso.
Cuando se acumula en la montaña da lugar a la deseada nieve polvo sobre la que el esquiador
se desliza con la máxima facilidad experimentando las mejores sensaciones de este deporte.
El copo artificial sin embargo tiene forma esférica, tiene más agua y menos aire por lo que es
más denso que el natural. Si el esquiador pasa sobre esa nieve recién sedimentada notará
que sus esquís tienden a engancharse más, podríamos decir que no es tan suave y deslizante.
Entre uno y otro tipo de nieve son evidentes las diferencias cuando ambas conviven sobre la
pista.
Lo ideal es dejar “secar” la nieve producida alrededor de un día sobre la montaña; durante
ese tiempo se acaba de enfriar y el agua líquida sobrante se congela, así se consigue un
porcentaje de humedad menor acercándose más a las condiciones de la nieve natural. En
estas condiciones, y con el trabajo de las máquinas, la diferencia es prácticamente
imperceptible respecto con la natural.
Una de las ventajas que posee la nieve artificial es que una vez depositada en el suelo, dura
más tiempo y no necesita ser compactada con tanta intensidad para que aguante el paso de
los esquiadores debido, precisamente, a su mayor densidad. A cambio hay que trabajar más
para distribuirla de manera uniforme por la estación.
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Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
INTRODUCCIÓN
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Estudio y optimización de una máquina frigorífica
2. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO
El objetivo del presente trabajo es explicar en qué consiste el proyecto Snowfarm X en que el
alumno trabajó y especialmente en exponer cuales fueron las funciones principales del
alumno.
Inicialmente las metas impuestas fueron las siguientes:
Desarrollar una metodología para simular todo el proceso y sus diferentes elementos:
evaporador, compresor, condensador, cristalizador...
Establecer vínculos entre la arquitectura del sistema y el modelado físico-químico.
Proponer una herramienta de dimensionamiento para la optimización del proceso.
Aunque estos ambiciosos objetivos fueron propuestos como primera aproximación por Alpinov
X, estaban sujetos a posibles cambios o imprevistos según avanzase el proyecto.
El lector debe comprender que el alumno tenía cierto grado de libertad en cuanto a su modo
de trabajo pero siempre estaba bajo supervisión de Alpinov X y el LEGI, por lo que hay ciertas
partes del proyecto Snowfarm X que no fueron analizadas por este simplemente por la toma
de decisiones de ambas sociedades. Concretamente los elementos del sistema a los que se
dedicaron gran parte del tiempo de trabajo fueron:
Cristalizador
Evaporador
Condensador
Sin embargo hay otros muchos elementos del sistema que a pesar de no ser estudiados deben
ser nombrados y explicados brevemente para la adecuada comprensión global del sistema.
Se está haciendo referencia fundamentalmente a las etapas de compresión y expansión,
llevadas a cabo por un compresor y una válvula de laminación. También existen multitud de
elementos secundarios como bombas, válvulas de control, ventilador de aire que aunque sean
de menor importancia que los ya citados resultan imprescindibles para el correcto
funcionamiento del sistema.
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OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO
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Estudio y optimización de una máquina frigorífica
3. METODOLOGÍA
El proyecto Snowfarm X no es sencillo, une una serie de complejos elementos con un único
fin por lo que cada elemento debe poder ser tratado aisladamente como elemento
independiente con su particular función y como una parte de un todo, como un eslabón más
de la cadena que ha de funcionar en conformidad. Se habla de una cadena pues el flujo de
datos y variables recorre el sistema en una sola dirección y sentido, por lo que las variables
de salida de un elemento serán las variables de entrada del próximo.
Este es el motivo por el que se decide, una vez comprendida la totalidad del sistema, estudiar
cada componente del sistema por separado como si de un sistema de bloques independientes
se tratase para más tarde unirlos.
Físicamente hablando, las variables y datos que se nombraban son los caudales, potencias,
temperaturas y presiones, y los nexos de unión entre cada componente son las ecuaciones y
balances másicos y térmicos que definen el proceso llevado a cabo en cada caso. En cuanto
al sentido de qué es entrada y qué es salida se ha seguido el mismo que lleva el agua en el
ciclo termodinámico. Las dobles flechas hacen referencia a un intercambio de calor entre dos
fluidos.
Ilustración 8: diagrama de bloques del sistema
El útil informático que se utiliza para realizar todos los cálculos es el programa Excel del Pack
Office Microsoft, por lo que introducirán ciertas capturas de pantallas de las hojas de cálculo
utilizadas para facilitar la comprensión del tema en cuestión.
Una vez comprendido el sistema globalmente y aclarado el método de trabajo seguido se
procede a la explicación del sistema y sus diferentes componentes.
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METODOLOGÍA
3.1 Ciclo termodinámico frigorífico
Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos en los que
un sistema parte de una situación inicial y tras aplicar dichos procesos regrese al estado inicial.
Como procesos termodinámicos se conoce a la variación de las propiedades termodinámicas
del sistema (presión, entropía, volumen, entalpía y temperatura) desde un estado inicial a un
estado final.
Al realizar un ciclo completo, la variación de la energía interna debe ser nula por lo tanto el
calor transferido por el sistema debe de ser igual al trabajo realizado por el sistema como dicta
el primer principio de la termodinámica. Lo importante es que gracias a esta propiedad se
puede obtener trabajo de un sistema mediante un aporte calorífico. Si el rendimiento fuese
perfecto todo el calor que se suministra se podría transformar en trabajo, pero esto no es así
ya que siempre hay pérdidas de calor.
El ciclo termodinámico que tiene lugar en la instalación es un ciclo básico de evaporación-
compresión-condensación-expansión donde el fluido en estado líquido se corresponde con
agua salada y en estado gaseoso con vapor de agua.
Existen dos presiones en el ciclo básico de refrigeración por compresión o ciclo frigorífico: la
de evaporación o baja presión y la de condensación o alta presión. El fluido refrigerante actúa
como medio de transporte para mover el calor del evaporador al condensador, donde dicho
calor es despedido a la atmósfera, si se trata de un ciclo refrigerado por aire tomado del
exterior, o al fluido de enfriamiento, en el caso de sistemas enfriados por otro fluido. Un cambio
de estado líquido a vapor, y viceversa, permite al refrigerante absorber y descargar grandes
cantidades de calor de forma eficiente.
Ilustración 9: diagrama presión-entalpía
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Estudio y optimización de una máquina frigorífica
Tabla 2: estados de referencia
1 Líquido subenfriado pevap
2 Líquido saturado pevap 3 Vapor saturado pevap 4 Vapor recalentado pevap 5 Vapor comprimido pcond 6 Líquido condensado pcond
Grosso modo, el circuito podría resumirse así:
1. El calor que se desea evacuar pasa del correspondiente medio (en el caso de esta
instalación este medio se corresponde con el agua dulce que se quiere congelar) al
fluido refrigerante (agua salada) alojado en el evaporador, donde este se evapora por
efecto de tal calor.
2. Una vez formado el vapor, este es conducido hacia el compresor para elevar su
presión hasta la alta presión o presión de condensación.
3. La válvula de descarga post-compresión bombea este vapor hacia el condensador
donde volverá a estado líquido por entrar en contacto con otro fluido refrigerante que
absorbe el calor para evacuarlo definitivamente al exterior.
4. Finalmente los condensados se recirculan de nuevo hacia el evaporador pasando por
una válvula de laminación para que su presión sea la adecuada.
Haciendo referencia a los diferentes componentes del sistema, los estados de referencia
quedarían representado de esta manera
Ilustración 10: esquema sinóptico con estados de referencia
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METODOLOGÍA
3.2 Instalación
En este apartado se hace referencia a la instalación del sistema, a los componentes en sí. Se
desea explicar la disposición de los diferentes componentes para que el lector comprenda
donde tiene lugar cada etapa del ciclo.
La ilustración 11 es un esquema del diseño de la instalación, tanto de sus componentes que
forman parte del ciclo termodinámico como aquellos, que aunque no sean estrictamente parte
del ciclo, también son necesarios para el correcto funcionamiento. Podemos diferenciar varios
componentes que a continuación serán nombrados brevemente, pero más adelante se
explicarán en detalle.
- En el interior de la gran cuba metálica se alojan el evaporador y el condensador;
- los anteriores dos elementos están conectados por el grupo turbocompresor que se puede
ver a la derecha con dos etapas claramente diferenciadas: la primera de ellas son dos
compresores en paralelo y la segunda uno en serie;
- El elemento blanco de la izquierda es donde está el ventilador que toma aire del exterior y
refrigera el agua glicolada que recorre el interior del condensador.
Ilustración 11: diseño 3D de la instalación
Para una mejor comprensión de la instalación se adjunta una simplificación en dos
dimensiones de su diseño y la localización física de los estados de referencia. Se pueden
distinguir tres bucles diferentes:
Bucle cristalizador-evaporador (color azul en la ilustración 10): lo realiza el agua salada
entre el evaporador y el cristalizador. El fluido sale del evaporador la temperatura T2,
recorre el cristalizador como se explicará más adelante, y vuelve al evaporador a la
temperatura T2’ aportándole a este el calor extraído del cristalizador.
15
Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
Bucle central: es el ciclo termodinámico representado en la ilustración 9. El estado de
referencia número 2 se corresponde con el agua salada alojada en el interior del
evaporador, la cual se evapora debido al calor aportado por el caudal del bucle
cristalizador. Una vez formado (estado de referencia 3), el vapor de agua pasa al grupo
de compresión (color verde en la ilustración 9, estado de referencia 5) hasta la pcond
para a continuación entrar al condensador y volver a estado líquido (estado de
referencia 6). El ciclo se cierra a través del sistema de “retorno de condensados” (color
negro en la ilustración 9), que conecta el depósito del condensador con el evaporador.
En este sistema se hallan la válvula de laminación y una bomba para impulsar el
caudal.
Bucle de agua glicolada (color rojo en la ilustración 9): es el fluido refrigerante del
condensador, que a su vez es refrigerado por un ventilador que trabaja con aire tomado
del ambiente.
Ilustración 12: esquema 2D diseño instalación
16
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METODOLOGÍA
17
Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
4. RESULTADOS
A continuación se explicará detenidamente cada elemento del sistema, aunque como se ha
comentado en varias ocasiones hay varios de estos elementos en los que no se hace mucha
profundidad debido al alcance del trabajo.
4.1 Cristalizador
Se podría decir que el cristalizador es el componente más importante de toda la instalación,
es en el que verdaderamente se forma la nieve. Es el elemento para el que el resto de
componentes están pensados.
En el interior del cristalizador se lleva a cabo un intercambio de calor entre dos fluidos: entre
el agua dulce que es tomada del exterior para que solidifique en hielo, y el agua salada (más
adelante se explicará la causa de que sea agua salada) procedente del evaporador.
Lógicamente es el agua dulce la que se va a enfriar y el agua salada la que se calentará.
El evaporador en si es un cilindro de 706 mm de diámetro y 800 mm de altura que pone en
contacto ambos fluidos. Está hecho de un acero comercial, pero fue bañado en zinc para
galvanizarlo y evitar la corrosión debida al agua salada. Mientras el agua dulce atraviesa
longitudinalmente de base a base el cilindro, para que la superficie de contacto sea la mayor
posible el cristalizador consta de dos circuitos con forma de espiral que recorren en varias
ocasiones el contorno de la base a medida que suben por la cara lateral.
Por lo tanto el agua salada sale del evaporador a la temperatura a la que este esté, llega hasta
el cristalizador gracias a una bomba situada entre ambos elementos, recorre los dos circuitos
en paralelo con forma de espiral, mientras enfría el agua dulce, y vuelve al evaporador
obviamente más caliente que cuando salió. El máximo caudal de agua salada está
determinado por la presión que puede generar la bomba y las pérdidas de carga que hay tanto
en las tuberías que conectan evaporador con cristalizador como en los propios circuitos en el
interior del cristalizador.
Se llamará desde ahora en adelante potencia fría del cristalizador 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 a la potencia
necesaria para generar nieve a la temperatura deseada a partir de agua dulce a la temperatura
a la que esté cuando se introduce al cristalizador. El agua dulce debe ser enfriada en primer
lugar hasta la temperatura de congelación, una vez ahí extraer el calor latente de solidificación
para obtener el hielo, y finalmente enfriarlo hasta la temperatura final deseada. En cuanto al
agua salada, simplemente se aprovecha su capacidad calorífica para absorber todo el calor
que supone la solidificación del agua dulce.
18
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
RESULTADOS
Este es el balance térmico que se lleva a cabo en interior del cristalizador:
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡= (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞*ΔT1) + (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐿 𝑠𝑜𝑙) + (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐶𝑝 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*ΔT2)= 𝑚𝑠𝑎𝑙*𝐶𝑝 𝑠𝑎𝑙*(T2’ – T2)
ΔT1= 𝑇𝐼𝑁 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒 (Ambiente, entre 3 y 9°C)-temperatura de solidificación del agua (≈ 0°C)
ΔT2= temperatura de solidificación del agua (≈ 0°C) - temperatura deseada del hielo (≈ -5°C)
Los caudales másicos vienen representados por 𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒 y 𝑚𝑠𝑎𝑙 , y las temperaturas T2’ y T2 son
respectivamente las temperaturas de entrada y salida del agua salada respecto al evaporador.
La condición limite térmica en este intercambio de calor viene dada por el agua dulce pues
tiene el menor producto “caudal*calor especifico”. Son sus caudales y sus temperaturas
quienes determinan la temperatura máxima que puede haber en el evaporador.
Otra condición limite es que la temperatura de salida del agua salada del cristalizador no
puede ser mayor que la temperatura de saturación a la presión del evaporador porqué si no,
esta se evaporaría y se correría el riesgo de que aparezca cavitación, lo cual es fatal para el
sistema debido a los daños físicos que puede llegar a causar en las estructuras.
El cálculo de 𝑚𝑠𝑎𝑙 se realizó teniendo en cuenta las pérdidas de carga -tanto de los dos
circuitos en paralelo del cristalizador como el conjunto de tuberías que unen evaporador y
cristalizador- y la presión de bombeo que puede proporcionar la bomba encargada de hacer
circular este bucle, que es una bomba multicelular de marca Salmon.
Las diversas válvulas que se alojan en las tuberías entre el cristalizador y el evaporador son
las responsables de regular este flujo según convenga para el funcionamiento.
Ilustración 13: Bomba versus Circuito
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
PR
ESSÓ
N
CAUDAL
Bomba vs Circuito
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Estudio y optimización de una máquina frigorífica
El gráfico enfrenta la curva característica de la bomba utilizada y la curva de la pérdida de
carga del circuito por el agua salada debe viajar con el impulso de la bomba. La pérdida de
carga se representa en metros (sabiendo que Δp = ρ * g * Δz) y el caudal en metros cúbicos
por hora. El punto de corte resulta ser (m3/h, m) = (12.5, 11.5), por lo que el caudal máximo
que puede circular por el interior del cristalizador es de 12.5 (m3 / h).
4.2 Evaporador
El evaporador es el elemento central del bucle del ciclo, es el que verdaderamente absorbe el
calor que se evacua del cristalizador.
En todo sistema de frio industrial el evaporador es un elemento indispensable, es el nexo de
unión entre el sistema a enfriar y el ciclo termodinámico que absorbe el calor extraído de dicho
sistema. El evaporador en sí es únicamente un continente donde se aloja el fluido a evaporar
y da salida al vapor generado debido al calor recibido.
Se trata de un cilindro metálico con las siguientes dimensiones: diámetro=690mm y
altura=1708mm.
Como es lógico y se hace en todos los ciclos termodinámicos de evaporación-condensación
la presión de trabajo en el interior del evaporador es muy baja con el fin de que la temperatura
de saturación del fluido refrigerante sea pequeña y fácilmente alcanzable.
En este caso el fluido que sufre el ciclo termodinámico es agua salada. En primer lugar se
explicará porqué el agua es un fluido utilizado frecuentemente en este tipo de instalaciones y
a continuación se comentará la razón por la que se ha escogido agua salada. Cabe destacar
que aunque el agua y su vapor no van a trabajar a alta temperaturas, salvo a la salida del
compresor, sigue siendo el fluido caloportador pues es el fluido que realiza el intercambio de
calor con el sistema a enfriar y evacua su calor.
Las principales razones por la que se usa el agua como fluido refrigerante son sus
características térmicas: su gran calor latente de vaporización y su alto calor específico. Esto
permite una gran absorción de calor con un caudal no demasiado elevado.
Es un fluido transmisor de calor económico para temperaturas hasta 100ºC. Para
temperaturas superiores se debe presurizar el circuito para poder continuar estando el fluido
en fase líquida – agua sobrecalentada – y por tanto los costes aumentan considerablemente.
Es por ello que su campo se delimita mucho a temperaturas inferiores a esos 100 º C.
20
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RESULTADOS
Ilustración 14: diagrama presión-temperatura del agua
Se puede apreciar perfectamente en la ilustración 14 como a mediad que disminuye la
presión, la temperatura de saturación hace lo propio. Se pasa por ejemplo de la presión de
ebullición de 100°C a la presión atmosférica a una presión de saturación de 50°C para una
presión de 0,123 bares. Esta es la razón física por la que en los evaporadores se trabaja a
estas presiones tan bajas. De la misma manera se explica que se utilice un compresor para
elevar la presión de condensación y así el calor liberado en este cambio de fase sea mayor.
Sin embargo la temperatura de congelación se ve mucho menos afectada por la presión,
podría aproximarse que la curva de congelación del agua es independiente de la presión, es
decir, en este diagrama es casi una recta vertical.
Trabajando a tan baja presión se consigue que la vaporización del agua resulte más fácil y
menos costosa térmicamente hablando, sin embargo el hecho de estar tan cerca del punto
triple supone correr el riesgo de que el agua pueda congelarse. Este es el motivo por el que
se decide emplear agua salada en lugar de agua pura. El agua salada rebaja el punto de
congelación considerablemente, lo que hace que el riesgo de congelación se reduzca
notablemente.
21
Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
4.2.1 Justificación del uso de agua salada
Se recuerda que el objetivo del evaporador es absorber calor de un medio, del agua dulce a
congelar, que debe acabar por debajo de los cero grados centígrados para cumplir el objetivo
de la congelación, lo cual hace necesario que el agua alojada en el evaporador esté a menor
temperatura que esta. Para poder trabajar con agua a estas temperaturas tan bajas la presión
en el interior del evaporador debe rondar los pocos milibares (entre 6 y 10 concretamente).
Esto se consigue gracias a una bomba de vacío.
Estas condiciones se encuentras muy cerca del punto triple del agua, estado físico (presión
de 6,15 milibares, temperatura de 0,01ºC) en el que conviven sus tres estados simples: vapor
de agua, agua líquida y hielo, por lo que se debe ser muy cauteloso para evitar la formación
de hielo.
Debido a esto el fluido seleccionado para circular por el interior de evaporador y cristalizador
es agua salada, ya que su punto de congelación desciende notablemente respecto al del agua
natural.
Ilustración 15: diagrama de fases del agua salada
En la ilustración 15 se puede observar las diferentes fases que coexisten en función de la
temperatura a la que se encuentre la solución. El líquido -entre líneas rojas- hace referencia
a la disolución de H20 y NaCl, conocida comúnmente como salmuera; en el resto del diagrama
aparecen fases sólidas, bien sea hielo o bien solución sobresaturada en la que ha solidificado
alguno o ambos componentes. Este diagrama es a presión atmosférica.
El motivo de añadir NaCl al agua del evaporador es reducir su punto de congelación, es decir,
evitar la formación de hielo. El punto eutéctico del diagrama (mezcla de dos componentes con
punto de solidificación mínimo, inferior al correspondiente a cada uno de los compuestos en
22
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RESULTADOS
estado puro) se encuentra a una concentración de 23% en peso de NaCl y una temperatura
de -21°C. El objetivo es mantener una concentración de NaCl en torno al 15-20% para tener
una temperatura de congelación que oscile entre -12 y -20°C, y así aunque la temperatura del
evaporador se acerque a los 0°C o incluso la rebase en alguno grados, no debería formarse
hielo.
La adición de NaCl tiene otra importante consecuencia termodinámica en el agua. Debido a
tener una mayor densidad que el agua, la solución final aumenta su densidad y viscosidad lo
que da lugar a un aumento del punto de ebullición y una disminución del punto de congelación.
Calculando la molalidad de la disolución (número de moles de soluto por cada kilogramo de
disolvente) se pueden obtener dichos cambios de temperatura:
∆𝑇𝑐 = 𝑘𝑐 ∗ 𝑚
∆𝑇𝑒 = 𝑘𝑒 ∗ 𝑚
Donde 𝑚 es la molalidad, 𝑘𝑐 la constante de congelación del disolvente (1,86 K*kg/nº moles),
𝑘𝑒 la constante de ebullición del disolvente (0,512 K*kg/nº moles) y ∆𝑇𝑐 y ∆𝑇𝑒 son las
variaciones de temperatura del punto de congelación y ebullición respectivamente. Por
ejemplo para una disolución al 20% de NaCl en agua se obtienen unas nuevas temperaturas
de congelación y ebullición de -7,96°C y 2,19°C. Estas dos expresiones anteriores hacen
referencia a presión atmosférica.
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Estudio y optimización de una máquina frigorífica
4.2.2 Funcionamiento del evaporador
Según el volumen de salmuera que haya en el interior del evaporador el sistema funciona de
una manera o de otra, existe un volumen máximo de 200 litros y uno mínimo de 50 litros que
actúan como límites. Este volumen depende de los caudales entrantes y salientes.
Ilustración 16: esquema del bucle cristalizador-evaporador
El bucle cristalizador-evaporador siempre está en marcha, es decir, 𝑚𝑠𝑎𝑙 es constante y
debido a su aporte de calor el evaporador está siempre produciendo vapor: 𝑚𝑣𝑎𝑝 nunca es
nulo. Es el flujo de condensados el culpable de que el volumen de salmuera no sea constante,
este flujo alimentará al evaporador cuando se alcance el volumen mínimo de 50 litros, y dejará
de funcionar cuando el nivel sea el máximo.
En lugar de trabajar con volúmenes se trabaja con altura por facilidad de medida: siendo la
sección del evaporador constante las alturas máximas y mínimas son respectivamente Hmin y
Hmax.
Ilustración 17: esquema del funcionamiento del evaporador
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RESULTADOS
Según si el regreso de los condensados funciona o no tendremos diferentes balances masicos
y energeticos en el interior del evaporador. A continuacion se explican.
a) Retorno de condensados en marcha
El sistema se comporta como un sistema estacionario, la altura del evaporador está
entre los límites impuestos. Estos son los balances que tienen lugar:
Balance másico: véase en la ilustración 16
𝑚𝑣𝑎𝑝 + 𝑚𝑠𝑎𝑢 𝑂𝑈𝑇= 𝑚𝑠𝑎𝑢 𝐼𝑁 + 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑→ 𝑚𝑣𝑎𝑝 = 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑
El bucle del cristalizador siempre es constante, por lo que con el retorno en
condensados activado, el caudal másico que entre en el evaporador a través
del retorno será el mismo que se evapore.
Balance térmico
𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑
𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝑚𝑣𝑎𝑝*[𝐿𝑣𝑎𝑝+𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇2)]
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡= 𝑚𝑠𝑎𝑢 ∗ 𝐶𝑝 𝑠𝑎𝑢 ∗ (𝑇2′ − 𝑇2)
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑*𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞 ∗ (𝑇1 − 𝑇2)
La evaporización de la salmuera se debe al calor aportado por los flujos
provenientes tanto del cristalizador como del condensador, pues ambos llegan
a temperaturas superiores a la del evaporador.
Las dos variables a calcular son el caudal 𝑚, que representa tanto el caudal de
condensados como el caudal de vapor formado (balance másico), y la
temperatura T2 del interior del evaporador. El resto son variables que quedan
fijadas por otros componentes: la potencia del cristalizador se fija según el
caudal másico de nieve que se quiere formar, la temperatura de entrada del
agua dulce, y la temperatura final de la nieve; el calor latente de vaporización y
la temperatura de saturación dependen directamente de la presión que haya
en el evaporador fijada por el compresor; aunque los calores específicos a
presión constante dependen de la temperatura se han tomado como constantes
debido a su despreciable variación.
Debe ser recordado que el agua salada en el interior del evaporador a la
temperatura T2 es la encargada de enfriar y congelar el agua dulce. Por lo que
como se sabe por transferencia de calor, la temperatura final de la nieve nunca
va a poder ser menor que la temperatura T2.
𝑚 =𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡
𝐿𝑣𝑎𝑝+𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝(𝑇𝑠𝑎𝑡−𝑇2)−𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞(𝑇1−𝑇2)
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b) Retorno de condensados apagado
En este caso el sistema deja de ser un sistema estacionario, pues se encuentra en
proceso de vaciado: el nivel de salmuera esta entre los dos límites establecidos hasta
que alcance el inferior. Se tienen estas dos condiciones:
𝐻𝑚𝑖𝑛 ≤ H (t)≤ 𝐻𝑚𝑎𝑥
𝑑𝐻(𝑡)
𝑑𝑡< 0
Ahora el flujo del vapor formado es igual a la cantidad de agua salada que se va
vaciando, y es debido únicamente al calor aportado por el bucle del cristalizador que
nunca deja de funcionar.
𝑚𝑣𝑎𝑝 = −𝑑𝑉(𝑡)
𝑑𝑡∗ 𝜌 = −𝑆 ∗
𝑑𝐻(𝑡)
𝑑𝑡∗ 𝜌 =
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡
𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝)→
−𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) ∗ dH(t) = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝑑𝑡 →
∫ −𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) ∗ dH(t) = ∫ 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝑑𝑡𝐻𝑚𝑖𝑛
𝐻𝑚𝑎𝑥 →
(𝐻𝑚𝑎𝑥 − 𝐻𝑚𝑖𝑛)∗ 𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝛥𝑡
De esta manera se puede obtener el intervalo de tiempo de vaciado para una potencia
de cristalización fijada y el flujo de vapor generado durante este tiempo.
4.3 Etapa de compresión
Aunque la etapa de compresión es sin duda imprescindible en este ciclo frigorífico, en este
trabajo no se profundiza en el tema pues no fue uno de los objetivos del alumno durante el
periodo de trabajo con Alpinov X y el LEGI. De todas maneras se explican los principales
aspectos.
4.3.1 Calentador
Antes de comenzar con el compresor se explica la presencia de un calentador en la parte final
del evaporador, es decir, actúa sobre el fluido una vez se encuentre en estado gaseoso. Se
trata de un calentador por infrarrojos por lo que no se produce contacto ni ningún intercambio
de calor con otro fluido, simplemente se calienta el vapor de agua debido a la radiación.
El sistema de infrarrojos no está siempre en marcha, se activaría como medida de seguridad
en caso de que la evaporación no se haya completado al 100% y el compresor pueda absorber
alguna gota de agua líquida lo cual sería peligroso para su correcto funcionamiento. El objetivo
es que en el compresor únicamente entren vapor de agua.
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RESULTADOS
4.3.2 Compresor
La presión de entrada al compresor –presión de evaporación o baja presión-, es definida por
la curva de saturación y la temperatura dentro del evaporador. En cambio, la presión de salida
–presión de condensación o alta presión- está regulada por la temperatura exterior para que
la condensación se pueda llevar a cabo correctamente.
Se ha explicado anteriormente que la presión de evaporación ronda los 6 milibares, y
posteriormente se verá que la presión de condensación de 60 milibares (esto se hace para
que temperatura de saturación del vapor de agua a esa presión sea baja, en torno a 33°C).
En el demostrador a gran escala se trabaja con 3 turbocompresores axiales situados en dos
etapas, dos colocados en primer lugar en paralelo y a continuación uno en serie con estos
dos. Una de las grandes incógnitas aún por resolver (a fecha de finalización del periodo de
prácticas del alumno) era la decisión de mantener este grupo de compresión o si cambiarlo
por un compresor volumétrico de tipo Roots. Esta es la principal razón por la cual el alumno
no dedicó demasiado tiempo a este apartado.
Cabe destacar que debido a las bajas presiones con las que se opera en la instalación,
trabajar con la hipótesis de que el vapor de agua se comporta como un gas ideal es correcta,
no se aleja de su comportamiento real ni mucho menos. Esto facilita el cálculo del rendimiento
isentrópico de los turbocompresores pues entalpia y temperatura son proporcionales.
Uno de los parámetros más utilizados a la hora de medir la eficiencia de una instalación
frigorífica es el llamado COP (Coeficiente de rendimiento) que se define como el cociente
entre la potencia fría desarrollada por el sistema y la potencia de compresión necesaria para
elevar el fluido en cuestión desde la baja hasta la alta presión. Para calcularlo se deben
conocer los siguientes términos:
Trabajo específico de compresión ≡ 𝑊𝐶 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑇4 ∗ (𝜆−1
Ƞ𝑖𝑠
) = ℎ5-ℎ4 [𝑘𝐽
𝑘𝑔]
Potencia de compresión ≡ 𝑃𝐶 = 𝑊𝐶 ∗ 𝑚𝑣𝑎𝑝 [𝑘𝑊]
𝜆 = (p𝐻
p𝐵
)𝛾−1
𝛾
Rendimento isentrópico de un turbocompresor ≡ Ƞ𝑖𝑠 =ℎ2𝑖−ℎ1
ℎ2−ℎ1=
𝑇2𝑖−𝑇1
𝑇2−𝑇1
Sabiendo que 𝑊𝐶 es el trabajo de compresión que depende directamente de la temperatura
de entrada, se debe tener en cuenta que si el calentador por infrarrojos está en funcionamiento
provocará una disminución del COP. Esto se debe a que si la vaporización no ha sido
completada correctamente y aún existe alguna gota de líquido, se debe aumentar la
temperatura de este fluido bifásico para eliminar dichas gotas. Este aumento de 𝑇4 agrandará
el trabajo específico de compresión que reduce el coeficiente de rendimiento de la instalación.
Por lo que se debe tratar de que la evaporización sea completa para mejorar el rendimiento
total del sistema.
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4.4 Condensador
Junto al evaporador el condensador es el otro elemento esencial de cualquier ciclo
termodinámico de este estilo. Este elemento tiene como objetivo reconvertir el vapor de agua
en agua líquido mediante el intercambio de calor entre este vapor y agua glicolada. Es un
condensador de tubos verticales.
En primer lugar, se debe explicar la distribución espacial de evaporador y condensador, ya
que ambos están alojados dentro de la cuba metálica de manera que los tubos del
condensador, a través de los cuales circula el agua glicolada, rodean al evaporador.
El condensador consta de 22 tubos dispuestos regularmente de modo que forman una jaula
cilíndrica. Cada tubo tiene una dimensiones de diámetro = 24 mm y altura = 1.708 mm y están
equipados con 6 aletas cada uno para aumentar la superficie de intercambio de calor y
facilitarlo. La superficie de cada tubo es de 0.13 m2 y la de cada grupo de 6 aletas es de 1.56
m2, por lo que se alcanza un aumento del 1.300% de la superficie. El área de intercambio total
es de 37.13 m2.
Ilustración 18: vistas del condensador
El agua glicolada, el fluido refrigerante, circula verticalmente a través de los tubos. El vapor
se introduce a través de la parte superior de la cuba y cuando entra en contacto con las
tuberías, comienza a condensarse en las aletas y en la superficie exterior de estas debido a
la convección. Los condensados descienden a lo largo de los tubos y las aletas debido a la
gravedad hasta que caen y se acumulan en el tanque de condensado en el fondo del tanque.
28
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RESULTADOS
En los intercambiadores de calor con cambio de fase, bien sea ebullición o condensación, se
habla de convección forzada, pues no es una convección natural si no generada a propósito.
Hay libros en los que se diferencian estos dos casos: convección forzada y convección con
cambio de fase de uno de los dos fluidos debido a que el coeficiente de película obtenido en
los últimos casos es generalmente mayor.
El tipo de condensación que
sucede es condensación en
película: a medida que se va
condensando el vapor y se van
formando las primeras gotas de
agua líquida en la superficie
comienza a aparecer una
película de condensado que va a
ir descendiendo por su propio
peso. Este flujo de condensado
es un parámetro perfectamente
medible, suele medirse en
Kg/s/m, es decir, en caudal de
condensado por metro de altura
al tratarse de tubos verticales.
Para calcular el coeficiente de
transferencia de calor en cada caso de convección existen numerosas y complejas
correlaciones físicas basadas en experimentos. Afortunadamente hay una gran variedad: para
cada fenómeno fisicoquímico que suceda, para cada disposición espacial de los elementos
en cuestión, para cada orientación...
La convección es explicada por la Ley de enfriamiento de Newton:
𝑑𝑄
𝑑𝑡= ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝑇𝑓)
- ℎ es el coeficiente de película correspondiente al proceso
- 𝐴 es la superficie de intercambio (la superficie de los tubos)
- 𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓 es la temperatura de la superficie ( la temperatura de los tubos)
- 𝑇𝑓 es la temperatura del fluido ( del vapor de agua)
El número de Nusselt es un número adimensional que
mide el aumento de la transmisión de calor desde una
superficie por la que un fluido discurre comparada con la
transferencia de calor si ésta ocurriera solamente por
conducción.
𝑁𝑢 =𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛
𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛=
ℎ ∗ 𝐿
𝐾𝑓
Ilustración 19: coeficientes de película típicos
Ilustración 20: condensación en película
29
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Para calcular el coeficiente de película ℎ [𝑊
𝑚2
𝐾] en primer hay que conocer el número de Nusselt
asociado al proceso de intercambio de calor, que depende de multitud de factores.
𝑁𝑢 = 1.13 ∗ (𝑔 ∗ 𝜌𝑙 ∗ ℎ′
𝑓𝑔 ∗ 𝐿3
𝜇𝐿 ∗ 𝐾𝐿 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓))0,25
Estos son los parámetros que aparecen en la correlación utilizada:
- g es la aceleración de la gravedad
- ℎ𝑓𝑔≡ calor latente de vaporización a la temperatura adecuada
- ℎ′𝑓𝑔≡ corrección del calor latente; ℎ′
𝑓𝑔 = ℎ𝑓𝑔* (1 + 0.68* Ja)
- 𝐽𝑎 ≡ número de Jakob ; 𝐽𝑎 =Cp liq*(Tsat - Tsurf)/ ℎ𝑓𝑔
- L ≡ longitud característica, en este caso la longitud del cilindro
- 𝜇𝐿 ≡ viscosidad del líquido
- 𝐾𝐿 ≡ resistencia térmica del fluido que se condensa
4.3.3 Balance térmico
La presión a la salida del compresor será la que se encuentre prácticamente dentro del
condensador, pues prácticamente no hay pérdida de carga a través de los conductos que
conectan ambos bloques. Es esta presión la que determinará la temperatura de saturación
del vapor y la mayoría de los parámetros involucrados en la condensación.
La otra gran variable, impuesta desde el exterior del condensador, es la temperatura de
entrada del agua glicolada al circuito de refrigeración, es decir, a los tubos del condensador.
El vapor de agua se enfría, y se condensa, debido a estar en contacto térmico con el agua
glicolada, y a su vez, este es refrigerada por el aire tomado y conducido desde el exterior por
un ventilador, por lo que la temperatura de entrada del agua glicolada en los tubos está
limitada por la temperatura externa del ambiente.
A partir de lo explicado en el anterior párrafo se deduce que las tres potencias que entran en
juego en el condensador son estas:
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑚𝑣𝑎𝑝 ∗ [(𝑇5 − 𝑇𝑠𝑎𝑡(𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑)) ∗ 𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 + 𝐿𝑣𝑎𝑝 + (𝑇𝑠𝑎𝑡(𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑)−𝑇6) ∗ 𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞)]
𝑃𝑔𝑙𝑦= 𝑚𝑔𝑙𝑦 ∗ 𝐶𝑝 𝑔𝑙𝑦 ∗ (𝑇𝑔𝑙𝑦 𝑂𝑈𝑇−𝑇𝑔𝑙𝑦 𝐼𝑁)
𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟= 𝑚𝑎𝑖𝑟 ∗ 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟 ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟 𝑂𝑈𝑇−𝑇𝑎𝑚𝑏)
En primer lugar 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 , que hace referencia a la potencia que debe ser evacuada para que la
condensación del vapor sea completada al 100%, debe ser igual a 𝑃𝑔𝑙𝑦 para evacuar el calor
al agua glicolada, y en segundo lugar se debe realizar el balance entre la potencia que absorbe
el agua glicolada y la potencia que puede absorber el aire en función de la temperatura que
haya en el exterior.
Sabiendo que la presión de condensación es de aproximadamente 60 milibares, la
temperatura de saturación puede estar en torno a 33-38 º C, por lo que la temperatura del
agua glicolada de entrada 𝑇𝑔𝑙𝑦 𝐼𝑁 debe ser inferior, al menos unos pocos grados, para que de
esta manera el intercambio de calor y la consiguiente condensación sucedan apropiadamente.
30
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RESULTADOS
Al realizar estos dos equilibrios térmicos, vapor de agua-agua glicolada y agua glicolada-aire,
se puede calcular el caudal de agua glicolada requerido y el caudal de aire que el ventilador
debe mover.
El ventilador es un refrigerador seco construido por la empresa CIAT. Algunas características
técnicas se incluyen en el anexo correspondiente.
4.5 Retorno de condensados
El sistema llamado retorno de condensados no es más que el conjunto de tuberías que
recogen lo condensados del fondo del depósito del condensador y los recirculan hasta el
interior del evaporador de nuevo.
Consta de dos elementos:
Válvula de laminación. Su objetivo es la despresurización de los condensados hasta
la presión del evaporador. En todos los cálculos realizados se ha considerado esta
laminación como isentálpica, así su representación en el diagrama presión-entalpía es
una línea vertical pues no hay variación de entalpía.
Bomba de recirculación. Destinada a impulsar los condensados hasta el evaporador
sin aumentar su presión.
Válvula reguladora. Tiene como función abrir o cerrar este circuito según marque el
nivel de salmuera en el interior del evaporador, como se explicó anteriormente y se ve
en la ilustración número 17.
31
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Estudio y optimización de una máquina frigorífica
5. CONCLUSIONES
Indudablemente el proyecto Snowfarm X es prometedor pues a pesar de que sea un sector
en el que hay mucha competencia se trata de irrumpir en el mercado con una nueva tecnología
que puede ser un complemento a las ya existentes, no ha de ser un sustituto. Esto es positivo
pues no obliga a ningún potencial cliente a tener que escoger entre su actual otro producto o
este.
El proyecto sigue en fase de desarrollo y experimentación pero ya se ha recibido contacto de
varios clientes preguntando a cerca de los resultados, del coste del producto y de posibles
futuras mejoras.
5.1 Datos numéricos
Se refleja a continuación las cifras que se han recogido durante el estudio realizado estando
la máquina a plena carga y con unas condiciones exteriores medias. Esto modo de
funcionamiento podría ilustrar el modo de funcionamiento más común de la instalación.
Tabla 3: cifras de trabajo
Condiciones externas
𝑇𝑒𝑥𝑡=9°C 𝑇𝐼𝑁 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒=7°C
Condiciones deseadas
𝑇𝑂𝑈𝑇 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒=-5°C 𝑚 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒= 0.3 m3/h
Cristalizador
𝑚 𝑠𝑎𝑙= 4.1 kg/s 𝑃 𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡= 13 kW
Evaporador
𝑝 𝑒𝑣𝑎𝑝=7mbar 𝑇𝑠𝑎𝑡( 𝑝 𝑒𝑣𝑎𝑝)=0.5°C 𝑚 𝑣𝑎𝑝=0.006 kg/s
Compresor
𝑚 𝑣𝑎𝑝=0.006 kg/s 𝑃 𝐶= 2.2 kW Ratio de compresión=8.57
Condensador
𝑝 𝑐𝑜𝑛𝑑=60mbar 𝑇𝑠𝑎𝑡( 𝑝 𝑐𝑜𝑛𝑑)=33°C
COP= 5.9
32
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
CONCLUSIONES
5.2 Coeficiente de rendimiento
Para entender el concepto de COP o coeficiente de rendimiento se va a explicar en primer
lugar la diferencia con rendimiento de una máquina en sí. En la naturaleza no existen procesos
ideales y por lo tanto el rendimiento, o eficiencia, de un proceso real es siempre inferior a la
unidad., y esto es, porque en la transformación que lleva a cabo la máquina, se producen
invariablemente pérdidas mecánicas por rozamiento y perdidas de calor en las superficies de
intercambio con el ambiente exterior.
El rendimiento de una máquina se puede definir de forma general como el cociente entre la
energía o el trabajo útil producido por esa máquina, y la energía o el trabajo externo que debe
aplicarse a la misma para que produzca el trabajo o el calor que se le demanda. De acuerdo
con el principio anterior, el número adimensional que mide este rendimiento es siempre inferior
a uno.
Sin embargo a la hora de medir el rendimiento de una instalación de este tipo, el coeficiente
de rendimiento es uno de los parámetros comúnmente más utilizados, pues refleja la eficiencia
de toda la instalación y no sólo el de una máquina. El COP por esto debe ser mayor que la
unidad.
El coeficiente de rendimiento se define como el cociente entre la potencia de refrigeración y
la potencia eléctrica absorbida por el compresor en unas condiciones específicas de
temperatura con la unidad a plena carga.
𝐶𝑂𝑃 = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡
𝑃𝐶
Puesto que la eficiencia energética es función de las temperaturas de condensación y
evaporación, es decir de las condiciones exteriores, y de la temperatura de consigna que el
usuario elija en cada ocasión para satisfacer sus necesidades (en este caso la temperatura
final a la que se desea obtener la nieve) se ha realizado un estudio de sensibilidad del COP
en función de la temperatura exterior.
Ilustración 21: COP en función de la temperatura exterior
0
2
4
6
8
10
12
14
-10 -5 0 5 10 15 20 25
CO
P
Temperatura exterior
COP = f(Text)
33
Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
El sistema tiene como objetivo la creación de nieve artificial para estaciones de esquí, que
están en las montañas a gran altura por lo que considerar temperaturas exteriores negativas
no es nada disparatado.
5.3 Salmuera
La gran novedad de este proyecto es el uso del agua salada como fluido caloportador. Al ser
un fluido poco utilizado en este ámbito de trabajo (termotecnia, mecánica de fluidos y
transferencia de calor) no resulta sencillo encontrar sus propiedades fisicoquímicas. Una
parte del tiempo de trabajo ha sido dedicada al cálculo de dichas propiedades.
Se recuerda que se trabaja con agua salada en la que la concentración de cloruro sódico
[NaCl] oscila entre el 15 y el 23% en peso. Por lo que conocer el valor de la densidad, el calor
específico a presión constante y el calor latente de vaporización es necesario. Para ello se
extrapolaron estas propiedades a partir de datos de salmuera a baja concentración.
En la ilustración 22 se observa el polinomio de segundo grado que representa el Cp [J/kg/k]
en función de la concentración de cloruro sódico medida en % en peso respecto a la solución.
Extrapolando dicho polinomio hasta la concentración deseada se obtiene de valor del Cp en
una solución con una concentración del 20% de 3.463 [J/kg/k].
y = 0.9821x2 - 55.554x + 4181.9R² = 1
3800
3850
3900
3950
4000
4050
4100
4150
4200
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Cp = f( [NaCl])
Ilustración 22: gráfica Cp=f[(NaCl)]
34
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
CONCLUSIONES
En la ilustración 23 se observa el polinomio de segundo grado que representa la densidad
[kg/m3] en función de la concentración de cloruro sódico medida en % en peso respecto a la
solución. Extrapolando dicho polinomio hasta la concentración deseada se obtiene de valor
de la densidad en una solución con una concentración del 20% de 1.156 [kg/m2].
y = -0.0336x2 + 7.1898x + 999.14R² = 1
990
1000
1010
1020
1030
1040
1050
1060
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Densidad = f([NaCl])
Ilustración 23: gráfica densidad = f([NaCl)]
35
Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
6. IMPACTO SOCIAL Y AMBIENTAL
España cuenta con 1.205,95 kilómetros esquiables repartidos en 952 pistas de 33 estaciones
de esquí alpino (incluyendo las de Andorra) y estas estaciones operan con más de 4.500
cañones que producen anualmente unos 375 kilómetros de nieve artificial esquiable, según la
Asociación Turística de Estaciones de Esquí y Montaña (Atudem).
Con estas cifras se pretende remarcar que el mercado de la nieve artificial es un mercado que
trabaja con grandes cifras a nivel nacional. Debido a la alteración que provoca todo lo
relacionado con el mundo del esquí en los lugares donde se construyen sus infraestructuras
–en las montañas principalmente- es un mundo que es constantemente cuestionado legal y
medioambientalmente por las pertinentes asociaciones y autoridades.
En concreto, la innivación es uno de los temas más tratados pues se acusa a las estaciones
de esquí de no solo alterar la montaña sino de alterar gravemente su ecosistema. Esto es
cierto pues se está alterando el ciclo de agua, lo cual afecta gravemente a la fauna y flora del
entorno.
Como se nombró anteriormente el proyecto Snowfarm X presenta grandes ventajas respecto
a los cañones de nieve, y varias de ellas en cuanto el impacto ambiental, que son las
siguientes:
Consumo de energía optimizado: entre 3 y 5 veces mejor que los fabricantes de nieve
comparables. Debido al gran COP desarrollado y la posibilidad de operar con
temperaturas altas (entendiendo alta como temperaturas positivas a las que no pueden
operar los cañones de nieve).
Valorización del 100% del agua utilizada: entre el 40 y el 50% del agua tomada por los
fabricantes de nieve tradicionales, cañones de nieve, no se encuentra en la pista una
vez que se genera la nieve, pues gran parte de ella se pierde.
Uso de las redes de agua y electricidad existentes: no existe la necesidad de construir
nuevas infraestructuras.
Por lo tanto con la instalación de este sistema de innivación se reducirían notablemente los
problemas que actualmente se dan, teniendo así un mejor impacto social y ambiental.
36
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
IMPACTO SOCIAL Y MEDIOAMBIENTAL
37
Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
7. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO
7.1 Planificación temporal
El alumno realizó el periodo de prácticas entre el día 6 de febrero y el día 6 de junio de 2018,
un total de cinco meses. Teniendo en cuenta que la jornada laboral francesa para estudiantes
en periodo de stage es de siete horas diarias, este periodo de trabajo equivale a un total 1.050
horas.
En esta tabla y en el diagrama de Gantt se refleja el reparto de tiempo según cada tarea.
Tabla 4: planificación temporal
Tarea Fecha comienzo Fecha fin Días Horas
Familiarización con el entorno laboral 06/02/2018 13/02/2018 7 49
Análisis y estudio de informes anteriores 13/02/2018 06/03/2018 21 147
Familiarización con la instalación 06/03/2018 05/04/2018 30 210
Primera aproximación del modelo a mano 05/04/2018 26/04/2018 21 147
Medidas en taller 26/04/2018 01/05/2018 5 35
Implementación del primer modelo en Excel 01/05/2018 22/05/2018 21 147
Comprobaciones en el taller 22/05/2018 25/05/2018 3 21
Correcciones de la primera aproximación 25/05/2018 01/06/2018 7 49
Elaboración de primeros informes 01/06/2018 08/06/2018 7 49
Segunda aproximación 08/06/2018 22/06/2018 14 98
Correcciones de la segunda aproximación 22/06/2018 29/06/2018 7 49
Elaboración informe final 29/06/2018 06/07/2018 7 49
Periodo total de trabajo 06/02/2018 06/07/2018 150 1050
38
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PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO
7.2 Presupuesto
Formarán parte del presupuesto de este trabajo los siguientes costes:
Horas dedicadas por el alumno
Horas dedicadas por el tutor académico en Francia
Horas dedicadas por el tutor industrial en Francia
Horas dedicadas por el tutor académico en España
El alumno dedicó un total de 1.050 horas al trabajo en Francia, y se asume que el tiempo
dedicado por ambos tutores allí es de un 20% del tiempo del alumno, haciendo así un total de
210 horas por cada uno de ellos. Se estima que el tutor académico en España ha empleado
10 horas de su tiempo en la supervisión del trabajo.
En cuanto al salario de cada uno de los implicados, se tiene en cuenta que el salario del
alumno se corresponde con el de un ingeniero junior (10 euros/hora) y el salario de los tres
tutores se corresponde con el salario de un ingeniero sénior (25 euros/hora).
De esta manera el presupuesto total suma un total de 21.250 euros.
7
21
30
21
5
21
3
7
7
14
7
7
6-2 26-2 18-3 7-4 27-4 17-5 6-6 26-6 16-7
Familiarización con el entorno laboral
Análisis y estudio de informes anteriores
Familiarización con la instalación
Primera aproximación del modelo a mano
Medidas en taller
Implementación del primer modelo en Excel
Comprobaciones en el taller
Correcciones de la primera aproximación
Elaboración de primeros informes
Segunda aproximación
Correcciones de la segunda aproximación
Elaboración informe final
Ilustración 24: diagrama de Gantt del periodo de trabajo
Diagrama de Gantt del periodo de trabajo
39
Javier Fernández Sánchez
Estudio y optimización de una máquina frigorífica
8. BIBLIOGRAFÍA
Todas las fuentes utilizadas a las que el presente documento ha hecho referencia están en el
apartado 9. Bibliographie del documento Projet fin d’étude: Neige artificielle et froid
industriel : Etude-optimisation d’une machine frigorifique par évaporation-
condensation sous vide étagé adjuntado a continuación.
9. NOTACION UTILIZADA
El conjunto de símbolos utilizados se recogen en el apartado 7, Notation utilisée del
documento Projet fin d’étude: Neige artificielle et froid industriel : Etude-optimisation
d’une machine frigorifique par évaporation-condensation sous vide étagé.
40
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PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO
41
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Estudio y optimización de una máquina frigorífica
10. ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Y TABLAS
10.1 Índice de ilustraciones
Ilustración 1: intercambio de calor en el cristalizador------------------------------------------------------ I Ilustración 2: intercambios de calor ---------------------------------------------------------------------------- II Ilustración 3: diagrama presión-entalpía de un ciclo frigorífico ----------------------------------------III Ilustración 4: símbolo del LEGI --------------------------------------------------------------------------------- 2 Ilustración 5: símbolo de Alpinov X ---------------------------------------------------------------------------- 2 Ilustración 6: cartel publicitario del Snowfarm X ----------------------------------------------------------- 4 Ilustración 7: esquema sinóptico del ciclo termodinámico ---------------------------------------------- 4 Ilustración 8: diagrama de bloques del sistema ----------------------------------------------------------- 11 Ilustración 9: diagrama presión-entalpía -------------------------------------------------------------------- 12 Ilustración 10: esquema sinóptico con estados de referencia----------------------------------------- 13 Ilustración 11: diseño 3D de la instalación ----------------------------------------------------------------- 14 Ilustración 12: esquema 2D diseño instalación------------------------------------------------------------ 15 Ilustración 13: Bomba versus Circuito ----------------------------------------------------------------------- 18 Ilustración 14: diagrama presión-temperatura del agua ------------------------------------------------ 20 Ilustración 15: diagrama de fases del agua salada ------------------------------------------------------ 21 Ilustración 16: esquema del bucle cristalizador-evaporador ------------------------------------------- 23 Ilustración 17: esquema del funcionamiento del evaporador ------------------------------------------ 23 Ilustración 18: vistas del condensador ----------------------------------------------------------------------- 27 Ilustración 19: coeficientes de película típicos------------------------------------------------------------- 28 Ilustración 20: condensación en película-------------------------------------------------------------------- 28 Ilustración 21: COP en función de la temperatura exterior --------------------------------------------- 32 Ilustración 22: gráfica Cp=f[(NaCl)] --------------------------------------------------------------------------- 33 Ilustración 23: gráfica densidad = f([NaCl)] ----------------------------------------------------------------- 34 Ilustración 24: diagrama de Gantt del periodo de trabajo ---------------------------------------------- 38
10.2 Índice de tablas
Tabla 1: propiedades térmicas de distintos refrigerantes_____________________________5
Tabla 2: estados de referencia________________________________________________13
Tabla 3: cifras de trabajo____________________________________________________31
Tabla 4: planificación temporal________________________________________________37
42
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PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO
Projet fin d’étude
« Ingénieur filière Mécanique et
énergétique »
Année académique 2017-2018
Neige artificielle et froid industriel : Etude-
optimisation d’une machine frigorifique par
évaporation-condensation sous vide étagé
Javier FERNANDEZ
Stage effectué à: Alpinov X/ LEGI
Tuteurs :
Entreprise / Laboratoire : Jérôme GIRARD / Jean-Paul THIBAULT
Ense3 : Samuel SIEDEL
Projet confidentiel : YES ☒ NO ☐
Juin 2018
2
3
Indice 1. Introduction ................................................................................................................................4
1.1 Résumé ...............................................................................................................................4
1.2 Contexte et localisation .......................................................................................................4
2. LEGI et Alpinov X .........................................................................................................................5
2.1 LEGI .....................................................................................................................................5
2.2 Alpinov X .............................................................................................................................5
3. Stade d’art ..................................................................................................................................7
3.1 Neige naturelle ....................................................................................................................7
3.2 Canons à neige ....................................................................................................................8
3.3 Bonnes conditions de neige .................................................................................................8
4. Projet : Snowfarm X .................................................................................................................. 10
4.1 Introduction ...................................................................................................................... 10
4.2 Cycle thermodynamique .................................................................................................... 13
4.3 Cadre de stage ................................................................................................................... 15
4.4 Cristalliseur........................................................................................................................ 17
4.5 Evaporateur ....................................................................................................................... 18
4.6 Compresseur ..................................................................................................................... 23
4.7 Condenseur ....................................................................................................................... 24
4.8 Retour de condensats ........................................................................................................ 29
5. Conclussions ............................................................................................................................. 30
5.1 Formation indésirable de glace .......................................................................................... 30
6. Lignes futures............................................................................................................................ 31
7. Notation utilisée ....................................................................................................................... 32
8. Table d’illustrations ................................................................................................................... 33
9. Bibliographie ............................................................................................................................. 34
10. Annexes ................................................................................................................................ 35
10.1 Donnes de la courbe de saturation de l’eau ....................................................................... 35
10.2 Courbes caractéristiques de la pompe multicellulaire ........................................................ 36
10.3 Aéroréfrigérant.................................................................................................................. 37
10.4 Donnes eau glycolée .......................................................................................................... 38
4
1. Introduction
1.1 Résumé
Snowfarm X est un projet développé par la société Alpinov X en collaboration avec le LEGI, c'est une
machine frigorifique capable de créer de la neige artificielle sans que la température extérieure soit
négative. La machine est basée sur un cristalliseur qui transforme l'eau en glace grâce à un cycle
thermodynamique d'évaporation-condensation qui extrait la chaleur nécessaire. Le stage consistait
en une étude par blocs du système.
Snowfarm X is a project developed by the company Alpinov X in collaboration with the LEGI, it is
about a refrigerating machine capable of creating artificial snow without the need of outside
temperature negative. The machine is based on a crystallizer that transforms water into ice thanks to
a thermodynamic evaporation-condensation cycle that extracts the necessary heat. The internship
consisted in a study of the system by blocks.
1.2 Contexte et localisation
Depuis 1955, la ville de Grenoble se caractérise par sa grande implication dans la recherche scientifique
et la haute technologie. Aujourd'hui, elle dispose d'une multitude d'organismes de recherche
nationaux et internationaux, ainsi que de nombreux laboratoires de recherche associés aux universités
et à l'INP (Institut National Polytechnique de Grenoble).
Grenoble est une ville située dans le sud-est de la France, dans la région Auvergne-Rhône-Alpes,
capitale du département de l'Isère. Elle est située à côté de la chaîne de montagnes des Alpes, ce qui
affecte fortement la culture de la ville, à tel point qu'en fait la ville est connue familièrement comme
la capitale des Alpes françaises.
Cette culture de montagne est la raison pour laquelle les sports de montagne et de neige sont très
pratiqués dans les environs de la ville et beaucoup de temps et d'argent sont investis dans
l'amélioration des conditions et de la qualité de ceux-ci.
5
2. LEGI et Alpinov X
2.1 LEGI
Le Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) est un laboratoire de recherche
publique de la Communauté Université de Grenoble Alpes. C’est une Unité Mixte de Recherche (UMR
5519) commune au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), à l’Université Grenoble Alpes
(UGA) et à l’Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble-INP), qui rassemble plus de 150 personnes
dont 60 permanents et autant de doctorants et post-doctorants.
Les activités de recherche en Mécanique des Fluides et Transferts menées au LEGI s’appuient sur une
combinaison d’approches méthodologiques alliant modélisation, expérimentation (plus de 40 bancs
expérimentaux dont de grands instruments), simulation numérique à hautes performances (machines
de calcul parallèle, calculateurs nationaux…) et développement d’instruments de mesure innovants.
Ces activités sont liées à de très nombreux domaines d’application relevant de problématiques
environnementales aussi bien qu’industrielles.
Les principaux thèmes de recherche sont :
Dynamique des écoulements turbulents
Dynamique des fluides géophysiques
Dynamique des écoulements à très forts couplages hydrodynamiques
2.2 Alpinov X
Alpinov X est une société créée en avril 2017 par trois ingénieurs français avec grand expérience en
secteurs comme le froid industriel, la thermodynamique technique et les installations cryogéniques.
Elle se positionne sur le marché du froid industriel et s'ambition est percer le marché de la neige
artificielle à l'aide d'un nouveau système de création de cette dernière. La start-up est basée dans la
ville de Grenoble, qui, comme on l’a expliqué plus haut, est une ville dans laquelle ce marché est très
pertinent et de plus en plus important dans le paysage des sports de neige. En fait l’entreprise a
plusieurs stations de ski proche à Grenoble comme collaborateurs comme sons Villard de Lans ou
Chamrousse.
La société développe une technologie reposant sur un procès d’évaporation-condensation sous vide
étagée destinée au marché du froid. C’est le premier projet de l’entreprise qui s’appelle Snowfarm X.
Les spécificités révolutionnaires de cet équipement sont:
– Non météo dépendant avec un fonctionnement possible par T°C positives,
– 3 à 5 fois moins consommateur d’énergie que les enneigeurs comparables,
6
– Valorisation de 100% de l’eau prélevée et une économie d’eau de minimum 40% face aux enneigeurs
traditionnels.
La Snowfarm X a pour ambition de consolider le modèle économique en pérennisant leur activité «
neige ».
La société Alpinov X développe des innovations de rupture dont les usages seront principalement
adaptés aux territoires de montagne. Grâce aux développements technologiques du produit, les
gestionnaires de domaines skiables pourront disposer d’un produit dont le coût total de possession
sera très inférieur aux solutions d’enneigement actuelles. En conséquence, leurs dépenses
d’exploitation concernant la production de neige de culture sera considérablement réduite.
Pour les exploitants de stations de ski, la solution Snowfarm X permettra notamment :
- produire de la neige en continu en amont de la saison afin de pouvoir assurer aux skieurs des
pistes enneigées dès le début de la saison et lors des vacances de Noël,
- maîtriser les consommations électriques, puisqu’au contraire des enneigeurs traditionnels
comme les canyons, la Snowfarm X n’entraîne pas d’appels de charges importants sur le
réseau,
- réduire le stress hydrique de l’écosystème tout au long de la phase de production, grâce à des
prélèvements réguliers et contrôlés de la ressource en eau,
- allonger les durées d’exploitation des domaines skiables, qu’ils soient alpins ou nordiques.
7
3. État de l’art
Avant de commencer avec l'explication du projet en tant que tel, une brève explication sera donnée
sur la façon dont la neige se forme naturellement et comment fonctionnent les canons à neige, qui
sont actuellement la technologie la plus largement utilisée dans ce domaine.
3.1 Neige naturelle
Le climat sur le continent européen est déterminé par la collision quasi permanente des masses d'air
chaud et des masses d'air froid. Lorsque deux masses d'air d'origine et de température différentes se
rencontrent, elles ne peuvent pas être mélangées. Ils se repoussent. De là, surgissent des perturbations
climatiques qui peuvent donner lieu aux précipitations que nous connaissons.
Plus une masse d'air est froide, moins elle peut contenir de vapeur d'eau à l'état gazeux. Quand une
masse d'air humide est refroidie, l'excès de vapeur d'eau qui reste est condensé sous la forme de
gouttelettes d'eau formant des nuages. Ces gouttes peuvent rester liquides même à des températures
inférieures à 0 ° C, phénomène connu sous le nom de sous-refroidissement. Si ce sous-refroidissement
se poursuit jusqu'à environ -12 ° C, les gouttelettes gèlent spontanément autour de petites particules
solides qui agissent comme des noyaux de congélation.
On pourrait dire que pour que les premiers cristaux de glace se forment, les trois conditions suivantes
doivent être remplies:
i. basses températures (inférieures à 0 ° C);
ii. la présence de vapeur d'eau dans l’air;
iii. la présence de petites particules solides volatiles qui vont faire de noyau de congélation
(poussière, sable, cendres, pollen etc...).
De là sont nés les cristaux de glace qui peuvent donner de la neige si les conditions de température
dans les précipitations sont adéquates. Ces premiers cristaux peuvent augmenter en taille en raison
d'entrer en contact avec plus de vapeur d'eau et cette se condense, ou en capturant directement
d'autres gouttelettes d'eau dont la température est entre 0ºC et -12ºC. Quand ils atteignent un certain
poids, quand ils sont déjà appelés flocons de neige, ils commencent à descendre à la surface de la
terre. Ces flocons de neige seulement conserveront leur état solide de flocon de neige que si les
températures auxquelles ils sont soumis pendant leur chute ne sont pas assez élevées pour les faire
fondre et les transformer en gouttes de pluie ou en eau-neige. Cette dernière condition est la cause
que dans les grandes villes avec une multitude de personnes, de véhicules, de bâtiments qui n'arrêtent
pas d'émettre de la chaleur et donc d'augmenter la température, la neige est moins fréquente que
dans les endroits plus isolés et moins exploités parler) comme peut-être la montagne.
8
3.2 Canons à neige
La création de neige artificielle n'est pas nouvelle, c'est quelque chose qui a été étudié depuis la fin
des années 50 du siècle dernier. Les premiers canons à neige (la méthode la plus utilisée, qui sera
expliquée ci-dessous) datent de 1973 et ont été développés par des chercheurs nord-américains.
Le fonctionnement d'un canon à neige est basé sur le mélange d'air à haute pression et d'eau à basse
température. Les stations de ski extraient l'eau d'une rivière ou d'un réservoir à proximité. Pour cela,
ils doivent disposer d'une infrastructure pipelinière complexe et coûteuse qui rapproche cette eau des
installations de ski grâce au travail de puissantes pompes d'extraction, et de grands groupes de
compression pour changer les conditions d'air aux conditions appropriées.
Le système de plomberie distribue l'eau à travers tous les canons de la station et se trouve dans chaque
canon où il est mélangé avec l'air comprimé.
Pour la compression de l'air, il existe deux types d'installations:
a. IN SITU: chaque canon à un compresseur différent chargé de prendre l'air ambiant et de le
mettre en place pour le mélange ultérieur avec l'eau.
b. Compression centrale: il y a une grande centrale où tout l'air nécessaire pour alimenter toute
la station est compressé. L'air comprimé est pompé par des tuyaux parallèles à l'eau vers
chaque canon. De cette manière, les coûts du compresseur sont économisés, mais des pompes
sont nécessaires pour transporter l'air déjà comprimé et pour éviter une forte perte de charge
pendant ce temps.
L'air ne doit pas seulement être comprimé, il doit aussi être refroidi et surtout l'humidité doit être
extraite.
L'air et l'eau sont mélangés immédiatement après avoir été éjectés simultanément mais séparément
pour les différents propulseurs activés par le système de commande de pilote du canon.
De cette façon, l'air et l'eau convergent à la sortie du canyon. Bien sûr, pour générer cette neige, on a
besoin d'une température extérieure proche de zéro degré. De nos jours, l'infrastructure dans son
ensemble démarre lorsque les conditions météorologiques, à la fois la température et l'humidité, sont
adéquates pour la création de neige. Le processus est très coûteux pour la station et ne garantit pas
une grande quantité de neige, mais il permet de skier suffisamment.
3.3 Bonnes conditions de neige
Quand on forme artificiellement de la neige, on imite fondamentalement, il s'agit d'imiter au moins,
ce qui se passe dans la nature. Si à des milliers de mètres de hauteur dans l'atmosphère, le flocon est
formé à partir d'une particule d'eau, quelque chose de semblable est reproduit dans le système des
canons: une particule de glace est générée sur laquelle l'eau impacte aidée pour l’air et ainsi un flocon
de neige est créé. Plus il fait froid (toujours en dessous de zéro grades) et moins il y a d'humidité dans
l'environnement, plus la qualité de la neige est élevée et plus le système est efficace.
En effet, on peut produire de la neige de différentes qualités. Plus il y a d'eau dans le mélange, plus il
sera lourd et plus les skies se colleront au passage sur la piste. Aucun additif ou produit chimique n'est
9
pas utilisé pendant le processus, contrairement à ce que l'on croit généralement, ce qui fait que le
produit est entièrement naturel.
Malgré cela, les associations environnementales critiquent ces installations pour l'utilisation de l'eau
et l'impact des travaux qu'elles nécessitent.
Sans aucun doute, rien n'est comparable à la neige qui tombe du ciel: le naturel est toujours meilleur.
Le flocon de neige, sous la forme d'une étoile, est plus léger, a beaucoup d'air et peu d'eau, donc il
n'est pas très dense. Quand il s'accumule dans la montagne, il donne naissance à la neige poudreuse
désirée sur laquelle le skieur glisse avec la plus grande aisance, en éprouvant les meilleures sensations
de ce sport. Le flocon de neige artificiel, cependant, a une forme sphérique, a plus d'eau et moins d'air,
le rendant plus dense que naturel. Si le skieur passe au-dessus de cette neige nouvellement
sédimentée, il remarquera que ses skis tendent à être plus accrochés, on pourrait dire que ce n'est pas
si mou et glissant. Entre les deux types de neige, les différences sont évidentes quand ils coexistent les
deux sur la piste.
10
4. Projet : Snowfarm X
4.1 Introduction
Le but du projet Snowfarm est la création de neige artificielle. Comme déjà expliqué ci-dessus, cet
objectif n'est pas nouveau, actuellement il existe déjà de nombreux dispositifs capables de créer
artificiellement de la neige à partir de l'eau et de l'air. La principale nouveauté proposée par Alpinov X
est l'indépendance de l'environnement et de ses conditions, c'est-à-dire de pouvoir produire de la
neige quelles que soient les conditions de température et d'humidité de l'extérieur. Cette
indépendance peut être inestimable car la plupart des systèmes existants nécessitent une température
extérieure très froide pour fonctionner.
La Snowfarm X propose 8 avantages principaux en comparaison avec les systèmes de création de neige
traditionnelles :
1. Production non météo-dépendante : par températures négatives et positives.
2. Consommation énergétique optimisée : 3 à 5 fois plus performants que les enneigeurs
comparables.
3. Valorisation de 100% de l’eau utilisée : 40 à 50% de l’eau prélevée par les enneigeurs
traditionnels ne se retrouve pas sur la piste.
4. Intégration à l’environnement du site de déploiement : habillage adapté et discrétion de
fonctionnement.
5. Utilisation des réseaux électriques et d’eau existants : pas de travaux d’ampleur à prévoir.
6. Mobilité pour une utilisation plurielle : possibilité de traiter plusieurs sites.
7. Production d’une neige qualitative avec d’importants volumes : pour une exploitation de la
neige produite optimale.
8. Fonctionnement à distance pour une meilleure flexibilité d’exploitation.
Le démonstrateur travaille avec un cycle thermodynamique d'évaporation-compression-
condensation. La grande nouveauté physique du projet est l'utilisation de l'eau comme fluide
thermodynamique lors de la réalisation de ce cycle, qui vise à refroidir un autre circuit d'eau pour le
geler et former de la neige. Cette décision apporte des avantages et des inconvénients par rapport aux
autres fluides généralement utilisés:
Le point en faveur de l'utilisation de l'eau comme fluide thermodynamique sont ses bonnes
qualités thermiques: sa chaleur spécifique élevée et sa forte chaleur latente d'évaporation.
Cela réduit considérablement le débit d'eau à utiliser.
Cependant, lorsqu'on veut absorber la chaleur d'un système à 0 ° C, l'eau comme fluide
caloporteur doit être inférieure à cette température et son évaporation (phénomène
physique qui permet l'absorption de la chaleur sous forme de chaleur latente d'évaporation)
11
Cela ne se produira pas si la pression n’est pas suffisamment basse. Par exemple, la pression
de saturation correspondant à une température de 0 ° C est de 6 millibars. C'est la raison pour
laquelle une pompe à vide est utilisée pour obtenir une pression de cette ampleur à l'intérieur
de l'évaporateur.
Le cristalliseur est le composant qui à partir du refroidissement d’eau forme glace, donc il doit avoir
autre composant qui absorbe la chaleur expulsée pour le cristalliseur. Ce composant est l’évaporateur
qui forme parte du cycle thermodynamique d'évaporation-compression-condensation qu’a lieu dans
l’installation.
Illustration 1: schéma synoptique
Dans l'illustration 1, la boucle supérieure représente le cycle thermodynamique qui subit l'eau et la
boucle inférieure fait référence à la boucle où l'échange de chaleur entre le cycle et le cristalliseur pour
la formation de la neige a réellement lieu.
Il y a deux pressions dans le cycle réfrigérateur par compression ou du cycle de réfrigération: la
d’évaporation ou la basse pression et la de condensation ou la haute pression. Le liquide de
refroidissement sert de moyen de transport pour faire passer la chaleur de l'évaporateur au
condenseur, où il est envoyé dans l'atmosphère ou dans l'eau de refroidissement, dans le cas de
systèmes refroidis à l'eau. Un changement de l'état liquide à la vapeur, et vice versa, permet au
réfrigérant d'absorber et de décharger efficacement de grandes quantités de chaleur.
La réduction de pression dans le réfrigérant liquide provoque son ébullition ou sa vaporisation, jusqu'à
ce que le réfrigérant atteigne la température de saturation correspondant à sa pression.
12
Comme le fluide frigorigène à basse température passe à travers l'évaporateur, la chaleur de l'élément
à refroidir coule à travers les tubes du même au réfrigérant, ce qui provoque l'action d'ébullition va
continuer jusqu'à ce que le réfrigérant est complètement vaporisé.
La vapeur de réfrigérant quittant l'évaporateur se déplace à travers la conduite d'aspiration jusqu'à
l'entrée du compresseur. Le compresseur prend la vapeur à basse pression et la comprime en
augmentant à la fois sa pression et sa température.
La vapeur chaude, lorsqu'elle atteint la pression élevée, est pompée hors du compresseur par la pompe
de décharge vers le condenseur. En le traversant, le gaz à haute pression est refroidi par des moyens
externes. Dans les systèmes à refroidissement par air, un ventilateur et un condenseur à ailettes sont
généralement utilisés. Dans les systèmes refroidis à l'eau, comme dans ce cas, un échangeur de chaleur
refroidi à l'eau est généralement utilisé.
Lorsque la vapeur du réfrigérant atteint la température de saturation, correspondant à la haute
pression du condenseur, la vapeur se condense et s'écoule vers le dépôt des condensats sous forme
liquide, répétant le cycle à nouveau.
Ensuite, les différents états thermodynamiques représentés par des nombres dans l'illustration 1
seront expliqués en détail et seront utilisés dans tout le document.
13
4.2 Cycle thermodynamique
Il est appelé cycle thermodynamique à une série de processus thermodynamique dans lequel un
système de situation initiale et après l'application de ces processus retourne à l'état initial. En tant que
processus thermodynamiques, c’est connue la variation des propriétés thermodynamiques du système
(pression, entropie, volume, enthalpie et température) d'un état initial à un état final.
Lors d'un cycle complet, la variation de l'énergie interne doit être nulle, donc la chaleur transférée par
le système doit être égale au travail effectué par le système (tel que dicté par le premier principe de la
thermodynamique). L'important est que grâce à cette propriété, le travail peut être obtenu à partir
d'un système grâce à une contribution calorifique. Si la performance était parfaite, toute la chaleur
fournie pouvait être transformée en travail, mais c'est impossible car il y a toujours des pertes de
chaleur.
Dans l’illustration 2 on a un schéma du design de l’installation (on a utilisé le même code de couleurs
que dans l’illustration 1).
Illustration 2:schéma 2D installation
Ces sont les états de référence qui ont été utilisés et ses correspondants pressions :
1 Liquide sous-refroidi pevap
2 Liquide saturé pevap 2’ Retour cristalliseur pevap 3 Vapeur saturée pevap 4 Vapeur surchauffée pevap 5 Vapeur compressée pcond 5’ Vapeur saturée pcond 5’’ Liquide saturé pcond 6 Liquide condensé pcond
Table 1: états de référence
14
En l’installation on peut distinguer trois boucles différentes:
- Boucle du cristalliseur (en bleu 2→2’): elle est réalisée par l'eau salée entre l'évaporateur et
le cristalliseur. Le fluide sorti de l'évaporateur à la température T2, se déplace à travers le
cristalliseur comme cela sera expliqué plus loin, et retourne à l'évaporateur à la température
T2´ en lui fournissant la chaleur extraite du cristalliseur.
- Boucle principale (1→2→3→4→5→6): c'est le cycle thermodynamique représenté sur
l'illustration 2. L'état de référence 2 correspond à l'eau salée logée à l'intérieur de
l'évaporateur, qui s'évapore du fait de la chaleur apportée par l'écoulement de la boucle de
cristalliseur. Une fois formée (état de référence 3), la vapeur d'eau est comprimée (état de
référence 5) vers le pcond pour ensuite entrer dans le condenseur et retourner à l'état liquide
(état de référence 6). Le cycle se ferme par le système "retour de condensat", qui relie le
réservoir du condenseur à l'évaporateur de sorte que le liquide condensé retourne à l'état de
référence 1. La condensation comme ça se produire entre les états de référence 5’ et 5’’ et la
évaporation entre 2 et 3.
- Boucle d'eau glycolée (en rouge): c'est le fluide frigorigène du condenseur, qui à son tour est
refroidi par un ventilateur qui fonctionne avec l'air prélevé dans l'environnement.
Dans le cycle en question, on travaille avec deux pressions différentes: basse pression ou pression
d'évaporation (pevap) et haute pression ou pression de condensation (pcond). Ces pressions prennent
de la valeur autour de 6 et 60 millibars, ce qui donne lieu à des températures de saturation, encore
une fois environ, de 0ºC et 36ºC environ comme cela peut être vérifié dans l'annexe: donnes de la
courbe de saturation de l’eau.
Illustration 3: diagramme p-h
15
L’illustration 4 est un schéma du design de l’installation et de ses composants qui forment le cycle
thermodynamique et ceux qui, bien que pas strictement partie est également nécessaire pour le bon
fonctionnement. On peut bien différencier plusieurs composants qui vont maintenant être brièvement
nommés, mais plus tard, seront expliqués en détail.
- À l’intérieur de la cuve métallique ils se logent l’évaporateur et le condenseur ;
- ces deux derniers sont connectés pour le groupe turbocompresseur que on peut le voir à la
droite avec clairement les deux étages que il a (la première étage sont deux groupes en
parallèle et la deuxième un en série) ;
- la boite blanche de la gauche est ou l’aéroréfrigérant se trouve.
Illustration 4: schéma 3D installation
4.3 Cadre de stage
Le laboratoire et la start-up ont une collaboration pour la recherche du projet Snowfarm X, et ainsi le
stage s’est déroulé en partie au LEGI en partie à l’Alpinov X.
Les objectives du stage étaient :
- Elaborer une méthodologie de simulation de l’ensemble du procédé : évaporateur,
compresseur, condenseur, cristalliseur, échangeurs…
- Etablir des liens entre modélisation physique et architecture système
- Proposer un outil de dimensionnement optimisé à destination du bureau d’étude
Le projet Snowfarm X n’est pas simple, lie une série de complexes composants avec un objectif
commun, de telle sorte que chaque élément doit pouvoir être traités séparément comme un élément
16
indépendant avec sa fonction particulière, et en tant que partie d'un ensemble, comme un lien dans
une chaîne qui doit fonctionner conformément. On a utilisé l’expression une chaîne parce que le flux
de données et de variables se déplace dans le système dans une seule direction et sens, de sorte que
les variables de sortie d'un élément seront les variables d'entrée de la suivante. On n’a pas des
ramifications sauf avec le cristalliseur qu’on pourrait dire que c’est les donnes d’entrée.
Illustration 5: bloc individuel
La raison pour laquelle il est décidé, une fois que tout le système est compris, d'étudier séparément
chaque composant du système comme s'il s'agissait d'un système de blocs indépendants pour les
réunir plus tard.
L'objectif de cette séparation est que les variables d'entrée dans chaque composant sont fixes et que
cette composante est analysée à partir de celles-ci, et le composant suivant n'est pas pris en compte.
Ce sera quand tous les blocs se joindront quand il essaiera d'optimiser le processus en fonction des
paramètres désirés.
Physiquement parlant, les variables et les données nommées sont les débits, les puissances, les
températures et les pressions, et les liens entre chaque composante sont les équations et les bilans
massiques et thermiques qui définissent le processus effectué dans chaque cas. En ce qui concerne le
sens de ce qui est entré et ce qui est la sortie a été suivie la même qui porte l'eau dans le cycle
thermodynamique. Les doubles flèches se réfèrent à un échange de chaleur entre deux fluides.
Illustration 6: système pour blocs
17
4.4 Cristalliseur
On pourrait dire que le cristalliseur est le composant le plus important de toute l'installation, c'est là
que la neige se forme réellement. C'est l'élément pour lequel le reste des composants est conçu.
À l'intérieur du cristalliseur, il y a un échange de chaleur entre deux fluides: entre l'eau douce qui est
prise de l'extérieur pour se solidifier dans la glace et l'eau salée (la cause de que soit eau salée sera
expliquée plus tard) de l'évaporateur. Logiquement, c'est l'eau fraîche qui sera refroidie et l'eau salée
qui sera chauffée.
Le cristalliseur lui-même est un cylindre de diamètre 706 mm et hauteur 800 mm qui prendre en
contact les deux fluides. Il est fait d'un acier commercial, mais il a été baigné dans zinc pour le
galvaniser et prévenir la corrosion due à l'eau salée. Alors que l'eau douce traverse longitudinalement
le cylindre de base à base, pour maximiser la surface de contact, le cristalliseur a deux circuits en spirale
qui courent sa face latérale quand ils le montent.
Par conséquent, l'eau salée sorti de l'évaporateur à la température à cela est, arrive au cristalliseur via
une pompe située entre les deux éléments, elle traverse des deux circuits en parallèle en forme de
spirale, tout en refroidissant l'eau douce, et retourne à évaporateur évidemment plus chaud que
quand il est sorti. Le débit maximal d'eau salée est déterminé par la pression qui peut générer la pompe
et les pertes de charge qui se produisent à travers des tuyaux de connexion évaporateur-cristalliseur
et les circuits à l'intérieur du cristalliseur.
Graphique 1:débit maximum en le cristalliseur
Le graphique oppose à la courbe caractéristique de la pompe utilisée et la courbe des pertes de charge
du circuit que l'eau salée doit parcourir avec l'impulsion de la pompe. La pression est représentée en
mètres (sachant que ∆𝑝 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ∆𝑧) et le débit en mètres cubes par heure. Le point de coupe s'avère
être (12.5, 11.5) donc au maximum pourront circuler 12.5 m3/h pour l’intérieur du cristalliseur.
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
PR
ESSI
ON
DEBIT
Pompe vs Circuit
18
Les différentes vannes qui se trouvent au cours des tuyaux entre le cristalliseur et l'évaporateur sont
les responsables de la régulation de ce débit. Se traite d’une pompe multicellulaire de marque Salmson
dont courbes originales se trouvent dans l’annexe.
A partir de maintenant, on appellera puissance froide du cristalliseur 𝑃𝑓.𝑐. à la puissance nécessaire
pour générer de la neige à la température désirée à partir de l'eau douce à la température de réseau.
L'eau douce doit d'abord être refroidie à la température de congélation, après extraire la chaleur
latente de solidification pour obtenir la glace, et finalement refroidir jusqu'à la température finale
désirée. Quant à l'eau salée, sa capacité thermique est simplement utilisée pour absorber toute la
chaleur que suppose la solidification de l'eau douce.
C'est l'équilibre thermique qui a lieu à l'intérieur du cristalliseur:
𝑃𝑓.𝑐.= (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞*ΔT1) + (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐿 𝑠𝑜𝑙 ) + (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐶𝑝 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*ΔT2)= 𝑚𝑠𝑎𝑢*𝐶𝑝 𝑠𝑎𝑢*(T2’ – T2)
Les flux massiques sont représentés par 𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒 et 𝑚𝑠𝑎𝑢, et les températures T2’ et T2 sont
respectivement les températures d'entrée et de sortie de l'eau salée par rapport à l'évaporateur.
La condition de limite thermique dans cet échange de chaleur est donnée par l'eau douce car elle a le
plus faible produit "flux * chaleur spécifique [J/s*K] ". Ce sont leurs débits et leurs températures qui
déterminent la température maximale pouvant être dans l'évaporateur.
Une autre condition limitative est que la température de sortie de l'eau salée du cristalliseur ne peut
pas être supérieure à la température de saturation à la pression de l'évaporateur car si elle s'évapore,
il y a un risque de cavitation, ce qui est fatal pour le système en raison des dommages physiques qu'elle
peut causer aux structures.
4.5 Evaporateur
L'évaporateur est l'élément central de la boucle du cycle, c'est celui qui vraiment absorbe la chaleur
qui est évacuée du cristalliseur.
Dans tout système de froid industriel, l'évaporateur est un élément indispensable, c'est le lien entre le
système à refroidir et le cycle thermodynamique qui absorbe la chaleur extraite dudit système.
L'évaporateur lui-même n'est pas qu'un continent où le fluide à évaporer est logé et la vapeur générée
est libérée en raison de la chaleur reçue. C'est un cylindre avec les suivantes dimensions: diamètre =
690mm et hauteur = 1708mm.
Comme cela est logique et se fait dans tous les cycles thermodynamiques d'évaporation-condensation,
la pression de travail à l'intérieur de l'évaporateur est très faible, de sorte que la température de
saturation du fluide frigorigène est faible et facilement réalisable.
Dans ce cas, le fluide qui subit le cycle thermodynamique est l'eau salée. En premier lieu, il sera
expliqué pourquoi l'eau est un fluide fréquemment utilisé dans ce type d'installations et ensuite la
raison pour laquelle l'eau salée a été choisie sera discutée ci-dessous. Il faut noter que bien que l'eau
et sa vapeur ne fonctionnent pas à des températures élevées, sauf à la sortie du compresseur, c'est
toujours le fluide caloporteur car c'est le fluide qui échange de la chaleur avec le système pour refroidir
et évacuer sa chaleur.
19
Les principales raisons pour lesquelles l'eau est utilisée comme fluide de refroidissement sont ses
caractéristiques thermiques: sa grande chaleur latente de vaporisation et sa chaleur spécifique élevée.
Cela permet une bonne absorption de la chaleur avec un débit pas trop élevé.
C'est un fluide caloporteur économique pour des températures allant jusqu'à 100° C. Pour des
températures plus élevées, le circuit doit être pressurisé pour pouvoir continuer à être le fluide en
phase liquide - eau surchauffée - et donc les coûts augmentent considérablement. C'est pourquoi son
champ est délimité beaucoup de fois à des températures inférieures à celles 100° C.
Les conditions de travail à l'intérieur de l'évaporateur sont autour de 6 millibars, donc ces conditions
sont très proches du point triple de l'eau, état physique (pression de 6,15 millibars, température de
0,01 ° C) dans lequel coexistent leurs trois états simples: vapeur d'eau, eau liquide et glace. La
température de saturation associée à ladite pression est de 0 ° C.
Illustration 7: point triple eau
On peut voir parfaitement dans l'illustration 7 que la pression diminue, la température de saturation
fait la même chose. Par exemple, la pression d'ébullition de 100°C est amenée à la pression
atmosphérique à une pression de saturation de 50°C pour une pression de 0,123 bar. C'est la raison
physique pour laquelle les évaporateurs fonctionnent à des pressions aussi basses. De la même
manière, il est expliqué qu'un compresseur est utilisé pour augmenter la pression de condensation et
ainsi la chaleur dégagée lors de ce changement de phase est plus grande.
20
Cependant, la température de congélation est beaucoup moins affectée par la pression, on pourrait
l'approcher que la courbe de congélation de l'eau est indépendante de la pression, c'est-à-dire que
dans ce diagramme c'est presque une droite verticale.
Travailler à une pression aussi basse rend la vaporisation de l'eau plus facile et moins coûteuse du
point de vue thermique, cependant, être si proche du point triple signifie courir le risque de geler l'eau.
C'est la raison pour laquelle il est décidé d'utiliser de l'eau salée à la place de l'eau pure. L'eau salée
abaisse considérablement le point de congélation, ce qui réduit considérablement le risque de gel.
Dans l'illustration 8, c’est possible observer les différentes phases qui coexistent en fonction de la
température à laquelle la solution est. Le liquide - entre les lignes rouges - se rapporte à la dissolution
de H20 et de NaCl, communément appelée saumure; dans le reste du diagramme apparaissent des
phases solides, soit de la glace, soit de la solution sursaturée dans laquelle a solidifié l'un ou les deux
composants. Ce diagramme est à la pression atmosphérique.
Illustration 8:diagramme saumure
La raison de l'ajout de NaCl à l'eau de l'évaporateur est de réduire son point de congélation, c'est-à-
dire d'éviter la formation de glace. Le point eutectique du diagramme (mélange de deux composants
à point de solidification minimum, inférieur à celui correspondant à chacun des composés à l'état pur)
se trouve à une concentration de 23% en poids de NaCl et à une température de -21°C. L'objectif est
de maintenir une concentration de NaCl autour de 15-20% pour avoir une température de congélation
oscillant entre -12 et -20°C, même si la température de l'évaporateur approche 0°C ou même dépasse
de quelques degrés, non de la glace devrait se former.
21
L'addition de NaCl a une autre conséquence thermodynamique importante dans l'eau. En raison de sa
densité supérieure à celle de l'eau, la solution finale augmente sa densité et sa viscosité, ce qui entraîne
une augmentation du point d'ébullition et une diminution du point de congélation. En calculant la
molalité de la solution (nombre de moles de soluté pour chaque kilogramme de solvant), on peut
obtenir de tels changements de température:
∆𝑇𝑐 = 𝑘𝑐 ∗ 𝑚
∆𝑇𝑒 = 𝑘𝑒 ∗ 𝑚
Où m est la molalité, 𝑘𝑐 la constante de congélation du solvant (1,86 K * kg / n° moles), 𝑘𝑒 la constante
d'ébullition du solvant (0,512 K * kg / n° moles) et ∆𝑇𝑐 et ∆𝑇𝑒 sont les variations de la température de
congélation et d'ébullition respectivement. Par exemple, pour une solution de NaCl à 20% dans l'eau,
on obtient de nouvelles températures de congélation et d'ébullition de -7,96 ° C et de 2,19 ° C. Ces
deux expressions précédentes se réfèrent à pression atmosphérique.
Fonctionnement d’évaporateur
En fonction du volume de saumure à l'intérieur de l'évaporateur, le système fonctionne d'une manière
ou d'une autre, il y a un volume maximum de 200 litres et un minimum de 50 litres qui font office de
limites. Ce volume dépend des flux entrants et sortants.
Illustration 9: schéma évaporateur
La boucle cristalliseur-évaporateur fonctionne toujours, c'est-à-dire que msau est constant et que, grâce
à sa contribution de chaleur, l'évaporateur produit toujours de la vapeur: mvap n'est jamais nul. C'est
le débit de condensats le responsable de que le volume de saumure qui ne soit pas constant, ce débit
alimentera l'évaporateur lorsqu'il atteindra le volume minimum de 50 litres, et cessera de fonctionner
lorsque le niveau sera au maximum.
22
Au lieu de travailler avec des volumes, on travaille avec la hauteur pour faciliter la mesure: avec la
section d'évaporateur constante, les hauteurs maximum et minimum sont respectivement Hmax et
Hmin.
Selon que le retour des condensats fonctionne ou non, nous aurons des bilans de masse et d'énergie
différents à l'intérieur de l'évaporateur. Ci-dessous sont expliqués.
a) Retour des condensats ON
Le système se comporte comme un système stationnaire, la hauteur de l'évaporateur est comprise
entre les limites imposées. Ces sont les bilans qui ont lieu:
- Bilan massique: voir dans l'illustration 9
𝑚𝑣𝑎𝑝 + 𝑚𝑠𝑎𝑢 𝑂𝑈𝑇= 𝑚𝑠𝑎𝑢 𝐼𝑁 + 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑→ 𝑚𝑣𝑎𝑝 = 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑
La boucle du cristallisoir est toujours constante, de sorte que lorsque le retour de condensat
est activé, le débit massique qui entre dans l'évaporateur par le retour sera le même que celui
qui est évaporé.
- Bilan thermique
𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑
𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝑚𝑣𝑎𝑝*[𝐿𝑣𝑎𝑝+𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇2)]
𝑃𝑓.𝑐.= 𝑚𝑠𝑎𝑢 ∗ 𝐶𝑝 𝑠𝑎𝑢 ∗ (𝑇2′ − 𝑇2)
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑*𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞 ∗ (𝑇1 − 𝑇2)
L'évaporation de la saumure est due à la chaleur apportée par les flux provenant à la fois du
cristalliseur et du condenseur, qui atteignent tous deux des températures supérieures à celles
de l'évaporateur.
Les deux variables à calculer sont le débit m, qui représente à la fois le débit de condensat et
le débit de vapeur formé (bilan massique), et la température T2 à l'intérieur de l'évaporateur.
Le reste sont des variables qui sont fixées par d'autres composants: la puissance du cristalliseur
est réglée en fonction du débit massique de neige à former, de la température d'entrée de
l'eau douce et de la température finale de la neige; la chaleur latente de vaporisation et la
température de saturation dépendent directement de la pression dans l'évaporateur réglé par
le compresseur; bien que les chaleurs spécifiques à pression constante dépendent de la
température ils ont été prises comme constantes en raison de leur variation négligeable.
Il faut se rappeler que l'eau salée à l'intérieur de l'évaporateur à la température T2 est
responsable du refroidissement et de la congélation de l'eau douce. Par conséquent, comme
cela est connu par transfert de chaleur, la température finale de la neige ne sera jamais
inférieure à la température T2.
𝑚 =𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡
𝐿𝑣𝑎𝑝+𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝(𝑇𝑠𝑎𝑡−𝑇2)−𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞(𝑇1−𝑇2)
b) Retour des condensats OFF
23
Dans ce cas, le système cesse d'être un système stationnaire, car il est en train de se vider: le niveau
de saumure se situe entre les deux limites établies jusqu'à ce qu'il atteigne le niveau inférieur. On a
ces deux conditions:
𝐻𝑚𝑖𝑛 ≤ H (t)≤ 𝐻𝑚𝑎𝑥
𝑑𝐻(𝑡)
𝑑𝑡< 0
Maintenant, le flux de vapeur formé est égal à la quantité d'eau salée qui est vidée, et est uniquement
due à la chaleur fournie par la boucle du cristalliseur qui ne cesse jamais de fonctionner.
𝑚𝑣𝑎𝑝 = −𝑑𝑉(𝑡)
𝑑𝑡∗ 𝜌 = −𝑆 ∗
𝑑𝐻(𝑡)
𝑑𝑡∗ 𝜌 =
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡
𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝)→
−𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) ∗ dH(t) = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝑑𝑡 →
∫ −𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) ∗ dH(t) = ∫ 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝑑𝑡𝐻𝑚𝑖𝑛
𝐻𝑚𝑎𝑥 →
(𝐻𝑚𝑎𝑥 − 𝐻𝑚𝑖𝑛)∗ 𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝛥𝑡
De cette manière, l'intervalle de temps de vidange pour une puissance de cristallisation fixe et le flux
de vapeur généré pendant ce temps peuvent être obtenus.
On peut voir en l’illustration 13 le schéma d’opération du retour des condensats en fonction des
hauteurs limites.
4.6 Compresseur
24
Avant de démarrer avec le compresseur, la présence d'un réchauffeur dans la partie finale de
l'évaporateur est expliquée, c'est-à-dire qu'il agit sur le fluide une fois qu'il est à l'état gazeux. C'est un
radiateur à infrarouges, donc il n'y a pas de contact ou d'échange de chaleur avec un autre fluide, il
chauffe simplement la vapeur d'eau due aux radiations.
Le système infrarouge ne fonctionne pas toujours, il serait activé comme mesure de sécurité au cas où
l'évaporation ne serait pas achevée à 100% et que le compresseur puisse absorber des gouttes d'eau
liquide qui serait dangereuse pour son bon fonctionnement. L'objectif est que seule la vapeur d'eau
pénètre dans le compresseur.
Le deuxième démonstrateur travaille avec un compresseur Roots à deux étages: un premier étage avec
deux groupes de compresseurs en parallèle et un second avec un compresseur en série.
La basse pression, pression à laquelle la vapeur entre dans le compresseur, est définie par la courbe
de saturation et la température à l'intérieur de l'évaporateur. Au lieu de cela, la pression de sortie est
réglée par la température extérieure de sorte que la condensation peut être effectuée correctement.
L'un des paramètres les plus utilisés pour mesurer l'efficacité d'une installation de réfrigération est le
COP (Performance Coefficient), qui est défini comme le quotient entre la puissance froide développée
par le système et la puissance de compression nécessaire pour élever le fluide en question de la basse
à la haute pression.
La puissance du compresseur Roots est calculée ainsi :
𝑃𝐶 = 𝑊𝐶 ∗ 𝑚𝑣𝑎𝑝
Sachant que 𝑊𝐶 est le travail de compression qui dépend directement de la température d’entrée (à
cause de juste ça, le fait de devoir utiliser le surchauffer avant le compresseur est un prix que il faut
payer, parce que bien que soit nécessaire pour éviter l’entrée de liquide va à provoquer une diminution
en le COP).
𝑊𝐶 = 𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 ∗ 𝑇4 ∗ (𝜆−1
Ƞ𝑖𝑠
) = ℎ5-ℎ4
𝜆 = (p𝑐𝑜𝑛𝑑
p𝑒𝑣𝑎𝑝
)𝛾−1
𝛾
On a appelé 𝛾 au quotient entre la chaleur spécifique à pression constante et la chaleur spécifique à
volume constant. Pour traiter la vapeur d’eau on travaille avec l’hypothèse de gaz parfait, de cette
façon le rendement isentropique peut se calculer depuis les températures.
Ƞ𝑖𝑠 =ℎ5𝑖−ℎ4
ℎ5−ℎ4=
𝑇5𝑖−𝑇4
𝑇5−𝑇4
Pendant la période du stage, peu de temps a été consacré à l'étude du compresseur pour deux raisons:
en premier lieu, parce que c'est un des éléments du système qui a encore des doutes, s'il est plus
convenable d'utiliser un compresseur Roots ou un compresseur centrifuge d'un hélicoptère. En fait,
peu avant de la fin du stage, Alpinov X a tenu une réunion avec la société Price Induction sur la
possibilité de designer un nouveau compresseur pour le projet. En plus de cela, il a été considéré que
le cœur du projet sont l'évaporateur et le cristalliseur, parties auxquelles plus de temps a été consacré.
4.7 Condenseur
25
En premier lieu la répartition spatiale de l'évaporateur et du condenseur doit être expliquée, puisque
les deux sont logés à l'intérieur de la grande cuve métallique de telle sorte que les tubes du
condenseur, à travers lesquels circule l'eau glycolée, entourent l'évaporateur.
Illustration 10: vues evap-cond
Le condensateur est logé à l'intérieur de la grande cuve comme on peut le voir sur l'illustration numéro
10. A côté de l'évaporateur, il est l'autre élément essentiel de tout cycle thermodynamique de ce style.
Le condenseur se compose de 22 tubes disposés régulièrement formant une cage de forme
cylindrique. Chaque tube a des dimensions de diamètre = 24 mm et hauteur =1708mm et sont équipés
de 6 ailettes chacun pour augmenter la surface d'échange thermique et la faciliter. La surface de
chaque tube est 0.13m2 et celle de chaque groupe de 6 ailerons est 1.56m2, donc une augmentation
de 1300% de la surface est atteinte. La surface totale d’échange est de 37.13m2.
L'eau glycolée, le fluide de refroidissement, circule verticalement à travers les tubes. La vapeur pénètre
à travers la partie supérieure de la cuve et lorsqu'elle entre en contact avec les tuyaux, elle commence
à se condenser sur les ailettes et sur la surface externe des tuyaux en raison de la convection. Les
condensats descendent le long des tubes et des ailettes à cause de la gravité jusqu'à ce qu'ils tombent
et s'accumulent dans le réservoir de condensat au fond de la cuve.
Dans les échangeurs de chaleur à changement de phase, que ce soit ébullition ou condensation, on
parle de convection forcée, car ce n'est pas une convection naturelle sinon qu’elle est générée
volontairement. Il existe des livres dans lesquels ces deux cas sont différenciés: convection forcée et
26
convection avec changement de phase de l'un des deux fluides car le coefficient de film obtenu dans
ces derniers cas est généralement plus grand.
Le type de condensation qui se produit est la condensation de film: au fur et à mesure que la vapeur
se condense et que les premières gouttes d'eau liquide se forment à la surface, une pellicule de
condensat commence à apparaître qui descendra par son propre poids. Ce débit de condensat est un
paramètre parfaitement
mesurable, habituellement mesuré
en Kg / s / m, c'est-à-dire le débit de
condensat par mètre de hauteur,
puisqu'il s'agit de tubes verticaux.
Pour calculer le coefficient de
transfert de chaleur dans chaque
cas de convection, il existe de
nombreuses corrélations physiques
complexes basées sur des
expériences. Heureusement, il y a
une grande variété: pour chaque
phénomène physico-chimique qui
se produit, pour chaque disposition
spatiale des éléments en question,
pour chaque orientation ...
La convection est expliquée par la Loi de refroidissement de Newton:
𝑑𝑄
𝑑𝑡= ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝑇𝑓)
- h est le coefficient de film correspondant au procès
- A corresponde avec la surface d’échange
- Tsurf est la température de la surface
- Tf est la température du fluide en question
Le nombre de Nusselt (Nu) est un nombre sans dimension qui mesure l'augmentation de la
transmission de la chaleur d'une surface à travers laquelle un fluide s'écoule (transfert de chaleur par
convection) par rapport au transfert de chaleur s'il se produit uniquement par conduction.
Illustration 11:valeurs typiques coefficients de film
27
𝑁𝑢 =𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛
𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛=
ℎ ∗ 𝐿
𝐾𝑓
Une fois que on sait le nombre de Nusselt adéquate on
saura le valeur de h [ W/m2/K]. Pour la disposition des tubes,
la condensation et autres paramètres physiques mesurés
cette est la corrélation que on a utilisé :
𝑁𝑢 = 1.13 ∗ (𝑔 ∗ 𝜌𝑙 ∗ ℎ′
𝑓𝑔 ∗ 𝐿3
𝜇𝐿 ∗ 𝐾𝐿 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓))0,25
Ces sont les paramètres qui apparièrent dans les
équations antérieurs :
- g est l’accélération de la gravité
- ℎ′𝑓𝑔 = ℎ𝑓𝑔* (1 + 0.68* Ja)
- ℎ𝑓𝑔≡ chaleur latente de vaporisation à la température adéquate
- 𝐽𝑎 ≡ nombre de Jakob ; 𝐽𝑎 =Cp liq*(Tsat - Tsurf)/ ℎ𝑓𝑔
- L dans ce cas est la hauteur du cylindre
- 𝜇𝐿 est la viscosité du liquide
- 𝐾𝐿 est la résistance thermique du fluide de convection
Cette partie n’a pas été finie pour manque de temps, il faut terminer les calculs de la corrélation pour
dimensionner le condenseur.
Double réfrigération
La pression imposée à la sortie du compresseur sera celle qui est pratiquement à l'intérieur du
condenseur, car il n'y a pratiquement aucune perte de charge à travers les conduits qui relient les deux
blocs. C'est cette pression qui déterminera la température de saturation de la vapeur et la plupart des
paramètres impliqués dans la condensation.
L'autre grande variable, imposée de l'extérieur du condenseur lui-même, est la température d'entrée
de l'eau glycolée au circuit de refroidissement, c'est-à-dire aux tubes. La vapeur d'eau est refroidie - et
condensée - par le circuit d'eau glycolée, et l'eau glycolée à son tour est refroidie par l'air prélevé de
l'extérieur et entraînée par un ventilateur, donc la température d'entrée de l’eau glycolée dans les
tubes elle est bornée inférieurement par la température extérieure de l'environnement.
La puissance qui doit être évacuée pour que la condensation de la vapeur soit complète à 100% est la
suivante:
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑚𝑣𝑎𝑝 ∗ [(𝑇5 − 𝑇𝑠𝑎𝑡(𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑)) ∗ 𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 + 𝐿𝑣𝑎𝑝 + (𝑇𝑠𝑎𝑡(𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑)−𝑇6) ∗ 𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞)]
Illustration 12: profil de film de condensation
28
Le fluide frigorigène qui circule à l'intérieur du condenseur est l'eau glycolée qui sort du condenseur à
la température 𝑇𝑔𝑙𝑦 𝑂𝑈𝑇 et est refroidie par un ventilateur d’air prélevé de l'extérieur.
𝑃𝑔𝑙𝑦= 𝑚𝑔𝑙𝑦 ∗ 𝐶𝑝 𝑔𝑙𝑦 ∗ (𝑇𝑔𝑙𝑦 𝑂𝑈𝑇−𝑇𝑔𝑙𝑦 𝐼𝑁)
𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟= 𝑚𝑎𝑖𝑟 ∗ 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟 ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟 𝑂𝑈𝑇−𝑇𝑎𝑚𝑏)
Le fluide à condenser est de la vapeur d'eau à 𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑 et à une température 𝑇5 lequel est défini par le
compresseur utilisé, compte tenu de l'absence de refroidissement de la vapeur entre le compresseur
et le condenseur. La température 𝑇6 correspond à la température du dépôt de condensats, qui n'est
pas la température définitive avec laquelle les condensats reviennent à l'évaporateur car dans le circuit
de retour des condensats se trouve un autre échangeur de chaleur qui le régule définitivement. Donc,
ce 𝑇6 ne doit pas être trop bas.
Sachant que la pression à l'intérieur du condenseur est d'environ 60 millibars, la température de
saturation peut être d'environ 33-38 º C, donc la température de l'eau glycolée 𝑇𝑔𝑙𝑦 𝐼𝑁 doit être
inférieure au moins quelques degrés que celle ainsi l'échange de chaleur et la condensation
conséquente se produisent de manière appropriée.
En réalisant ces deux équilibres thermiques, vapeur d'eau-eau glycolée et eau glycolée-air, on peut
calculer le débit d'eau glycolée nécessaire puis le débit d'air que le ventilateur doit déplacer.
Le ventilateur est un aéroréfrigérant construit par la société CIAT. Quelques caractéristiques
techniques figurent à l'annexe Aéroréfrigérant.
29
4.8 Retour de condensats
Le composant qui a été appelé retour de condensat n'est pas plus que l'ensemble des tuyaux que l'eau
prend du dépôt des condensats du fond du condenseur, à l'intérieur de la cuve, et les renvoie à
l'évaporateur. Tout au long de ce circuit, il y a plusieurs éléments:
- la pompe responsable de l'impulsion du fluide
- un échangeur de chaleur pour réguler la température d'entrée finale de l'évaporateur qui de nouveau
travaille avec l’air ambiant donc la température extérieur sera la température minima d’entré à
l’évaporateur
- une vanne de régulation pour réguler le fonctionnement du circuit en fonction du niveau de saumure
à l'intérieur de l'évaporateur comme expliqué ci-dessus.
Ce serait le schéma de fonctionnement du circuit
Illustration 13: retour des condensats ON/OFF
30
5. Conclussions
5.1 Formation indésirable de glace
Une des grandes conclusions obtenues au cours du stage a été l'importance du soluté et de la pression
totale dans la température de congélation de la solution. La raison pour laquelle l'eau salée est utilisée
à la place de l'eau pure comme fluide caloporteur a été expliquée en détail ci-dessus, car on pensait
que la réduction de la température de congélation était suffisante pour l'usage qui lui serait donné à
l'intérieur de l'évaporateur. Lors de l'essai du deuxième démonstrateur, on a découvert que même une
petite couche de glace se formait sur la surface libre de l'évaporateur, ce qui semblait physiquement
impossible parce que la concentration de NaCl était adéquate et que la température était supérieure
à la température de congélation. Cette formation indésirable de glace a ralenti l'ensemble du
processus, même en arrêtant la machine.
Plusieurs hypothèses ont été soulevées pour expliquer cet événement:
- les données et les diagrammes utilisés pour calculer les températures de congélation de l'eau étaient
pour des processus effectués à la pression atmosphérique, et que la courbe du point triple de l'eau
change en raison de l'addition d'un soluté plus dense qu’elle.
- la glace se forme à l'interface entre l'environnement (eau salée de l'évaporateur avec une
concentration adéquate) et les bulles de vapeur d'eau déjà formées (concentration de NaCl à son
intérieur nulle), où la concentration pourrait être moins qu'adéquate. Cette glace resterait attachée
aux bulles qui, en raison de la différence de densité avec l'eau salée qui les entoure, montent à la
surface libre où la glace est retenue formant la couche en question.
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6. Lignes futures
Compte tenu des objectifs initiaux du stage, on peut dire qu'ils n'ont pas été complétés à 100%.
Pendant ce temps, on a travaillé avec Excel comme outil informatique pour estimer et calculer les
paramètres en jeu, l'étape suivante serait d'utiliser un programme plus puissant pour simuler le
processus avec plus de précision et de détails.
Une partie importante du temps a été consacrée à étudier et tenter de résoudre l'imprévu de la
formation de glace à l'intérieur de l'évaporateur, qui, bien que n'étant pas entré dans les plans initiaux
a été l'un des sujets les plus discutés. Ce problème doit être résolu pour répondre aux attentes de la
machine
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7. Notation utilisée
Symbole Signification
t Variable de temps H(t) Hauteur en fonction du temps V(t) Volume saumure en fonction du
temps S Section évaporateur Δt Intervalle de temps Pc Puissance de compression WC Travail de compression λ ηis Rendement isentropique h5i Enthalpie point 5 isentropique T5i Température point 5
isentropique Tsurf Température tubes condenseur Tf Température vapeur A Surface échange condensation Nu Nombre de Nusselt ρl Densité de l’eau h’fg Chaleur latente de vaporisation
corrigée hfg Chaleur latente de vaporisation Ja Nombre de Jakob μl Viscosité dynamique de l’eau κl Résistance thermique de l’eau Pgly Puissance eau glycolée Cp gly Chaleur à pression constante
d’eau liquide mgly Débit eau glycolée Tgly IN Température d’entrée d’eau
glycolée Tgly OUT Température de sortie d’eau
glycolée Pventillateur Puissance aéroréfrigérant mair Débit d’air Cp air Chaleur à pression constante
d’eau liquide Tair OUT Température d’air de sortie T amb Température d’ambiant
Symbole Signification
Ti Température d’état de référence i
pi Pression d’état de référence i pcond Pression condenseur pevap Pression évaporateur Z3 Hauteur évaporateur Z6 Hauteur condenseur ρ Densité g Gravité Δz κ Différence de hauteur Pf.c. Puissance froide cristalliseur mglace Débit glace Cp liq Chaleur à pression constante
d’eau liquide ΔT1 Température entrée d’eau
moins température congélation d’eau
ΔT2 Température congélation d’eau moins température finale glace
Lsol Chaleur latente de solidification
Cp glace Chaleur à pression constante de la glace
msau Débit saumure Cp sau Chaleur à pression constante
de la saumure ΔTc Variation de température de
congélation ΔTe Variation de température
d’ébullition kc Constant de congélation ke Constant d’ébullition m Molalité mvap Débit vapeur msau IN Débit saumure d’entrée msau OUT Débit saumure de sortie Hmax Hauteur maximum saumure Hmin Hauteur minimum saumure mcond Débit condensats Pvap Puissance vaporisation Pcond Puissance condenseur Lvap Chaleur latente de
vaporisation Cp vap Chaleur à pression constante
de la vapeur d’eau
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8. Table d’illustrations
Illustration 1: schéma synoptique ..................................................................................................... 11
Illustration 2:schéma 2D installation ................................................................................................. 13
Illustration 3: diagramme p-h ............................................................................................................ 14
Illustration 4: schéma 3D installation ................................................................................................ 15
Illustration 5: bloc individuel ............................................................................................................. 16
Illustration 6: système pour blocs...................................................................................................... 16
Illustration 7: point triple eau............................................................................................................ 19
Illustration 8:diagramme saumure .................................................................................................... 20
Illustration 9: schéma évaporateur.................................................................................................... 21
Illustration 10: vues evap-cond ......................................................................................................... 25
Illustration 11:valeurs typiques coefficients de film ........................................................................... 26
Illustration 12: profil de film de condensation ................................................................................... 27
Illustration 13: retour des condensats ON/OFF.................................................................................. 29
Graphique 1:débit maximum en le cristalliseur ................................................................................. 17
Table 1: états de référence ............................................................................................................... 13
34
9. Bibliographie
Fundamentals of Heat and Mass Transfer (1 septembre 2006) de Frank P. Incropera
(Auteur), David P. DeWitt (Auteur), Theodore L. Bergman (Auteur), Adrienne S. Lavine
(Auteur)
Advanced Fluid Mechanics for Processes (année académique 2017/18) ENSE3
Aerodynamics and Combustion (année académique 2017/18) ENSE3
Atomization and Sprays (1989) de Arthur H. Lefebvre
Ecoulements multiphasiques des fondements aux méthodes d’ingénierie (2006) de Benoît
Oesterlé
Optimal design of a Thermodynamic Vent System for cryigenic propellanr storage (2016) de
Samuel Mer, David fernandez, Jean-Paul Thibault, Christophe Corre
http://energiadoblecero.com (juin 2017)
https://www.gildardoyanez.com (juin 2017)
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10. Annexes
10.1 Donnes de la courbe de saturation de l’eau
36
10.2 Courbes caractéristiques de la pompe multicellulaire
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10.3 Aéroréfrigérant
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10.4 Donnes eau glycolée