evaluaciÓn de una instalaciÓn de...

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA

Departamento de Ingeniería Energética Grupo de Termotecnia

PROYECTO FIN DE MÁSTER

EVALUACIÓN DE UNA INSTALACIÓN DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN

CON CAPTADORES FRESNEL

Autor: Juan Rafael López Ramírez

Tutor: Dr. José Guerra Macho Sevilla, Noviembre 2013

Planta de refrigeración solar por absorción de la ESI


Índice 0 NOMENCLATURA ............................................................................................ 1 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 5 2 DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO ................................................................ 6 2.1 Captador solar Fresnel ........................................................................................................ 8 2.2 Acumulador de cambio de fase ........................................................................................ 11 2.3 Máquina de absorción ...................................................................................................... 13 2.4 Estrategias de control ....................................................................................................... 15 2.5 Modos de operación del circuito solar ............................................................................. 23 3 PLAN DE ENSAYOS ........................................................................................ 27 3.1 Verificación ....................................................................................................................... 27 3.2 Descripción del plan de ensayos ....................................................................................... 27 3.3 Datos de operación según modo estacional ..................................................................... 29 3.4 Mantenimiento de la PRS. Análisis de fallos ..................................................................... 40 4 RESULTADOS ................................................................................................ 48 4.1 Caracterización del captador Fresnel ................................................................................ 48 4.2 Caracterización de la Máquina de Absorción ................................................................... 48 4.3 Caracterización de las tuberías del circuito solar ............................................................. 48 4.4 Metodología de cálculo..................................................................................................... 63 4.5 Resultados numéricos ....................................................................................................... 78 4.6 Análisis energético y exergético ....................................................................................... 83 5 RESUMEN Y CONCLUSIONES .......................................................................... 93 5.1 Resumen ........................................................................................................................... 93 5.2 Conclusiones ..................................................................................................................... 93 6 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 97 7 ANEXOS ........................................................................................................ 99 7.1 Anexo 1: Curvas de funcionamiento de la máquina de absorción ................................... 99


Figuras Figura 1. Esquema de principio ..................................................................................................... 7 Figura 2. Esquema de principio del acoplamiento de la PRS con la ESI ........................................ 8 Figura 3. Esquema de un captador solar tipo Fresnel. .................................................................. 9 Figura 4. Reflector secundario y tubo absorbedor con cubierta de vidrio ................................. 11 Figura 5. Hidroquinona. 1,4 – dihidroxibenzeno ......................................................................... 12 Figura 6. Sección longitudinal del acumulador de cambio de fase ............................................ 12 Figura 7. Acumulador de cambio de fase .................................................................................... 13 Figura 8. Esquema de funcionamiento de una máquina de absorción de doble efecto. ........... 14 Figura 9. Máquina de absorción BROAD BZH15. ......................................................................... 15 Figura 10. Esquema del circuito solar ......................................................................................... 16 Figura 11. Esquema de la estación meteorológica ..................................................................... 17 Figura 12. Regulación del caudal del circuito solar. .................................................................... 18 Figura 13. Esquema del circuito de frío ....................................................................................... 20 Figura 14. Esquema del circuito de condensación ...................................................................... 21 Figura 15. Esquema del circuito de calor .................................................................................... 22 Figura 16. Días de funcionamiento de la PRS en modo refrigeración ......................................... 31 Figura 17. Condiciones meteorológicas – Día de verano ............................................................ 31 Figura 18. Caudales del circuito solar – Refrigeración ................................................................ 32 Figura 19. Temperaturas del captador y del HTG – Refrigeración .............................................. 32 Figura 20. Potencias del circuito solar – Refrigeración ............................................................... 33 Figura 21. Medidas de sensores del circuito de frío ................................................................... 34 Figura 22. Intercambios energéticos en la MADE – Refrigeración .............................................. 35 Figura 23. Días de funcionamiento de la PRS en modo calefacción ........................................... 36 Figura 24. Condiciones meteorológicas – Día de invierno .......................................................... 36 Figura 25. Caudales del circuito solar – Calefacción ................................................................... 37 Figura 26. Temperaturas del captador y del HTG – Calefacción ................................................. 37 Figura 27. Potencias del circuito solar – Calefacción .................................................................. 38 Figura 28. Medidas de sensores del circuito de calor ................................................................. 39 Figura 29. Intercambios energéticos en la MADE ....................................................................... 40 Figura 30. Frecuencia – Fallos. General ....................................................................................... 46 Figura 31. Frecuencia – Fallos. Por zona ..................................................................................... 47 Figura 32. Frecuencia – Fallos. Por equipos ............................................................................... 47 Figura 33. Evolución de las temperaturas en un día de funcionamiento (23/06/2009). ............ 50 Figura 34. Evolución de las temperaturas en el arranque de la instalación (23/06/2009). ........ 51 Figura 35. Evolución de las temperaturas en el arranque de la instalación (23/06/2009). ........ 51 Figura 36. Cociente entre saltos de temperatura (23/06/2009) ................................................. 54 Figura 37. Cociente entre saltos de temperatura (24/06/2009) ................................................. 54 Figura 38. Cociente entre saltos de temperatura (25/06/2009) ................................................. 54


Figura 39. Curva de enfriamiento del circuito solar (23-24/06/2009). ....................................... 56 Figura 40. Curva de enfriamiento del circuito solar (24-25/06/2009). ....................................... 56 Figura 41. Curva de enfriamiento del circuito solar (25-26/06/2009). ....................................... 57 Figura 42. Diferencia entre el factor de enfoque real y el medido ............................................. 65 Figura 43. Entalpía de la hidroquinona experimental y ajustada matemáticamente ................. 68 Figura 44. Variación de 𝐾𝑒𝑠𝑐 frente a la concentración de CO2 ................................................. 73 Figura 45. Diagrama de Sankey del balance energético ............................................................. 86 Figura 46. Diagrama de Sankey del balance exergético .............................................................. 90 Figura 47. Consumo de gas natural a carga parcial: Modelo BZH15. .......................................... 99 Figura 48. Curvas de COP: Modelo BZH15. ............................................................................... 100


Tablas Tabla 1. Características del sistema de captación. ...................................................................... 10 Tabla 2. Propiedades de la hidroquinona ................................................................................... 12 Tabla 3. Características del acumulador de cambio de fase ....................................................... 13 Tabla 4. Características de la máquina de absorción en condiciones nominales ....................... 15 Tabla 5. Resumen del modo 1 ..................................................................................................... 24 Tabla 6. Resumen del modo 2 ..................................................................................................... 24 Tabla 7. Resumen del modo 3 ..................................................................................................... 25 Tabla 8. Resumen del modo 4 ..................................................................................................... 25 Tabla 9. Resumen del modo 5 ..................................................................................................... 26 Tabla 10. Resumen del modo 6 ................................................................................................... 26 Tabla 11. Valores de 𝑈𝐴𝑡𝑒𝑜,𝑎𝑏 .................................................................................................. 60 Tabla 12. Pérdidas en el circuito solar ........................................................................................ 61 Tabla 13. Intercambios energéticos en modo refrigeración (kWh) ............................................ 80 Tabla 14. Indicadores de eficiencia energética en modo refrigeración ...................................... 81 Tabla 15. Intercambios energéticos en modo calefacción (kWh) ............................................... 82 Tabla 16. Indicadores de eficiencia energética en modo calefacción ......................................... 83 Tabla 17. Valores de temperaturas ............................................................................................. 84 Tabla 18. Valores de caudales volumétricos ............................................................................... 84 Tabla 19. Valores de presiones (absolutas) ................................................................................. 84


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0 NOMENCLATURA

Magnitudes

𝐴 Área [𝑚2] 𝐶𝑡 Capacidad térmica �𝑘𝐽

℃�

𝐶𝑂𝑃 “Coeficient Of Performance” �� Potencia exergética destruida [𝑘𝑊]

𝐷𝑇𝐿𝑀 Diferencia de temperatura logarítmica media ⌊℃⌋ 𝐸 Energía [𝑘𝐽] 𝜀 Emisividad 𝐻 Entalpía �𝑘𝐽

𝑘𝑔�

𝜂 Rendimiento [1] 𝑓 Fracción 𝐼 Radiación normal directa � 𝑊

𝑚2�

𝑘 Conductividad térmica � 𝑊𝑚 𝐾

�

�� Caudal másico �𝑘𝑔𝑠�

𝑃𝐶𝐼 Poder Calorífico Inferior del gas natural �𝑘𝑊ℎ𝑁𝑚3�

�� Potencia calorífica [𝑘𝑊] 𝑇 Temperatura [℃] 𝑡 Tiempo [𝑠] 𝜏 Tiempo característico [𝑠] 𝑈𝐴 Coeficiente global de transferencia por área de intercambio �𝑊

℃�

𝑈 Coeficiente global de transferencia � 𝑊𝑚2· ℃

�

�� Caudal volumétrico �𝑚3

ℎ�

Subíndices

𝑎 acero 𝑏 circuito de condenación 𝑐 circuito de calor 𝐸 energético 𝑓 circuito de frio 𝑔 global 𝑖 entrada


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𝑛 aislante 𝑜 salida 𝑠 circuito solar 𝑤 agua 𝑋 exergético

𝑎𝑏 tubo absorbedor 𝑎𝑐 acumulador de cambio de fase 𝑐𝑎 captador solar 𝑐𝑜 colector 𝑚𝑎 máquina de absorción 𝑡𝑢 tubería 𝑡𝑢1 tubería Captador-MADE 𝑡𝑢2 tubería MADE-Captador 𝑣𝑖 vidrio

𝑎𝑏𝑠 absorbida 𝑎𝑐𝑢 acumulada 𝑎𝑠𝑝 aspiración 𝑒𝑛𝑓 enfoque 𝑒𝑛𝑣 envolvente 𝑒𝑠𝑐 escape 𝑒𝑠𝑝 espejos 𝑒𝑥𝑡 exterior 𝑓𝑖𝑛 final 𝑓𝑟𝑖 enfriamiento 𝑔𝑎𝑠 gas natural 𝑔𝑒𝑛 generada 𝑖𝑚𝑝 impulsión 𝑖𝑛𝑐 incidente 𝑖𝑛𝑖 inicial 𝑚𝑒𝑑 medio 𝑛𝑜𝑢 no útil 𝑜𝑝𝑡 ópticas 𝑝𝑐𝑚 material con cambio de fase 𝑝𝑒𝑟 perdida 𝑟𝑎𝑑 radiante 𝑡𝑒𝑜 teórico 𝑡𝑜𝑡 total 𝑡𝑒𝑟 térmicas


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Superíndices 𝑛𝑜𝑚 nominal 𝑑𝑖𝑠 diseño 𝑅𝐼𝑇𝐸 Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios

SENSORES Primera letra: B: Posición de variador de frecuencia de la bomba. M: Caudalímetro. P: Sensor de presión. T: Sensor de temperatura. V: Posición de la válvula. Segunda letra: B: Circuito de condensación. F: Circuito de frío. S: Circuito solar. C: Circuito de calor Número: Correlativos para cada sensor del mismo tipo en el mismo circuito. Si hay elementos a la entrada y salida de un equipo se utiliza el número menor a la entrada y el siguiente a la salida Tercera letra: En los puntos donde existen dos sondas de temperatura se utiliza el mismo número de sensor, con la letra A para el sensor nuevo y B para el antiguo.


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OTROS TÉRMINOS ESI: Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla. HTG: Generador de alta temperatura. INT: Intercambiador de calor. MADE: Máquina de Absorción de Doble Efecto. ON/OFF: Estado encendido/apagado de un equipo. PCM: Phase Change Material – Material de cambio de fase. HIEP: Herramienta informática para la evaluación de la planta. En este documento cuando se indique la posición de una válvula de tres vías se utilizará la letra “A” para referirse a la válvula completamente abierta, es decir, con el bypass anulado y se utilizará como la letra “C” para referirse a la válvula completamente cerrada, es decir, con todo el caudal circulando por el bypass. Para indicar que una válvula está en modo regulación de indicará con la letra “R”.


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1 INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se recogen las actuaciones llevadas a cabo en la Planta de refrigeración solar (PRS) de la Escuela Superior de Ingenieros (ESI) de Sevilla. La PRS se puso en funcionamiento el febrero de 2008 y en junio de 2011 se terminó la ampliación del acumulador de PCM. En el capítulo 2 se realiza una descripción general de la PRS y de los equipos que la componen, describiendo las estrategias de control implementadas en la instalación. En el capítulo 3 se describen los planes de ensayo realizados en la PRS. Se describe la evolución de las variables de operación para un día tipo de verano y otro de invierno. Finalmente se presenta un análisis de fallos llevado a cabo mediante una base de datos donde se han tipificado todas las incidencias acaecidas en la PRS. En el capítulo 4 se presenta la caracterización de las tuberías del circuito solar donde las pérdidas térmicas juegan un papel importante debido al nivel térmico al que opera. Se describe la metodología para calcular todos los intercambios energéticos que tienen lugar en la PRS y se lleva a cabo la evaluación energética de un periodo de refrigeración y otro de calefacción en base a los resultados recogidos en el plan de ensayos. Finalmente se realiza un análisis energético y exergético de la PRS, calculando indicadores de eficiencia energética y analizando los resultados obtenidos. Los objetivos de este trabajo son varios:

• Estudiar los balances de energía para obtener conclusiones sobre su viabilidad en la

instalación de climatización en un edificio del sector terciario. • Estudiar la viabilidad de los sistemas de almacenamiento con material de cambio de fase. • Validar modelos para la máquina de absorción de doble efecto. • Validar modelos para el acumulador con material de cambio de fase. • Validar modelos para el captador solar Fresnel. • Elaborar un protocolo de ensayos para captadores solar tipo Fresnel a partir del protocolo

para captadores solares. • Validar un modelo dinámico de simulación de la planta completa. • Estudiar estrategias de control para los sistemas solares con acumulación. • Estudiar la tipología de fallos que se puede dar en este tipo de instalaciones.


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2 DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO En este capítulo se describe la Planta de Refrigeración Solar (PRS) de la Escuela Superior de Ingenieros (ESI) de Sevilla. Se describe el funcionamiento y las estrategias de control de la planta de refrigeración solar (PRS), resumiendo el procedimiento de operación de cada equipo. En la Figura 1 se muestra un esquema de principio de todos los sensores y equipos de la Planta de Refrigeración Solar. El circuito solar es el que transporta la energía solar captada en el captador solar Fresnel hasta la MADE y/o hasta el acumulador de cambio de fase. La energía que la MADE recibe del circuito solar está regulada mediante una válvula de 3 vías ubicada a la entrada de la MADE que mantiene la temperatura del generador de alta temperatura (HTG) en un valor controlado. Si el valor de la energía aportada por el circuito solar no es suficiente, el aporte extra necesario se consigue mediante la combustión de gas natural. El circuito de frío transporta la energía frigorífica producida por la MADE hasta el colector de frio de la ESI. Solo está operativo en modo refrigeración. Consta de una bomba de caudal variable que mantiene constante el caudal volumétrico que circula por el evaporador para diferentes regímenes de funcionamiento y de una válvula de tres vías encargada de mantener una temperatura de salida al evaporador controlada. El circuito de condensación es el encargado de evacuar el calor del condensador de la MADE. Sólo está operativo en modo refrigeración. Consta de una bomba de caudal variable que mantiene constante el caudal volumétrico que circula por el condensador para diferentes regímenes de funcionamiento y de una válvula de tres vías encargada de controlar la temperatura de entrada al condensador para que no se produzca cristalización en la MADE. El circuito de calor transporta el calor útil producido por la MADE hasta el colector de calor de la ESI. Solo está operativo en modo calefacción. Consta de una bomba de caudal variable que mantiene constante el caudal volumétrico que circula por la MADE para diferentes regímenes de funcionamiento, una válvula de tres vías encargada de mantener una temperatura de cesión al colector de calor controlada y un intercambiador de calor que independiza hidráulicamente la MADE del colector de calor.


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Figura 1. Esquema de principio


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La planta piloto está acoplada en paralelo con el sistema de refrigeración de la ESI. La potencia frigorífica instalada es de 1,16 103 kW, presentando un COP de 4,5. En la Figura 2 se muestra el esquema de principio del acoplamiento del circuito de frio de la planta de refrigeración solar (circuito pintado en morado) en los colectores de frio de la ESI.

Figura 2. Esquema de principio del acoplamiento de la PRS con la ESI La planta tiene dos modos de funcionamiento dependiendo de la época del año: • Modo refrigeración: es el modo de operación principal de la planta de refrigeración solar

(PRS), la energía en forma de radiación captada por el captador solar es transportada por el circuito solar alimentando a la máquina de absorción (MADE) que aporta frío a los colectores de frío de la Escuela de Ingenieros (ESI).

• Modo calefacción: en el periodo anual en el que la ESI no demanda refrigeración, la planta de refrigeración solar (PRS) puede aportar calor a los colectores de calor de la ESI, la radiación captada por el captador solar Fresnel es conducida por el circuito solar hacia la MADE y en su interior se produce un intercambio con el circuito de calor que finalmente transporta la energía a los colectores de calor de la ESI.

2.1 Captador solar Fresnel Aunque los captadores solares tipo Fresnel (en inglés CLFR, Compact Linear Fresnel Reflector) son actualmente un sistema bien demostrado en plantas de potencia termosolares, sus

http://www.ausra.com/technology/


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aplicaciones a media temperatura para climatización en edificios está todavía en una fase experimental, aunque se espera que en un futuro próximo puedan ser una opción comercial.

a) Principio de funcionamiento

La radiación solar incide sobre una superficie de espejos reflectora que redirige la radiación hacia un tubo absorbedor situado en un plano diferente al de reflexión; paralelo y mayor cota de éste. En la Figura 3, se pueden observar los diferentes elementos de un captador de este tipo.

Figura 3. Esquema de un captador solar tipo Fresnel. b) Ventajas de captadores tipo Fresnel

Las ventajas de uso de los captadores solares tipo Fresnel en comparación con los captadores cilindro-parabólicos son las siguientes:

• Espejos y sistema de seguimiento de bajo coste. • No se necesitan codos de expansión, el absorbedor está libre por un extremo para

dilatarse. • Reflectores planos y situados cerca del suelo, se reducen las cargas de viento. • Uso eficiente del suelo, las filas de colectores pueden situarse cerca una de la otra. • Fácil acceso a las partes móviles y superficiales.

Se estima que la reducción de costes debido al uso de la tecnología Fresnel en comparación con los captadores cilindro-parabólicos, rondará el 50% cuando la tecnología se haya desarrollado lo suficiente. El captador solar instalado en la ESI tiene una superficie de captación de 352 m2. La Tabla 1 presenta las características principales del sistema de captación (Häberle et al.). Las magnitudes aquí presentadas serán utilizadas para realizar la evaluación de los datos experimentales de la planta piloto y para la determinación de sus prestaciones energéticas.


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Extensión de terreno ocupada 480 m2 Superficie reflectora total 352 m2 Orientación planta Este - Oeste Número de líneas receptoras 1 Longitud línea receptor 64 m Tipo de receptor De cavidad con reflector secundario y

cubierta de vidrio Altura línea receptor 4 m sobre los espejos Anchura receptor 0,3 metros Tipo absorbedor Tubo de acero DIN 1.4541 (AISI 321):

Acero inoxidable austenítico estabilizado Fluido de trabajo Agua Generación de vapor No Presión de diseño 13 bar Número de filas de reflectores por línea de absorbedor

22 filas

Longitud de cada módulo reflector 4 m Anchura reflector 0,5 metros Número total de reflectores 176 Reflectividad 0,92 Relación de concentración 25

Tabla 1. Características del sistema de captación.

c) Elementos de un captador Fresnel

A continuación se describen los elementos de un captador tipo Fresnel:

• Estructura de acero: recubierta con pintura en polvo sostiene los espejos y sus cojinetes, así como el tubo absorbedor y el reflector secundario. La estructura marca los límites del área de espejos.

• Espejos reflectores primarios: están hechos de vidrios de seguridad ligeramente curvados elásticamente, con un radio de curvatura entre 8,6 los del centro y de 10,6 m los de los extremos. Sujetos de forma solidaria a un eje accionado por un motor eléctrico de par 50 N·m que actúa como mecanismo de arrastre. Dicho mecanismo forma parte del sistema de seguimiento solar y funciona de modo autónomo.

• Mecanismo de arrastre: La transmisión de energía del motor impulsor es liberada por una correa (poly V) con una reducción de velocidad de aproximadamente 1:2,8 en la polea de salida. Cada mecanismo de arrastre mueve ocho espejos de una fila, cuatro en cada lado.

• Reflector secundario: consiste en una envolvente delgada de metal y un espejo (reflectividad nominal: 0,77) montado dentro de dicha cubierta, ver Figura 4. Su misión es reflejar la radiación solar que no incide directamente sobre el receptor desde los espejos


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primarios, optimizando de este modo la eficiencia óptica del sistema. Además de proteger al tubo receptor de agentes externos.

• Tubo de receptor: es un receptor SCHOTT PTR®70, con una absortividad nominal de 0,94. En los extremos del sistema del tubo hay bridas DN 50 (DIN 2633, PN16) para conectar el captador solar con el resto del circuito hidráulico. La temperatura en el circuito hidráulico está limitada a un máximo de 200 °C y la presión a un máximo de 16 bar. La presión estándar de operación está limitada a 13 bar, y la válvula de liberación de presión está ajustada a 16 bar. El caudal nominal de agua es de 13 m3/h.

• Tubo absorbedor: se encuentra rodeado por una cubierta de vidrio para asegurar el vacío entre ambos. El conjunto tubo absorbedor y vidrio conforman el tubo receptor, Figura 4.

• Sensores: El captador solar cuenta en cada fila de espejos con un potenciómetro para determinar la posición actual de las filas; con un sensor solar para la detección de líneas focales no centradas de los espejos primarios y la calibración automática opcional de las filas y sensores de temperatura PT100 a la entrada y a la salida del tubo absorbedor.

Figura 4. Reflector secundario y tubo absorbedor con cubierta de vidrio

2.2 Acumulador de cambio de fase El acumulador térmico es un intercambiador de carcasa y tubo. Por el interior de los tubos circula el fluido caloportador, en este caso agua presurizada, y en el espacio que se encuentra entre los tubos y la carcasa se encuentra el material de cambio de fase (PCM). El PCM seleccionado se trata de hidroquinona cuya formulación se muestra en la Figura 5. Las principales propiedades de la hidroquinona se muestran en la Tabla 2.


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Figura 5. Hidroquinona. 1,4 – dihidroxibenzeno

Sólido Líquido Densidad 1358 1155 kg/m3

Calor específico 2310 2670 J/kg/ºC Tª fusión 170,3 ºC Calor latente 230000 J/kg

Tabla 2. Propiedades de la hidroquinona La hidroquinona no puede ser calentada con una velocidad mayor de 0,5ºC/min. El intercambiador consta de tres pasos, 109 tubos, cada uno de los cuales tiene una longitud de 6 m por paso, de manera que el recorrido total es de 18 m. En la Figura 6 se muestra la sección longitudinal del acumulador de cambio de fase. En la Figura 7 se muestra el acumulador PCM ubicado en la cubierta de la ESI.

Figura 6. Sección longitudinal del acumulador de cambio de fase

Cuando tenemos un exceso de energía en el captador parte o todo el caudal de agua caliente procedente del captador es recirculado por el acumulador de PCM. Este caudal tiene una temperatura mayor que la temperatura de cambio de fase del PCM produciendo que una mayor cantidad de material pase de estado sólido a estado líquido almacenando energía. Cuando la energía almacenada es requerida, se circula parte o todo el caudal de agua del circuito solar por el acumulador, la temperatura de este caudal es inferior a la de cambio de fase del PCM produciéndose una cesión de energía desde el PCM hacia el agua que aumenta su temperatura, esta cesión de energía produce que disminuya la cantidad de PCM que se encuentra en estado líquido disminuyendo la energía contenida en el acumulador.


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Figura 7. Acumulador de cambio de fase

Peso en vacío 4100 kg Peso lleno de agua 8150 kg CARCASA – hidroquinona Temperatura de diseño 200 ºC Presión de diseño 1 bar Volumen 3300 L TUBOS – agua presurizada Temperatura de diseño 200 ºC Presión de diseño 15 bar Volumen 750 L

Tabla 3. Características del acumulador de cambio de fase El acumulador de cambio de fase tiene una capacidad de almacenamiento de 291 kWh y una potencia de 149,9 kW. El acumulador no está preparado para saltos de temperaturas de más de 30ºC. En la Tabla 3 se muestran algunas características del acumulador de PCM.

2.3 Máquina de absorción La refrigeración por absorción difiere del sistema mayoritario de compresión de vapor en que el efecto frigorífico está dirigido por un flujo de calor en vez de un trabajo mecánico. La principal ventaja de este sistema es su bajo consumo eléctrico en la bomba de impulsión de la mezcla agua-absorbente frente al compresor del vapor del refrigerante en los de compresión


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de vapor; ya que mover un caudal líquido es mucho menos costoso que mover un caudal gaseoso. Por lo demás funciona como un ciclo frigorífico común. Los modelos que incorporan un segundo intercambiador, y por lo tanto un segundo generador que trabaja a una menor temperatura se les llaman de doble efecto. La Figura 8 muestra un esquema de una máquina de absorción de doble efecto. Las máquinas de absorción de simple efecto trabajan con temperaturas en el generador de 60-90 °C, alcanzando valores típicos de COP en torno a 0,6. Las máquinas de doble efecto requieren temperaturas en el generador de 120-140 °C para valores de COP de 1,3.

Figura 8. Esquema de funcionamiento de una máquina de absorción de doble efecto. La máquina de absorción es de la marca BROAD, modelo BZH15 (Figura 9). Cuya potencia frigorífica máxima es de 174 kW con un COP nominal de 1,3 y una temperatura en el generador (HTG) de 145 °C. Aunque el generador puede funcionar a temperaturas inferiores de HTG, puesto que el funcionamiento óptimo está en 145 °C, se aporta energía hasta alcanzar esta temperatura y se regula para mantenerla constante. Esta regulación forma parte del control interno de la máquina de absorción. En el Anexo 1: Curvas de funcionamiento de la máquina de absorción, se muestran las curvas de funcionamiento de la MADE. En la Tabla 4 se muestra las características principales suministradas por el fabricante.


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Figura 9. Máquina de absorción BROAD BZH15.

Potencia frigorífica 174 kW

Temp. salida evaporador 7 °C

Temp. entrada evaporador 12 °C

Caudal evaporador 30 m3/h

Temp. salida condensador 37 °C

Temp. entrada condensador 30 °C

Caudal condensador 36,6 m3/h

Combustible Gas natural

Tabla 4. Características de la máquina de absorción en condiciones nominales

2.4 Estrategias de control Las estrategias de control se describen para cada circuito de la planta. En primer lugar el circuito solar y la estación meteorológica que siempre están operativas independientemente del modo de operación (calefacción o refrigeración). Después el circuito de frio y condensación para el modo refrigeración y el circuito de calor para el modo calefacción.


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a) Circuito solar y estación meteorológica

En la Figura 10 se muestra un esquema del circuito solar de la planta de refrigeración solar, donde aparecen representados los equipos y los sensores de medida más importantes. En la Figura 11 se muestra un esquema de la estación meteorológica.

Figura 10. Esquema del circuito solar

Funcionamiento del circuito solar - Arranque

Inicialmente la válvula de tres vías del circuito solar (VS1) se encuentra con el by-pass completamente abierto (posición 0%), la bomba del circuito solar (B5) está apagada y los espejos están en posición de espera (posición 90º, es decir, mirando al Norte). Para que el circuito solar entre en funcionamiento tiene que estar activada la consigna de encendido del captador (CEC) y la radiación normal directa medida por la estación meteorológica (RM1) tiene que ser superior al valor de consigna radiación (CRC). Al arrancar el grupo de bombeo del circuito solar (B5), se pone en funcionamiento a la mínima velocidad (con el variador de frecuencia al 20%) porque la temperatura de salida del captador (TS4) es menor que la consigna CTI. Los espejos se ponen en modo seguimiento del solar y la válvula de tres vías del circuito solar (VS1) permanece cerrada.


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Figura 11. Esquema de la estación meteorológica

- Régimen

A continuación se describen los lazos de control de los elementos del circuito solar: captador solar, MADE (circuito solar) y acumulador de PCM. Lazo de control del captador solar El agua se recircula por el captador recibiendo la radiación solar directa y aumentando su temperatura. Cuando la temperatura TS4 supera la consigna CTI el caudal de la bomba aumenta linealmente con la temperatura hasta que cuando TS4 supera la consigna CTS, el variador de frecuencia de la bomba del circuito solar (BS1) se pone al 100% (Figura 12). Lazo de control de la MADE Cuando se activa la consigna de encendido de la MADE (CEM) la válvula de 3 vías del circuito solar (VS1) empieza a abrirse gradualmente según una secuencia programada permitiendo que el agua procedente del captador atraviese la MADE. Transcurridos 20 minutos, cuando VS1 termina de abrirse completamente (posición 100%, el by-pass se cierra por completo), la MADE regula la posición de VS1 para mantener constante la temperatura del generador de alta temperatura (THTG) en el valor de consigna fijado CTG, si el agua caliente del circuito solar no es suficiente para mantener la THTG en CTG la energía suplementaria se aporta mediante la combustión de gas natural. Hay un límite inferior de THTG por debajo del cual el control PID deja de regular la posición de la válvula de tres vías y esta se pone completamente abierta (posición 100%), este valor viene impuesto en la consigna de regulación (CTR). La temperatura del HTG (THTG) está limitada por la consigna de temperatura del HTG máxima (CTM) para evitar sobrecalentamientos en la MADE. No hay limitación inferior en la temperatura de entra a la MADE en el circuito solar. Si el agua procedente del circuito solar está muy fría no hay


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ninguna actuación que cierre la válvula de tres vías (VS1). Por otro lado, el control tiene que adecuar la THTG para adaptarse a los diferentes valores de potencia frigorífica demandada.

Figura 12. Regulación del caudal del circuito solar.

Lazo de control del acumulador de PCM La válvula de tres vías VS6 a la entrada del acumulador de PCM se posiciona según los modos de operación funcionales descritos en el punto 2.5. - Parada

La parada se produce cuando se activa la consigna de apagado del captador (CAC) o la radiación global directa medida en (RM1) es inferior a la radiación fijada en la consigna radiación (CRC). Al final la válvula de tres vías (VS1) se posiciona con el by-pass completamente abierto (posición 0%), la bomba del circuito solar (B5) se apaga y los espejos se colocan en posición de espera (posición 90º, es decir, mirando al Norte). - Control de máximos y mínimos

Si la temperatura de salida del captador (TS4) supera el valor de consigna temperatura de seguridad (CTU) los espejos empiezan gradualmente a desenfocarse para impedir que se sobrepase dicho valor. Si la temperatura de salida del captador del Fresnel (TS5) supera el valor de consigna temperatura de seguridad del Fresnel (CTX) el captador se detiene y los espejos se ponen en posición de sobrecalentamiento (overheating, posición 180º, es decir, mirando al suelo). Si en algún momento la presión del circuito solar (PS1) supera el valor de consigna Presión de seguridad (CPS) empiezan a desenfocarse los espejos gradualmente para impedir que se sobrepase ese valor. Cuando el captador está parado, si la temperatura exterior tomada de la estación meteorológica (TM1) es inferior al valor de consigna Antihielo (CTH), se produce el arranque


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del grupo de bombeo del circuito solar (B5). Si en algún momento la presión del circuito solar (PS1) cae por debajo de un cierto valor se activa la bomba de llenado del circuito solar (BS2) que no aparece en el esquema del circuito. b) Circuito de frío

El circuito de frío se encuentra en acoplamiento directo con los colectores de frío de impulsión y retorno de la ESI. En la Figura 13 se muestra un esquema del circuito de frío de la planta de refrigeración solar. Funcionamiento del circuito de frío - Arranque

Inicialmente la válvula de tres vías (VF1) se encuentra con el by-pass completamente abierto (posición 0%) y la bomba del circuito de frío (B3) está apagada. Para que la MADE entre en funcionamiento tiene que estar activada la consigna de encendido de la MADE (CEM). Cuando la MADE arranca le envía una orden de encendido a la bomba de condensación (B1) y después a la bomba de frío (B3). - Régimen

El agua se recircula por la máquina de absorción enfriándose progresivamente. El control PID de la válvula de tres vías del circuito solar (VS1) regula para mantener la temperatura salida MADE frío (TF4) en el valor de consigna CTE. La VS1 tiene que cumplir simultáneamente una doble misión, mantener TF4 en CTE y a la vez mantener THTG en CTG. Por otro lado, el caudalímetro de la MADE del circuito de frío (MF1) actúa sobre al variador de la bomba del circuito de frío (BF1) para mantener ese caudal al valor de consigna Frío caudal (CQF). La válvula de tres vías (VF1) se encarga de mantener el valor de la temperatura a la entrada del colector de frío (TF3) en el valor de consigna Frío temperatura (CTF) para variaciones de las condiciones de operación. Hasta que la temperatura de salida de la MADE (TF2) no alcanza el valor de CTF, VF1 no comienza a abrir.


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Figura 13. Esquema del circuito de frío

- Parada

La parada se produce cuando se activa la consigna de apagado de la MADE (CAM). Al final la válvula de tres vías (VF1) se posiciona con el by-pass completamente abierto (posición 0%), la bomba del circuito de frío (B3) se apaga. - Control de máximos y mínimos

No hay control de máximos y mínimos. c) Circuito de condensación

En la Figura 14 se muestra un esquema del circuito de condensación de la planta. Funcionamiento del circuito de condensación - Arranque

Inicialmente la válvula de tres vías (VB1) se encuentra con el by-pass completamente abierto (posición 0%), la bomba del circuito de condensación (B1) está apagada y la válvula teleoperada (VB2) ubicada a la salida del primario del intercambiador del circuito de condensación con el agua de rio (IB1) está cerrada. Cuando se activada la consigna de encendido de la MADE (CEM), la MADE entra en funcionamiento y se abre la válvula teleoperada (VB2). Cuando la MADE arranca le envía una orden de encendido la bomba de condensación (B1) y después a la bomba de frío (B3).


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Figura 14. Esquema del circuito de condensación

- Régimen

El caudalímetro de la MADE del circuito de condensación (MB1) actúa sobre el variador de la bomba de condensación (BB1) para mantener el valor de consigna “A bruta caudal” (CQB). La válvula de tres vías (VB1) se encarga de mantener el valor de la temperatura a la entrada de la MADE (TB1) en el valor de consigna “A bruta temperatura” (CTB), de esta manera se mantiene la temperatura de entrada a la MADE a un valor bajo para disipar el calor necesario pero no tanto para que se produzca cristalización del BrLi. - Parada

La parada se produce cuando se activa la consigna de apagado de la MADE (CAM). Al final la válvula de tres vías (VB1) se posiciona con el by-pass completamente abierto (posición 0%), la bomba del circuito de condensación (B1) se apaga y se cierra la válvula VS2. - Control de máximos y mínimos

Si en algún momento la temperatura MADE entrada al condensador (TB3) supera el valor de consigna CTW, la MADE se para para evitar un sobrecalentamiento. Si en algún momento la temperatura MADE entrada al condensador (TB3) es menor que el valor marcado en la consigna CTV, la MADE produce una parada para evitar la cristalización del BrLi. d) Circuito de calor

En la Figura 15 se muestra un esquema del circuito de calor de la planta de refrigeración solar.


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Figura 15. Esquema del circuito de calor

Funcionamiento del circuito de calor - Arranque

Inicialmente la válvula de tres vías (VC1) se encuentra con el by-pass completamente abierto (posición 0%) y la bomba del circuito de calor primario (B2) y secundario (B4) están apagadas. Para que la MADE entre en funcionamiento tiene que estar activada la consigna de encendido de la MADE (CEM). Cuando la MADE arranca le envía una orden de encendido a la bomba de calor primario (B2) y secundario (B4). - Régimen

El agua se recircula por la máquina de absorción calentándose progresivamente. El control PID de la válvula de tres vías del circuito solar (VS1) regula para mantener la temperatura salida MADE calor (TC6) en el valor de consigna CTQ. La VS1 tiene que mantener TC6 en CTQ y THTG en CTG. El caudalímetro de la MADE del circuito de calor primario (MC1) actúa sobre al variador de la bomba del circuito de calor primario (BC1) para mantener ese caudal al valor de consigna “Calor caudal” (CQC) y el caudalímetro de la MADE del circuito de calor secundario (MC3) actúa sobre al variador de la bomba del circuito de calor secundario (BC2) para mantener ese caudal al valor de consigna “Consigna caudal” (CQK).


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La válvula de tres vías (VC1) mantiene la temperatura a la entrada del colector de calor (TC5) en el valor de consigna “Calor temperatura” (CTC) para variaciones de las condiciones de operación. - Parada

La parada se produce cuando se activa la consigna de apagado de la MADE (CAM). Al final la válvula de tres vías (VC1) se posiciona con el by-pass completamente abierto (0%), la bomba del circuito de calor primario (B2) se apaga y también la del circuito secundario (B4). - Control de máximos y mínimos

No existe control de máximos y mínimos.

2.5 Modos de operación del circuito solar En este apartado se describe el funcionamiento de cada modo de operación del circuito solar según los niveles energéticos disponibles y/o requeridos por cada elemento. a) Captador cargando Acumulador

El modo 1 se da cuando el Captador está recibiendo radiación solar y la demanda de refrigeración de la ESI es nula, por ejemplo los fines de semana. En este modo las válvulas del circuito solar se posicionan conectando el captador solar, el acumulador y la bomba del captador (B5) (Tabla 5). El flujo de agua impulsado por la bomba del captador (B5) atraviesa el captador donde aumenta su entalpía, posteriormente el flujo atraviesa el acumulador reduciendo su entalpía y produciéndose una cesión de energía. b) Captador cargando Acumulador y alimentando a la MADE o Captador y

Acumulador alimentando a la MADE

El modo 2 se da cuando se recibe radiación en exceso de manera que se puede alimentar a la MADE y aumentar la energía almacenada en el acumulador. Se da en las horas punta de radiación, en verano en las horas centrales del día. También cuando no se capta energía suficiente y se aporta la restante haciendo circular el caudal proveniente del captador por el acumulador. Esta situación puede darse en las últimas horas de la tarde cuando existe menos radiación y el acumulador ha sido cargado durante las horas centrales del día.


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Tabla 5. Resumen del modo 1

En este modo las válvulas del circuito solar se posicionan de manera que quedan conectados el captador solar, el acumulador, la MADE y la bomba del captador (B5) (Tabla 6). El flujo de agua impulsado por la bomba del captador (B5) atraviesa el captador donde aumenta su entalpía. Después el agua atraviesa el acumulador transfiriéndole energía. Acto seguido, el flujo circula hasta el bypass de la válvula de tres vías de la MADE (VS1) donde se divide en dos corrientes en función de la posición de VS1 que demande la MADE para su regulación.


c) Captador precalentando tuberías y Acumulador alimentando a la MADE

El modo 3 se da a primeras horas de la mañana cuando hay demanda de refrigeración, se pone a funcionar la MADE mediante la energía almacenada en el Acumulador y se aprovecha la baja radiación para ir precalentando el agua y tuberías del circuito. En este modo el flujo recorre dos circuitos diferentes determinado por la posición de las válvulas según la Tabla 7. En el primer circuito, el flujo de agua es impulsado por la bomba del captador (B5) atravesando el captador donde aumenta su entalpía, el flujo recorre las tuberías del circuito solar calentándolas en este proceso. En el segundo circuito están conectados el acumulador, la MADE y la bomba del acumulador (B6). Todo el flujo atraviesa el acumulador aumentando su entalpía y produciéndose un descenso de la energía almacenada en este. Acto seguido, el flujo circula hasta que llega al bypass de la válvula de tres vías de la MADE (VS1) donde se divide en dos corrientes en función de la posición de VS1 que demande la MADE para su regulación.


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d) Acumulador precalentando tuberías

El modo 4 se da a primeras horas del día, cuando hay baja radiación sin demanda de refrigeración. Se utiliza para realizar un precalentamiento, para que la instalación esté preparada para cubrir la demanda cuando sea necesario. En este modo las válvulas del circuito solar se posicionan conectando el captador solar y la bomba del captador (B5) (Tabla 8).


En este modo, el flujo de agua es impulsado por la bomba del captador (B5) atravesando el captador donde no recibe radiación por encontrarse el captador apagado. Después, recorre las tuberías del circuito solar después todo el flujo atraviesa el acumulador aumentando su entalpía y produciéndose una disminución de la energía almacenada en este. e) Acumulador alimentando a la MADE

El modo 5 se da cuando no hay radiación y se necesita cubrir una demanda de refrigeración. En este modo las válvulas del circuito solar se posicionan de manera que quedan conectados MADE, el acumulador y la bomba del acumulador (B6) tal como se describe en la Tabla 9. El flujo impulsado por la bomba del acumulador (B6), atraviesa el acumulador aumentado su entalpía y produciéndose un descenso de la energía almacenada. Acto seguido, el flujo circula hasta que llega al bypass de la válvula de tres vías de la MADE (VS1) donde se divide en dos corrientes en función de la posición de VS1 que demande la MADE para su regulación.


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f) Captador alimentando a la MADE

El modo 6 se da cuando el Captador está recibiendo radiación solar suficiente para alimentar a la MADE y se ha alcanzado la capacidad máxima de almacenamiento del Acumulador. En este modo las válvulas del circuito solar se posicionan de manera que quedan conectados la MADE, el captador y la bomba del captador (B5) (Tabla 10). El flujo de agua impulsado por la bomba del captador (B5) atraviesa el captador donde aumenta su entalpía. Acto seguido, el agua circula hasta el bypass de la válvula de tres vías de la MADE (VS1) donde se divide en dos corrientes en función de la posición de VS1 que demande la MADE para su regulación.



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3 PLAN DE ENSAYOS En este apartado se describe el plan de ensayos para la evaluación de la planta de refrigeración solar con captador solar Fresnel y acumulador de PCM de la ESI, con el fin de determinar su viabilidad y potencial. Se resume la evolución de las variables de operación más importantes para un día tipo en modo refrigeración y otro en modo calefacción. En último lugar se describen los fallos y paradas ocurridos en la PRS realizando un estudio zonal y por equipos.

3.1 Verificación Como punto previo a la realización de un plan de ensayos es necesario verificar el correcto funcionamiento de todos los equipos, elementos de control y sensores de medida. Este apartado fue desarrollado por López, J. R. en marco del proyecto “Almacenamiento térmico en caliente para refrigeración solar por absorción” dirigido por Gas Natural.

3.2 Descripción del plan de ensayos Para realizar el plan de ensayos se operó la planta y se registraron los datos para la posterior evaluación de los resultados. Desde este punto de vista se consideraron tres opciones:

1. Operación normal: El sistema funcionando en valores nominales y modo automático,

satisfaciendo la demanda frigorífica/calorífica en función de las condiciones de operación. 2. Desviación de parámetros: Cambiando uno o varios parámetros que estén a nuestra

disposición como pueden ser: consignas de caudales y temperaturas, modo de gestión de energía de la MADE, la posición de válvulas para forzar un modo de funcionamiento, operar en fin de semana para disminuir la carga, etc.

3. Ensayo especial: Mantener un parámetro de utilidad lo más controlado posible e ir variándolo mediante una actuación especial y programada del sistema de control.

Los ensayos del primer tipo sirven para evaluar las bondades de la instalación y los equipos en su funcionamiento normal, comprobar el correcto funcionamiento de todos los elementos (equipos, sistema de control y estrategias) y finalmente da información para conseguir posibles mejoras en todos los elementos y en el conjunto. El plan de ensayos debería incluir un número elevado de días de operación normal. Los ensayos del segundo tipo tienen la finalidad de poner a operar los equipos en puntos diferentes para obtener sus curvas de funcionamiento. El plan de ensayos debería incluir varios


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ensayos de desviación de parámetros donde en un mismo día se podrían barrer varios valores de consignas, modos, etc... Los ensayos del tercer tipo son más difíciles de realizar ya que se requiere una programación especial del sistema de control. Estos ensayos deberían de evitarse en el plan de ensayos, a no ser que exista un parámetro de vital importancia para la evaluación de la planta o de un equipo que no se puede controlar con las consignas de la instalación. a) Prestaciones del captador solar tipo Fresnel

Se realizaron los ensayos necesarios para determinar las prestaciones del captador solar Fresnel. Este plan de ensayos es una adaptación de la norma UNE EN 12975 para la determinación del rendimiento térmico de un captador solar plano. Se medirán los parámetros siguientes: • Radiación solar directa sobre la superficie del campo de espejos del captador solar. • Temperatura del fluido a la entrada y salida del absorbedor. • Temperatura ambiente. • Caudal del fluido caloportador (agua) circulante por el absorbedor. • Velocidad del aire. El desarrollo en profundidad fue elaborado por el Dr. Rosa et al. para el proyecto “Refrigeración solar por absorción en el sector terciario” dirigido por Gas Natural. b) Prestaciones del acumulador de PCM

Para caracterizar el funcionamiento del acumulador es necesario controlar su estado inicial, de forma que se conozca su estado de carga. Por ejemplo, haciendo circular agua a temperatura del agua de red hasta que el acumulador esté a esta temperatura. A partir de este estado inicial se actúa sobre el campo de captadores de forma que se produzca la carga del acumulador. Se mide el caudal y las temperaturas a la entrada y salida del fluido caliente, así como la temperatura ambiente exterior y radiación solar. Con los valores medidos se ajustarán los modelos desarrollados al efecto para el acumulador. En paralelo se caracterizan las pérdidas térmicas del acumulador en función del estado de carga y de las condiciones ambiente exteriores. Este punto fue desarrollado por el Dr. Pardo A. et al. para el proyecto “Almacenamiento térmico en caliente para refrigeración solar por absorción” dirigido por Gas Natural.


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c) Prestaciones de la máquina de absorción

Para caracterizar el funcionamiento de la MADE se analizan los siguientes parámetros: 1. Temperaturas de entrada y salida a la MADE en todos los circuitos. 2. Caudales que atraviesan la MADE en todos los circuitos. 3. Consumo de Gas Natural 4. Temperatura de salida de los gases de escape 5. Porcentaje de CO2 en los gases de escape

Se estudió el comportamiento de la máquina para los caudales nominales: caudal de agua fría (30 m3/h), caudal de agua caliente (14,5 m3/h), caudal de agua de condensación (36,6 m3/h) y caudal de agua de circuito solar (7,6 m3/h). También se realizó un análisis de carga parcial tomando valores de flujo de ± (25, 50, 75) %. De esta manera se estudió cómo varía el COP a distintas cargas, y se comparó con los valores facilitados por el fabricante. d) Prestaciones del sistema global

Los valores de las temperaturas y caudales se almacenan y exportan a un formato tipo Microsoft Excel para su posterior análisis. A partir de esta información se realizan los balances de energía en todos los subsistemas de la planta. Para la estimación de la demanda de refrigeración de la ESI se disponen de datos de temperatura de salida y entrada de las enfriadoras de la ESI cada en intervalos de 5 – 15 minutos exportados en formato tipo Microsoft Excel. El caudal que pasa por las enfriadoras puede estimarse haciendo medidas manuales del salto de presión en las bombas del primario. De esta forma se podrá conocer la siguiente información: 1. Balance energético global de la instalación. 2. Adaptación a las necesidades demandadas por el edificio. 3. Eficiencia energética de la máquina de absorción, del sistema colector solar, energía

almacenada y eficiencia del conjunto total.

3.3 Datos de operación según modo estacional En este punto se describe la evolución de las variables de operación más significativas de un día de operación tipo en modo refrigeración y otro en modo calefacción.


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El año 2011 se ha dividido en dos periodos. Durante el periodo comprendido desde el 25/05/2011 hasta el 06/11/2011 la planta operó en modo refrigeración cubriendo parte de la demanda de refrigeración de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla. Durante el periodo que abarca desde el día 09/11/2011 hasta final de año la planta operó en modo calefacción cubriendo parte de la demanda de calefacción de la ESI. Los periodos de operación se intercalaron con los días de los ensayos de caracterización de los equipos. a) Modo refrigeración

En modo refrigeración la planta recibe la radiación solar incidente por medio de un captador solar tipo Fresnel y la transforma en potencia frigorífica en una máquina de absorción de doble efecto (MADE) para cubrir parte de la demanda de refrigeración de la ESI. La Figura 16 muestra los días de operación de la PRS en modo refrigeración en el año 2011. El cambio a modo refrigeración tuvo lugar el mes de Abril pero no se obtuvieron datos correctos hasta el 27 de Mayo debido a un error en los valores de lectura de los caudalímetros. En la Figura 17 se muestra la evolución de las condiciones meteorológicas de un día de verano, se observa que el máximo de la radiación normal directa (𝐼𝑛,𝑑 o I) está alrededor de la 14:30 hora local y un máximo de la temperatura exterior (𝑇𝑒𝑥𝑡) alrededor de las 17:00. El caudal que circula por la MADE (𝑚𝑣 𝑚𝑎,𝑠 o mv ma,sol) sufre una variación brusca debido a la actuación del sistema de control de la MADE que regula la válvula de tres vías del circuito solar. Se puede observar que esta regulación no es idónea produciéndose aperturas y cierres bruscos. Ha de notarse que actualmente el caudal que atraviesa el captador solar (𝑚𝑣 𝑐𝑎 o mv capt) es de 13 m3/h y en los datos de proyecto aparece un caudal máximo previsto circulando por el captador de 7,6 m3/h, este puede ser el motivo por el cual cuando baja la temperatura del HTG, la MADE abre la válvula de tres vías del circuito solar y entra un caudal demasiado grande de agua caliente, por lo que la temperatura del HTG sube demasiado deprisa y vuelve a cerrar rápido produciendo estas fluctuaciones en el caudal que atraviesa la MADE. Las variaciones en el caudal que atraviesa el captador son producidas por consiguiente, por la actuación de la válvula de tres vías del circuito solar y son amortiguadas por el sistema de control que actúa sobre el variador de la bomba del circuito solar.


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Figura 16. Días de funcionamiento de la PRS en modo refrigeración

Figura 17. Condiciones meteorológicas – Día de verano


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En la Figura 18 se muestra la evolución de los caudales del circuito solar. En la Figura 19 se representa la evolución de las temperaturas del captador solar, la temperatura del generador de alta temperatura (HTG) y el porcentaje de espejos enfocando (𝑓𝑒𝑠𝑝 o ESP). Puede verse que cuando la temperatura de salida del captador (𝑇𝑐𝑎,𝑜 o Tcapt,imp) alcanza los 180ºC empieza a disminuir el porcentaje de espejos enfocando porque se alcanza la temperatura de consigna máxima a la salida del captador.

Figura 18. Caudales del circuito solar – Refrigeración

Figura 19. Temperaturas del captador y del HTG – Refrigeración


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Se observa una caída brusca de la temperatura de salida y entrada (𝑇𝑐𝑎,𝑖 o Tcapt,ret) al captador a las 12:00, debido a que a esta hora empieza a abrir progresivamente la válvula de tres vías del circuito solar y empieza la cesión de calor a la MADE. La exponencial atenuada que describe la temperatura de salida y entrada del captador al inicio es debido a que los sensores de temperatura no están ubicados justamente a la entrada y salida del captador sino un poco más alejados, en la tubería, y el agua que permaneció en el tubo absorbedor se enfría menos que la que permaneció en la tubería durante el periodo de parada, por eso al pasar por los sensores estos marcan un aumento de la temperatura que se va amortiguando a medida que el agua del circuito solar se va mezclando. Los picos en la temperatura de entrada y salida (oscilaciones de unos 10 ºC en 13 minutos) del captador son debidos a los picos del caudal solar que circula por la MADE, cada vez que la MADE actúa sobre la válvula de tres vías del circuito solar para controlar la temperatura del HTG, produce una variación en el caudal que circula por el captador, esta variación de caudal conlleva una variación en la 𝑇𝑐𝑎,𝑜 (Tcapt,imp) y 𝑇𝑐𝑎,𝑖 (Tcapt,ret), si el fluido pasa más lentamente por el captador se calienta más. En la Figura 20 se muestran los intercambios energéticos que tienen lugar en el circuito solar de la planta. En la Figura 20 se muestra una evolución de la potencia absorbida (��𝑎𝑏𝑠 o Qsol-a) en forma de sinusoide atenuada en los primeros minutos de funcionamiento del captador, esa evolución es debida al desfase temporal en la lectura de los sensores de temperatura de salida y entrada del captador explicada en los párrafos anteriores, en realidad la potencia absorbida seguirá una evolución suave en el arranque.

Figura 20. Potencias del circuito solar – Refrigeración


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La potencia cedida (��𝑚𝑎,𝑠 o Qsol) experimenta los picos debidos a la regulación de la válvula de tres vías antes mencionada. La potencia incidente (��𝑖𝑛𝑐) sigue la misma evolución que la radiación normal directa (𝐼𝑛,𝑑) pero aparecen caídas en forma de pico debidas al desenfoque de los espejos producido porque se alcanzó la temperatura máxima de consigna en la salida del captador. En la Figura 21 se muestra la evolución de las temperaturas del circuito de frio y del caudal que atraviesa el evaporador de la MADE. A partir de las 12:00, al encendido de la MADE, se produce un descenso en la temperatura de salida (𝑇𝑚𝑎,𝑜 o Tevap,imp) separándose de la temperatura de entrada (𝑇𝑚𝑎,𝑖 o Tevap,ret) debido al efecto frigorífico. Se observa que la MADE operó con una temperatura de consigna para el colector de frio superior a la temperatura de diseño de salida de la MADE. Esto supone que caudal que atraviesa el evaporador (𝑚𝑣 𝑚𝑎,𝑓 o mv evap) y el caudal que va hacia el colector (��𝑐𝑜,𝑓) se mantienen constantes y la temperatura de cesión (𝑇𝑐𝑜,𝑓,𝑖 o Tcol,frio) coincide prácticamente con la de salida de la MADE (𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑜 o Tevap,sal).

Figura 21. Medidas de sensores del circuito de frío

Puede observarse pequeñas oscilaciones en torno a los 11 ºC en la temperatura de entrada a la MADE (𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑖 o Tevap,ent), estas oscilaciones son debidas solo a la variación de la carga de refrigeración de la Escuela, ya que como se operó con una temperatura de consigna para el colector de frio superior a la temperatura de diseño de salida de la MADE, no se producen actuaciones de la válvula de tres vías que mezclarían el caudal procedente del colector de frío con el recirculado de evaporación.


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En la Figura 22 se muestran los intercambios energéticos que tienen lugar en la MADE. Se observa una subida en la potencia de evaporación (��𝑚𝑎,𝑓 o Qevap) desde la hora de encendido de la MADE (las 12:00) hasta unos 45 minutos después, cuando la MADE se pone a régimen, a partir de ese momento la potencia de evaporación (��𝑚𝑎,𝑓 o Qevap) permanece en un valor controlado.

Figura 22. Intercambios energéticos en la MADE – Refrigeración

La potencia aportada por la combustión del gas natural (��𝑔𝑎𝑠 o Qgas) se encarga de mantener la temperatura del generador de alta temperatura (HTG) cuando no hay potencia suficiente en el circuito solar (��𝑚𝑎,𝑠 o Qsol). También aparecen muchas fluctuaciones en la potencia cedida al generador debió a la componente solar (��𝑚𝑎,𝑠 o Qsol), estos picos de la potencia solar aparecen cada vez que se produce una apertura de la válvula de tres vías del circuito solar y esta deja pasar caudal a alta temperatura lo que produce una elevación de la temperatura del HTG hasta que la válvula de tres vías vuelve a cerrar. b) Modo calefacción

En este apartado se resume la evolución de ciertas magnitudes durante un día tipo en que la planta operó en modo calefacción. En modo calefacción la planta transmite la energía procedente de la radiación solar por la MADE al colector de calor de la ESI para combatir parte de la demanda de calefacción. En la Figura 23, se muestran los días que operó la planta en modo calefacción. Ha de destacarse que la planta de refrigeración operó en modo calefacción en el periodo de Febrero a Abril del 2011 pero no se obtuvieron datos correctos por lo que no se procesaron.


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Figura 23. Días de funcionamiento de la PRS en modo calefacción

En la Figura 24 se muestra la evolución de las condiciones meteorológicas de un día de invierno, se observa que el máximo de la radiación normal directa (𝐼𝑛,𝑑) está alrededor de la 13:15 hora local y el de la temperatura exterior alrededor de las 15:30.

Figura 24. Condiciones meteorológicas – Día de invierno

En la Figura 25 se muestra la evolución de los caudales del circuito solar a lo largo de un día en que la planta trabajó en modo calefacción. El caudal que circula por la MADE (𝑚𝑣 𝑚𝑎,𝑠 o msol) sufre una variación brusca (aunque más leve que en el modo refrigeración), debido a la actuación del sistema de control de la MADE, que regula la válvula de tres vías del circuito solar. En este caso lo que ocurre es que debido a la menor energía disponible en el circuito solar, esta no es suficiente para mantener la temperatura del HTG por lo que en principio la válvula de tres vías del circuito solar permite todo el paso del caudal del captador hacia la MADE, cuando se produce un descenso de la temperatura del HTG se enciende el quemador inyectado gran cantidad de energía en un periodo corto de tiempo lo que produce un sobre aumento en la THTG que hace que cierre casi en su totalidad la válvula de tres vías. Las variaciones en el caudal que atraviesa el captador (𝑚𝑣 𝑚𝑎,𝑠 o msol) son por consiguiente,


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producidas por la actuación de la válvula de tres vías del circuito solar y son amortiguadas por el sistema de control que actúa sobre el variador de la bomba del circuito solar.

Figura 25. Caudales del circuito solar – Calefacción

Figura 26. Temperaturas del captador y del HTG – Calefacción

Se observa en la Figura 26 una caída brusca de la temperatura de salida y entrada (𝑇𝑐𝑎,𝑖 capt,ret) al captador a las 13:00, debido a que a esta hora empieza a abrir progresivamente la válvula de tres vías del circuito solar y empieza la cesión de calor a la MADE. La exponencial atenuada que describe la temperatura de salida y entrada al captador al inicio es debido a que los sensores de temperatura no están ubicados justamente a la entrada y salida del captador sino un poco más alejados, en la tubería, y el agua que permaneció en el tubo absorbedor se enfría menos que la que permaneció en la tubería durante el periodo de


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parada, por eso al pasar por los sensores estos marcan un aumento de la temperatura que se va amortiguando a medida que el agua del circuito solar se va mezclando. Los picos en la temperatura de entrada y salida del captador son debidos a los picos del caudal solar que circula por la MADE, cada vez que la MADE actúa sobre la válvula de tres vías del circuito solar para controlar la temperatura del HTG, produce una variación en el caudal que circula por el captador, esta variación de caudal conlleva una variación en la Tcapt,imp (𝑇𝑐𝑎,𝑠) y Tcapt,ret (𝑇𝑐𝑎,𝑠). En la Figura 27 se muestra la evolución temporal de las potencias en el circuito solar de la PRS. Puede observarse una evolución de la potencia absorbida (��𝑎𝑏𝑠 o Qsol-a) en forma de sinusoidal atenuada al arranque del captador debida a la colocación de los sensores de temperatura de salida y entrada del captador explicada en el párrafo anterior, en realidad la potencia absorbida seguirá una evolución suave en el arranque.

Figura 27. Potencias del circuito solar – Calefacción

La potencia incidente (��𝑖𝑛𝑐 o Qsol-i) sigue la misma evolución que la radiación normal directa debido a que no existe desenfoque de los espejos porque no se alcanzó la temperatura máxima de consigna en la salida del captador. Los picos que se observan en la potencia cedida (��𝑚𝑎,𝑠 o Qsol) y la potencia absorbida (��𝑎𝑏𝑠 o Qsol-a) se deben a la variación de caudales en el circuito solar producidos por la regulación de la válvula de tres vías. En la Figura 28 se muestra la evolución de las temperaturas del circuito de calor y del caudal que atraviesa el evaporador de la MADE. A partir de las 13:00, al encendido de la MADE, se produce un aumento en la temperatura de salida (𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑜 o Tma,cal,imp) separándose de la


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temperatura de entrada (𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑖 o Tma,cal,ret) debido al calor aportado por la MADE (��𝑚𝑎,𝑐 o Qcal). Se observa que la MADE operó con una temperatura de consigna para el colector de calor, inferior a la temperatura de diseño de salida de la MADE. Esto supone que caudales del circuito de calor se mantienen constantes y la temperatura de entrada al primario del intercambiador de calor coincide prácticamente con la de salida de la MADE (𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑜 o Tma,cal,imp). Los siete picos que se observan en las temperaturas de salida y entrada de la MADE son debidos al aporte de calor por combustión de gas natural.

Figura 28. Medidas de sensores del circuito de calor

En la Figura 29 se muestran los intercambios energéticos en la MADE. Se observa una subida en la potencia de calefacción (��𝑚𝑎,𝑐 o Qcal) desde la hora de encendido de la MADE (las 13:00) hasta unos 45 minutos después, cuando la MADE se pone a régimen, la potencia de calefacción (��𝑚𝑎,𝑐 o Qcal) sigue la evolución de la temperatura del HTG. En este caso la energía aportada por el circuito (��𝑚𝑎,𝑠 o Qsol) solar es menor que en el modo refrigeración (en invierno disponemos de menos radiación) por lo que la válvula de tres vías del circuito solar deja pasar todo el caudal de agua (𝑚𝑣 𝑚𝑎,𝑠 o msol), cuando la temperatura del HTG baja, la potencia aportada por la combustión del gas natural (��𝑔𝑎𝑠 o Qgas) se encarga de mantenerla controlada, esta brusca subida de la temperatura del HTG debido a la combustión del gas natural hace que la MADE actué sobre la válvula de tres vías cerrando el paso del caudal procedente del circuito solar (msol=0).


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Figura 29. Intercambios energéticos en la MADE

3.4 Mantenimiento de la PRS. Análisis de fallos En este punto se analizan los fallos y paradas ocurridos en la Planta de Refrigeración Solar de la ETSI durante el periodo de operación comprendido entre el 01/02/208 y el 24/07/2011. Se ha elaborado una base de datos donde se han recogido un total de 433 sucesos (denominados órdenes) que han ocurrido en la PRS. En esta base para cada orden de se han rellenado los siguientes campos: • Id: Número de la orden • Orden: Describe el tipo de orden; de detección, de ejecución o de información. Además se

indica si se refiere a mantenimiento correctivo, preventivo o implantación de proyecto. • Tipo: Distingue si la orden es del tipo mecánico, eléctrico o de instrumentación y control. • Asociada: Indica la Id de otra orden en el caso de que hubiera una relación entre ambas. • Localización: Indica en qué lugar físico ocurre la orden o a qué lugar se refiere. • Equipo: Indica en qué equipo ocurre la orden o a qué lugar se refiere. • Fecha de inicio: Fecha de inicio asociada a la orden. • Fecha de fin: Fecha de finalización asociada a la orden. • Identificación: Persona o grupo asociado a la orden. • Código: Código de error, cada tipo de error lleva asociado un código. • Nombre: Nombre en el caso de que la orden sea un fallo o parada. • Descripción: Descripción de la orden. • Notas: Notas aclaratorias • Archivos: Archivos adjuntos que aportan información adicional como imágenes, etc…


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Se han definido 44 tipos de errores diferentes, en los que se han agrupado los 133 fallos y paradas ocurridos en la PRS; 1. Problema de conexión con el sistema de control Los equipos no responden según lo esperado debido a un fallo de conexión con el sistema de control 2. Fallo de control en fila de espejos Una fila de espejos del captador Fresnel no está operando correctamente, su posicionamiento no es el debido o simplemente no realiza el seguimiento de la posición solar. 3. Fallo mecánico en fila de espejos Dilataciones térmicas dificultan el giro de alguna fila de espejos produciendo su parada o una orientación equivocada. 4. Espejo roto Se produce la rotura de un espejo debido a tensiones mecánicas originadas por dilataciones de origen térmico. 5. Aislamiento deteriorado o inexistente Existen puntos de la instalación donde el aislamiento de las conducciones está deteriorado o simplemente no se ha colocado tras la resolución de una ampliación o incidencia. 6. Motor de fila averiado El motor de una de las filas del campo de receptores primarios no funciona correctamente produciendo un giro incorrecto o simplemente no se mueve. 7. Fallo en bomba de circulación Una de las bombas de circulación de la instalación no funciona correctamente. 8. Sensor de medida no funciona correctamente Uno de los sensores de medida de la instalación no funciona correctamente. 9. Sensor de control no funciona correctamente Uno de los sensores de medida que es utilizado por el sistema de control no funciona correctamente. 10. Fallo en el control de nivel de refrigerante de la MADE El nivel de refrigerante de la MADE sobrepasó uno de los valores límites permitidos, produciendo una parada.


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11. Fallo en válvula controlada Una válvula de control no se posiciona como le es requerido por el sistema de control. 12. Fallo en adquisición de datos El sistema de adquisición de datos falló perdiéndose el registro de las variables de operación en un periodo de tiempo 13. Fuga de agua Se produce una fuga de agua en un punto de la instalación. 14. Alta presión en el evaporador de la MADE La presión en el evaporador de la MADE subió reduciendo la capacidad de producir frío. 15. Fresnel sin calibración Algunos de los reflectores primarios del captador solar Fresnel no están calibrados por lo que no apuntan correctamente al tubo absorbedor. 16. Penalización al sistema convencional La temperatura de salida de la MADE en el circuito de frío es tan alta que en lugar de combatir la carga térmica de la ESI penaliza al sistema convencional. 17. Equipo no arranca Uno de los equipos de la instalación no arranca cuando se le envía la orden encendido. 18. Fallo en válvula de alivio Se produjo un fallo en una válvula de alivio de la instalación. 19. Fallo en presostato Se produjo un fallo en un presostato de la instalación. 20. Actuación de protección eléctrica Se produce la parada de un equipo debido a la actuación de una protección eléctrica. 21. Fallo de ignición en la MADE No le está llegando combustible al quemador de la MADE debido a que estaba cerrada la válvula eléctrica de seguridad del GN. 22. Corte en el suministro eléctrico Se produjo un corte en el suministro eléctrico de la ESI que produjo una parada de emergencia.


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23. Fallo en sensor de alineamiento del Fresnel El captador solar detecta que uno de los sensores de alineamiento no funciona correctamente. 24. Fallo en el quemador de la MADE El quemador de la MADE no consigue mantener la llama tras varios intentos de rearme fallidos produciendo la parada de la MADE. 25. Fallo por flujo irregular a la MADE El flujo que circula por el evaporador de MADE está por debajo del mínimo técnico produciendo una para proteger el equipo. 26. Baja presión en el circuito de fría La presión en la aspiración de la bomba del circuito de fría es tan baja que produce cavitación impidiendo el funcionamiento de la PRS. 27. Fallo en Metasys Fallo del SCADA de la PRS, quedando inhabilitadas algunas o todas las zonas de la instalación. 28. Modo de operación estacional incorrecto Se produjo una parada debido a que el modo estacional seleccionado en el sistema de control no era con el que debía operar la planta no coincidiendo con la configuración de la MADE y el posicionamiento de las válvulas definido. 29. Fallo en bomba de llenado Falló la bomba de llenado del circuito solar 30. Fallo en purgador Fuga en purgador o la planta operó con la válvula de corte cerrada imposibilitando la expulsión de gases en la línea. 31. Fallo encendido/parada programada en equipo El sistema no obedeció a un encendido o parada programada encendiendo antes de la hora prevista u obligando a la parada mediante el modo manual. 32. Baja presión de llenado La presión en el circuito de llenado de la ESI es tan baja que imposibilita el llenado de algún circuito de la PRS


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33. La MADE enfría por debajo de lo debido La capacidad de refrigeración de la MADE disminuyó considerablemente. El problema se solucionó sin ninguna actuación por lo que no se puede asegurar que fuera debido a una caída en la presión del evaporador. 34. Fallo en pantalla del Fresnel La pantalla táctil del panel de control deja de funcionar impidiendo la operación del captador Fresnel. 35. Corrosión en válvula Una válvula de la instalación presenta signos de corrosión y debe ser sustituida. 36. Batería del Fresnel en nivel bajo La fuente de alimentación del captador Fresnel (UPS) tiene una capacidad demasiado baja debido al uso y debe ser sustituida 37. Fallo en conector Ethernet del Fresnel El conector del cable Ethernet del Fresnel está deteriorado impidiendo la conexión a la red. 38. Fallo en la NAE Fallo en la NAE, no se puede acceder a Metasys. 39. Fallo en el Switch Fallo en el swith ubicado junto a la NAE, siendo necesario sustituirlo para recuperar las comunicaciones. 40. Error de posicionamiento de elemento Un elemento de la instalación ha sido posicionado erróneamente. 41. Filtros colmatados Los filtros de un circuito hidráulico se han colmatado aumentando la perdida de carga y perdiendo la capacidad de limpieza. 42. Fallo en autómata Un autómata de un cuadro de control está averiado y es necesario sustituirlo. 43. Equipo se paró Un equipo de la instalación se paró. 44. Fallo de control en el Fresnel Se produce un fallo de control y el Fresnel no obedece a la orden de cambiar a modo manual.


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En la Figura 30 se muestra la frecuencia de los diferentes tipos de fallos ocurridos en la PRS. El fallo más recurrente en la PRS, con una frecuencia del 7,52 %, es el debido ha no disponer de suficiente presión en el circuito de fría para poder arrancar la instalación. En segundo lugar, ocurriendo en un 6,77 % de las ocasiones están las fugas de agua principalmente en el circuito de frío. En tercer, cuarto y quinto puesto con una frecuencia del 6,02 % se encuentra los cortes en el suministro eléctrico de la ESI, los fallos en las bombas de circulación y los problemas de conexión con el sistema de control. En la Figura 31 se muestra la frecuencia de paradas y fallos ocurrida en la PRS divididas por zonas. Como puede observarse la zona donde más fallos y paradas ocurren es el circuito solar con el 44,85 % de las ocasiones, debido a los en el Fresnel y a que es la zona de la instalación que está sometida a más requerimientos técnicos, los elementos en el circuito solar pueden llegar a trabajar a unas presiones (16 barA) y temperaturas (190 ºC) considerables. En segundo lugar el circuito de frío con una frecuencia de 18,38 % debido principalmente a la imposibilidad de arrancar o parada por baja presión en el circuito de frío. En tercer lugar con una frecuencia del 13,97 % el sistema de control en su mayoría debido a fallos en el Metasys y a fallos en el encendido/apagado programado de la MADE. En la Figura 32 se muestra la frecuencia de fallos dividida por tipo de equipo. El equipo donde ocurren un mayor número de fallos es el captador Fresnel con una frecuencia del 24,81 %, estos fallos son principalmente debidos a problemas de conexión con el sistema de control, averías en los motores de las filas y fallos de control en las filas de los espejos. En segundo lugar se encuentran los fallos en las tuberías de la instalación debidos a que por su configuración no permiten una presión suficiente y un caudal lo suficientemente estable para que pueda operar la MADE y a la aparición de fugas. En tercer lugar con una frecuencia del 12,78 % se encuentra el sistema de control en su mayoría debido a fallos en el Metasys y a fallos en el encendido/apagado programado de la MADE.


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Figura 30. Frecuencia – Fallos. General


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Figura 31. Frecuencia – Fallos. Por zona

Figura 32. Frecuencia – Fallos. Por equipos


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4 RESULTADOS En este capítulo se describe la caracterización de las tuberías del circuito solar puesto que tienen asociadas unas pérdidas térmicas importantes. La caracterización del acumulador de PCM no ha sido llevada a cabo debido a que no ha habido suficientes días de operación y la caracterización de la MADE y el captador solar ha sido realizada en trabajos anteriores. Acto seguido se describe el proceso para calcular todas las potencias energéticas que intervienen durante la operación de la planta de refrigeración solar a partir de los datos obtenidos en el plan de ensayos. Posteriormente se presenta la evaluación energética de la PRS con acumulador de PCM, este punto fue realizado por López J.R. para el proyecto “Almacenamiento térmico en caliente para refrigeración solar por absorción” dirigido por Gas Natural. Finalmente se presenta el análisis energético y exergético a la planta de refrigeración solar.

4.1 Caracterización del captador Fresnel La caracterización del captador Fresnel fue realizada por Caro, M.R y el Dr. Rosa F. et al en el proyecto “Refrigeración solar por absorción en el sector terciario” dirigido por Gas Natural.

4.2 Caracterización de la Máquina de Absorción Este apartado de se compone de dos partes: en la primera se presenta una descripción del algoritmo matemático para la caracterización de una máquina de absorción, y la segunda recoge y estudia el comportamiento de la máquina de absorción en la planta piloto. La caracterización de la MADE fue realizada por Rosa F. et al en el proyecto “Refrigeración solar por absorción en el sector terciario” dirigido por Gas Natural.

4.3 Caracterización de las tuberías del circuito solar Este apartado se caracteriza las tuberías del circuito solar mediante la obtención del producto 𝑈𝐴 (producto del coeficiente global de transferencia por el área de transferencia) y se calculan las pérdidas que se producen en el circuito solar de la planta de refrigeración solar de la ETSI. En él se muestran los resultados del cálculo de pérdidas según dos puntos de vista distintos. Por un lado, las pérdidas nocturnas, con el sistema parado y por otro, las pérdidas en funcionamiento en régimen permanente, calculadas como el porcentaje de energía perdida


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con respecto al total aportado por el circuito de calor (que para instalaciones de climatización no debe superar el 4% en condiciones de diseño según el RITE). En ambos casos, los resultados se presentan en términos del coeficiente global de transferencia de calor del circuito por el área de transferencia de éste. a) Cálculo de las pérdidas térmicas de la instalación

Primero se realiza un reconocimiento del sistema para evaluar cómo se comporta térmicamente, una vez analizado el comportamiento del sistema se llega a la conclusión que la mejor manera de caracterizar las pérdidas es mediante los 𝑈𝐴 (producto del coeficiente global de transferencia por el área de transferencia) del sistema ya que es un parámetro constructivo que no depende de las condiciones de operación del sistema, para el cálculo de los 𝑈𝐴 se llega a la conclusión que la mejor procedimiento es determinar previamente las constantes de tiempo 𝜏 del enfriamiento, para ello se utilizan 2 procedimientos diferentes contrastando los resultados obtenidos. En la Figura 33 se muestra la evolución de las temperaturas en el circuito solar durante un periodo de funcionamiento. Puede observarse como las temperaturas de entrada y salida del captador empiezan a aumentar alrededor de las 9:00 de la mañana cuando comienza a incidir la radiación directa en el tubo absorbedor. Las temperaturas de entrada y salida de la máquina de absorción de doble efecto (MADE) experimentan una brusca subida debida al arranque a las 12:00 de la mañana y las temperaturas del captador disminuyen porque empieza a producirse el aporte de calor a la máquina. A partir de la 13:00 la máquina se pone a régimen y las oscilaciones que se observan en las temperaturas son debidas a la variación de la radiación directa y a los aportes de energía por combustión de gas natural debidos a la regulación. Tanto la tubería de ida (tu2) como la de retorno (tu1) del circuito solar tienen el mismo coeficiente global de transferencia (𝑈) ya que son iguales constructivamente y debido a que sus longitudes son prácticamente iguales también se puede considerar que ambas tienen el mismo 𝑈𝐴. Para el cálculo de las pérdidas totales en la tubería durante las horas de parada de la instalación, se ha utilizado la siguiente expresión considerando régimen permanente: 𝑄𝑝𝑒𝑟 = 𝑈𝐴 𝐷𝑇𝐿𝑀 En el presente documento se utiliza para los cálculos del 𝑈𝐴, la tubería que une el captador solar y máquina de absorción de doble efecto (tu1), ya que es en esta tubería donde tenemos medida directa de temperatura en sus extremos, debido a la existencia de una válvula de tres


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vías cercana a la máquina de absorción de doble efecto. Por lo tanto el 𝑈𝐴 de la tubería de retorno del sistema viene dado por:

𝑈𝐴𝑡𝑢1 =𝑄𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1

𝐷𝑇𝐿𝑀𝑡𝑢1

𝐷𝑇𝐿𝑀𝑡𝑢1 =�𝑇𝑐𝑎,𝑜 − 𝑇𝑒𝑥𝑡� − (𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑒 − 𝑇𝑒𝑥𝑡)

ln (𝑇𝑐𝑎,𝑜 − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑒 − 𝑇𝑒𝑥𝑡

)

Figura 33. Evolución de las temperaturas en un día de funcionamiento (23/06/2009).

Tras haber analizado varios días, se obtuvieron valores tan dispares de 𝑈𝐴 debido a la inercia de las masas del sistema que se decidió descartar este procedimiento. Así pues se optó por obtener el 𝑈𝐴 a partir del proceso de enfriamiento de la instalación determinando las constantes de tiempo (𝜏). Para ello es necesario analizar previamente la instalación para poder definir que partes se enfrían de manera independiente. En la Figura 34 se muestra la evolución de la temperatura de entrada y salida del captador durante la primera hora de funcionamiento. En el arranque, como puede observarse en la Figura 35, los picos que aparecen en la gráfica están separados un tiempo igual al tiempo que tarda el agua en dar una vuelta a todo el circuito: 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 4,6 𝑚𝑖𝑛 . También se observa que la curvas de temperatura a la entrada y salida del captador están desfasadas un tiempo equivalente al tiempo de residencia en el tubo absorbedor: 𝑡𝑎𝑏 = 1 𝑚𝑖𝑛 .


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∆𝑇𝑡𝑢−𝑎𝑏 = 17 ℃ 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 4,6 𝑚𝑖𝑛 𝑡𝑎𝑏 = 1 𝑚𝑖𝑛

Figura 34. Evolución de las temperaturas en el arranque de la instalación (23/06/2009).

Figura 35. Evolución de las temperaturas en el arranque de la instalación (23/06/2009).

Para poder despreciar el efecto del tubo absorbedor sobre el enfriamiento de las tuberías, se pretende demostrar que el enfriamiento del tubo absorbedor está totalmente desacoplado del enfriamiento de las tuberías del circuito solar aunque los termopares ubicados a la salida y entrada del tubo absorbedor indiquen continuidad en las temperaturas. Como puede observarse en la Figura 35 la temperatura medida por el termopar de salida del captador (que está ubicado no inmediatamente a la salida sino a una cierta distancia cuando la tubería vuelve a encontrase con el suelo) aumenta bruscamente, este salto térmico (∆𝑇𝑡𝑢−𝑎𝑏 = 17 ℃ ) pone de manifiesto que no existe homogenización entre las temperaturas del captador y la tubería,

𝑡𝑎𝑏

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜


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es decir, el agua contenida en el tubo absorbedor se enfría de manera independiente al agua contenida en las tuberías del circuito solar, por lo tanto siguen leyes de enfriamiento diferentes con constantes de tiempo (𝜏) distintas. Por lo tanto queda demostrada la independencia en el enfriamiento del agua en el interior del tubo absorbedor y la ubicada en las tuberías. A la hora de obtener el 𝑈𝐴 de las tuberías se hará la hipótesis de que el agua del captador no intercambia calor con el agua de las tuberías, por lo tanto el volumen de agua considerado es el que está en el interior de la tubería de impulsión y de retorno al captador y la transferencia de calor viene gobernada por el 𝑈𝐴 de dichas tuberías. b) Obtención de las constantes de tiempo (𝝉)

Constante de tiempo (𝝉) de las tuberías La ecuación del calor determina la evolución de la temperatura de un sistema sometido a un conjunto de intercambios caloríficos (Q).

𝐶𝑡 𝑑𝑇𝑑𝑡

= 𝑄

En el caso de que la única excitación a la que está sometido el sistema sea un intercambio con el exterior la ecuación del calor queda:

𝐶𝑡 𝑑𝑇(𝑡)𝑑𝑡

= −𝑈𝐴 · (𝑇(𝑡) − 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡))

Considerando variaciones suficientemente suaves de la temperatura exterior (Text) con el tiempo y despejando la ecuación diferencial:

𝐶𝑡 𝑑𝜃𝑑𝑡

= −𝑈𝐴 · 𝜃 → 𝐶𝑡𝑈𝐴

𝑑𝜃𝜃

= −𝑑𝑡 → 𝐶𝑡𝑈𝐴

ln(𝜃𝜃𝑖𝑛𝑖

) = −𝑡

𝑇(𝑡) = 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡) + (𝑇𝑖𝑛𝑖 − 𝑇𝑒𝑥𝑡,𝑖𝑛𝑖) · 𝑒− 𝑡

(𝐶𝑡𝑈𝐴) Al denominador del exponente del número e se le denomina constante de tiempo (τ) y es un indicador de la inercia térmica del sistema. Primer procedimiento La ley de enfriamiento de un sistema cuando la variación de la temperatura exterior (𝑇𝑒𝑥𝑡) con respecto al tiempo es lo suficientemente suave, viene dada por:


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𝑇(𝑡) = 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡) + �𝐶𝑖 · 𝑒−𝑡𝜏𝑖

𝑛

𝑖=1

Si el sistema lleva enfriándose el tiempo suficiente para que predomine la constante de tiempo principal (𝜏), el sistema a partir de ese instante puede considerarse como un sistema de capacidad que sigue la siguiente ley de enfriamiento:

𝑇(𝑡) = 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡) + 𝐶 · 𝑒−𝑡𝜏

Siendo C el salto de temperaturas entre el sistema y el exterior en el instante inicial: 𝐶 = 𝑇𝑖𝑛𝑖 − 𝑇𝑒𝑥𝑡,𝑖𝑛𝑖 Por lo tanto para 2 instantes cualesquiera de tiempo tenemos:

𝑇(𝑡1) = 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡1) + 𝐶 · 𝑒−𝑡1𝜏

𝑇(𝑡2) = 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡2) + 𝐶 · 𝑒−𝑡2𝜏

Operando llegamos a la conclusión que si el sistema se enfría siguiendo una ley exponencial (sistema de capacidad), el cociente entre saltos de temperatura equidistantes en el tiempo ha de conservarse constante: 𝑇(𝑡1) − 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡1)𝑇(𝑡2) − 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡2)

= 𝑒∆𝑡𝜏 = 𝑐𝑡𝑒

A continuación se muestran los cocientes entre saltos de temperatura para los 3 días de cálculo.


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Figura 36. Cociente entre saltos de temperatura (23/06/2009)




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Puede observarse en la Figura 36, Figura 37 y Figura 38 como el valor de los cocientes de los saltos de temperaturas va disminuyendo hasta que a partir la segunda hora de enfriamiento permanecen relativamente constantes. Tomando los valores de las 4 últimas horas del enfriamiento de los 3 días obtenemos: 𝑇(𝑡𝑖) − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑇(𝑡𝑖+1) − 𝑇𝑒𝑥𝑡

= 1,049

Aplicando la siguiente relación obtenemos el valor de la constante de tiempo dominante (𝜏) habiéndose obtenido con intervalos temporales de media hora (∆𝑡 = 1800 𝑠): 𝑇(𝑡𝑖) − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑇(𝑡𝑖+1) − 𝑇𝑒𝑥𝑡

= 𝑒∆𝑡𝜏

𝜏 =∆𝑡

ln � 𝑇(𝑡𝑖)− 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑇(𝑡𝑖+1)− 𝑇𝑒𝑥𝑡

�= 37618 𝑠

Segundo procedimiento Para calcular la constante de tiempo de la instalación por otro procedimiento se ha ajustado la curva de enfriamiento real de la instalación con una curva teórica integrada numéricamente para diferentes constantes de tiempo (𝜏) a partir de la cuarta hora de enfriamiento (las 23:00), cuando ya ha desaparecido el efecto de las constantes de tiempo secundarias, para obtener coincidencia en la temperatura final (a las 8:00), calculándose así una constante de tiempo 𝜏 de 36657 𝑠. 𝜏 = 36657 𝑠 Los puntos de la curva teórica se han obtenido resolviendo de manera numérica la ecuación del calor para este caso, aproximando las derivadas por cocientes de incrementos:

𝜏 𝑑𝑇𝑑𝑡

= −(𝑇 − 𝑇𝑒𝑥𝑡) → ∆𝑇∆𝑡

= −(𝑇 − 𝑇𝑒𝑥𝑡 )

𝜏

∆𝑇 = −(𝑇 − 𝑇𝑒𝑥𝑡 ) ∆𝑡

𝜏 → 𝑇(𝑡𝑖+1) = 𝑇(𝑡𝑖) −

�𝑇(𝑡𝑖) − 𝑇𝑒𝑥𝑡(𝑡𝑖)� ∆𝑡𝜏


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En la Figura 39, Figura 40 y la Figura 41 se muestran las curvas obtenidas, el eje de abscisas indica las horas de enfriamiento con origen en las 20:00 (cuando se para la instalación) y en ordenadas la temperatura real medida (Exp) y la obtenida integrando numéricamente.

Figura 39. Curva de enfriamiento del circuito solar (23-24/06/2009).



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Constante de tiempo (𝝉) del tubo absorbedor. Para calcular la constante de tiempo 𝜏𝑎𝑏 procedemos de la siguiente manera:

𝜏𝑎𝑏 = 𝑡𝑓𝑟𝑖

𝑙𝑛�𝑇𝑓𝑖𝑛−𝑇𝑒𝑥𝑡,𝑓𝑖𝑛𝑇𝑖𝑛𝑖−𝑇𝑒𝑥𝑡,𝑖𝑛𝑖

�

Teniendo en cuenta que al final del enfriamiento (que coincide con el arranque de la bomba) existe un salto de temperaturas: ∆𝑇𝑡𝑢−𝑎𝑏 = 17℃ entre la temperatura real y la medida en el termopar. 𝑇𝑓𝑖𝑛 = 𝑇𝑐𝑎,𝑜,𝑓𝑖𝑛 + ∆𝑇𝑡𝑢−𝑎𝑏

𝜏𝑎𝑏 =𝑡𝑓𝑟𝑖

𝑙𝑛 �𝑇𝑓𝑖𝑛 − 𝑇𝑒𝑥𝑡,𝑓𝑖𝑛𝑇𝑖𝑛𝑖 − 𝑇𝑒𝑥𝑡,𝑓𝑖𝑛

�= 55919 𝑠

c) Cálculo de los UA

Una vez obtenidas las constantes de tiempo (𝜏) se obtienen los 𝑈𝐴 de la instalación. UA de las tuberías Se procede a obtener el valor de 𝑈𝐴 de las tuberías del circuito solar a partir del valor de 𝜏 ya calculado anteriormente:

𝐶𝑡,𝑤 = 𝜌𝑤 𝐶𝑝,𝑤𝑉𝑤


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𝐶𝑡,𝑎𝑐𝑒 = 𝜌𝑎 𝐶𝑝,𝑎𝑉𝑎 𝐶𝑡 = 𝐶𝑡,𝑤 + 𝐶𝑡,𝑎

𝜏 =𝐶𝑡

𝑈𝐴𝑡𝑢

En el primer procedimiento utilizado se obtuvo una constante de tiempo 𝜏 = 37618 𝑠 :

𝑈𝐴𝑡𝑢 =𝐶𝑡𝜏

= 110,15 𝑊𝐾

𝑈𝐴𝑡𝑢 = 𝑈𝐴𝑡𝑢1 + 𝑈𝐴𝑡𝑢2 Como las dos tuberías del circuito solar son iguales y de la misma longitud:

𝑈𝐴𝑡𝑢1 =𝑈𝐴𝑡𝑢

2

𝑈𝐴𝑡𝑢1 = 55,07𝑊𝐾

En el segundo procedimiento utilizado se obtuvo una constante de tiempo 𝜏 = 36657 𝑠 :

𝑈𝐴𝑡𝑢 =𝐶𝑡𝜏

= 113,04 𝑊𝐾

𝑈𝐴𝑡𝑢 = 𝑈𝐴𝑡𝑢1 + 𝑈𝐴𝑡𝑢2

𝑈𝐴𝑡𝑢1 =𝑈𝐴𝑡𝑢

2

𝑈𝐴𝑡𝑢1 = 56,52 𝑊𝐾

El 𝑈𝐴 teórico de la tubería viene dado por:

𝑈𝐴𝑡𝑢1,𝑡𝑒𝑜 =1

𝑅𝑎 + 𝑅𝑛 + 1ℎ 𝐴𝑡𝑢1

Donde ℎ es el coeficiente de película convectivo-radiante exterior que tomando un valor de

21 𝑊𝑚2 ℃

, sustituyendo las expresiones de las resistencias del acero y el aislante tenemos:


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𝑙𝑛 �𝐷𝑒,𝑎𝐷𝑖,𝑎

�

2 𝜋 𝑘𝑎 𝐿 +𝑙𝑛 �

𝐷𝑒,𝑛𝐷𝑖,𝑛

�

2 𝜋 𝑘𝑛 𝐿𝑡𝑢1+ 1ℎ 𝐴𝑡𝑢1


𝑙𝑛 �0,060,52�

2 · 𝜋 · 44,5 · 182,5 +𝑙𝑛 �0,18

0,06�2 · 𝜋 · 0,035 · 182,5 + 1

21 · 103,2

= 35,92 𝑊𝐾

Por lo tanto el efecto de las pérdidas diferentes a las pérdidas por temperatura puede cuantificarse como: 𝑈𝐴𝑡𝑢1 = 𝑈𝐴𝑡𝑢1,𝑡𝑒𝑜�1 + 𝑓𝑝𝑎� Donde el factor de pérdidas adicionales (𝑓𝑝𝑎) debidas a los puentes térmicos principalmente, vale para el primer procedimiento:

𝑓𝑝𝑎 =𝑈𝐴𝑡𝑢𝑏1𝑈𝐴𝑡𝑢1,𝑡𝑒𝑜

− 1 = 0,53

Análogamente para el segundo procedimiento tenemos:

𝑓𝑝𝑎 =𝑈𝐴𝑡𝑢1

𝑈𝐴𝑡𝑢1,𝑡𝑒𝑜− 1 = 0,57

Por tanto, según los cálculos, el efecto de las pérdidas adicionales aumenta las pérdidas teóricas en un 55% en las condiciones actuales de operación de la planta. UA del tubo absorbedor Despejando el valor de 𝑈𝐴𝑎𝑏 obtenemos:

𝑈𝐴𝑎𝑏 =𝜌𝑤 𝐶𝑝,𝑤𝑉𝑎𝑏

𝜏𝑎𝑏= 16,27

𝑊𝐾

Para el valor de 𝑈𝐴 teórico se aplica la siguiente expresión:


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𝑈𝐴𝑎𝑏,𝑡𝑒𝑜 =1

𝑙𝑛 �𝐷𝑒,𝑎𝑏𝐷𝑖,𝑎𝑏

�

2 𝜋 𝑘𝑎𝑏 𝐿𝑎𝑏+ 1

14𝜎𝑇�3 �

1 − 𝜀𝑎𝑏𝐴𝑒,𝑎𝑏

+ 1𝐴𝑒,𝑎𝑏

+ 1 − 𝜀𝑣𝑖𝐴𝑖,𝑣𝑖

�+𝑙𝑛 �

𝐷𝑒,𝑣𝑖𝐷𝑖,𝑣𝑖

�

2 𝜋 𝑘𝑣 𝐿𝑎𝑏+ 1ℎ 𝐴𝑒,𝑣𝑖

Donde el primer término del denominador representa la resistencia térmica del tubo absorbedor, el segundo término representa la resistencia térmica equivalente de la cámara de vacío que existe entre la cara exterior del tubo absorbedor y la cara interior del vidrio, el tercero representa la resistencia térmica del vidrio y el último es la resistencia exterior convectivo-radiante. El 𝑈𝐴𝑡𝑒𝑜,𝑎𝑏 varía sensiblemente con la temperatura media entre la pared exterior del tubo absorbedor y la temperatura interior del vidrio (𝑇�) como puede observarse en la Tabla 11:

𝑇� (℃) 𝑈𝐴𝑡𝑒𝑜,𝑎𝑏 �𝑊 𝐾� �

130 16,256

100 12,980

70 10,155

40 7,756

Tabla 11. Valores de 𝑈𝐴𝑡𝑒𝑜,𝑎𝑏

d) Pérdidas en el enfriamiento

Las pérdidas en el enfriamiento (en el periodo en que la instalación está parada) pueden obtenerse con cualquiera de las siguientes fórmulas:

- En la tubería:

𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢 = 𝐶𝑡 · �𝑇𝑡𝑢,𝑖𝑛𝑖 − 𝑇𝑡𝑢,𝑓𝑖𝑛�

𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢 = � 𝑈𝐴𝑡𝑢 (𝑇𝑡𝑢 − 𝑇𝑒𝑥𝑡)𝑓=7:00

𝑖=20:00

- En el tubo absorbedor:

𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑎𝑏 = 𝐶𝑡,𝑎𝑏 · �𝑇𝑎𝑏,𝑖 − 𝑇𝑎𝑏,𝑓� Siendo: 𝐶𝑡,𝑎𝑏 = 𝜌𝑤 𝐶𝑝,𝑤𝑉𝑎𝑏


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𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑎𝑏 = � 𝑈𝐴𝑎𝑏 (𝑇𝑎𝑏 − 𝑇𝑒𝑥𝑡)𝑓=7:00

𝑖=20:00

En el primer caso (en la tubería), se han calculado las pérdidas con las dos expresiones obteniendo unas desviaciones en torno al 7 %. En el caso del tubo absorbedor, dado que no existen datos de la evolución de la temperatura del tubo, se ha optado por utilizar únicamente la primera expresión. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 12.

𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢 (𝑘𝑊ℎ) 𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑎𝑏 (𝑘𝑊ℎ) 𝐸𝑎𝑏 (𝑘𝑊ℎ) 23/06/2009 84,94 14,45 854,13 24/06/2009 85,05 14,60 871,86 25/06/2009 89,83 15,62 715,90

Tabla 12. Pérdidas en el circuito solar Las pérdidas totales en el lazo solar pueden calcularse como: 𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑜𝑡 = 𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢 + 𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑎𝑏 Si referimos dichas pérdidas a la energía captada por el absorbedor:

𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑜𝑡(%) = 100𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑜𝑡

𝐸𝑎𝑏

Obteniéndose un porcentaje de pérdidas medio referido la energía total absorbida de: 𝐸𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑜𝑡,𝑚𝑒𝑑(%) = 12,6 % e) UA para cumplimiento de las especificaciones del RITE

Para comprobar si la instalación cumple las especificaciones dispuestas en el RITE, se procede a comparar el 𝑈𝐴 de la instalación con el 𝑈𝐴 exigido por dicho reglamento. En condiciones nominales la máquina de absorción de doble efecto (MADE) opera con: ��𝑚𝑎,𝑓𝑛𝑜𝑚 = 174 𝑘𝑊

𝐶𝑂𝑃 =𝑄𝑚𝑎,𝑓

𝑄𝑔𝑎𝑠𝑛𝑜𝑚 + 𝑄𝑚𝑎,𝑠𝑛𝑜𝑚 = 1,16


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En condiciones nominales la MADE no aporta calor por combustión de gas natural: ��𝑔𝑎𝑠𝑛𝑜𝑚 = 0

��𝑠𝑛𝑜𝑚 =𝑄𝑚𝑎,𝑓𝑛𝑜𝑚

𝐶𝑂𝑃= 150 𝑘𝑊

El RITE solo permite un 4% de pérdidas de la potencia aportada a la máquina en condiciones de diseño. ��𝑝𝑒𝑟𝑅𝐼𝑇𝐸 = 0,04 · 𝑄𝑚𝑎,𝑠

𝑛𝑜𝑚 = 6 𝑘𝑊 Asumiendo que las pérdidas en las 2 tuberías son iguales ya que tienen la misma longitud: ��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1𝑅𝐼𝑇𝐸 = 0,5 · 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑅𝐼𝑇𝐸 = 3 𝑘𝑊

Con una temperatura del captador a 𝑇𝑐𝑎,𝑜𝑛𝑜𝑚 = 180 ℃ y un caudal nominal ��𝑐𝑎

𝑛𝑜𝑚 = 12,5 𝑚3

ℎ

obtenemos una temperatura de entrada a la MADE: ��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1𝑅𝐼𝑇𝐸 = 𝜌𝑤 ��𝑐𝑎

𝑛𝑜𝑚 𝐶𝑝,𝑤 �𝑇𝑐𝑎,𝑜𝑛𝑜𝑚 − 𝑇𝑚𝑎,𝑖

𝑅𝐼𝑇𝐸� 𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑖𝑅𝐼𝑇𝐸 = 179,79 ℃

Tomando una temperatura media de verano en las horas de funcionamiento 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑛𝑜𝑚 = 28 ℃ obtenemos una temperatura logarítmica media de:

𝐷𝑇𝐿𝑀𝑅𝐼𝑇𝐸 =�𝑇𝑐𝑎,𝑜

𝑛𝑜𝑚 − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑛𝑜𝑚� − (𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑖𝑅𝐼𝑇𝐸 − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑛𝑜𝑚)

ln (𝑇𝑐𝑎,𝑜𝑛𝑜𝑚 − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑛𝑜𝑚

𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑖𝑅𝐼𝑇𝐸 − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑛𝑜𝑚

)= 151,9 ℃

Y finalmente obtenemos un 𝑈𝐴𝑅𝐼𝑇𝐸 :

𝑈𝐴𝑅𝐼𝑇𝐸 =𝑄𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1𝑅𝐼𝑇𝐸

𝐷𝑇𝐿𝑀𝑅𝐼𝑇𝐸 = 19,75 𝑊𝐾

f) Conclusiones

Habiendo obtenido en apartados anteriores:

𝑈𝐴𝑡𝑢1 = 55,07 𝑊𝐾


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𝑈𝐴𝑡𝑒𝑜,𝑡𝑢1 = 35,92 𝑊𝐾

Puede observase que el 𝑈𝐴 exigido por el reglamento es inferior al real de la instalación, por lo tanto, no cumple las especificaciones del RITE. 𝑈𝐴𝑅𝐼𝑇𝐸 < 𝑈𝐴𝑡𝑒𝑜,𝑡𝑢1 < 𝑈𝐴𝑡𝑢1 Si se quiere aumentar el espesor de aislante para cumplir las especificaciones del RITE se tiene que las pérdidas en condiciones de diseño son las siguientes: ��𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑡𝑢1𝑑𝑖𝑠 < 3000 𝑊

��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1𝑑𝑖𝑠 = 𝑄𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1,𝑡𝑒𝑜

𝑑𝑖𝑠 + 𝑄𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1,𝑝𝑎𝑑𝑖𝑠

��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1,𝑡𝑒𝑜𝑑𝑖𝑠 = 𝑈𝐴𝑡𝑢1 · 𝐷𝑇𝐿𝑀𝑅𝐼𝑇𝐸 = 55,07 · 151,9 = 8366 𝑊

��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1,𝑝𝑎𝑑𝑖𝑠 = 𝑄𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1,𝑡𝑒𝑜

𝑑𝑖𝑠 · 𝑓𝑝𝑎 = 8366 · 0,53 = 4461 𝑊 Aumentando el espesor de aislamiento podemos reducir las pérdidas debidas a la diferencia de temperatura entre el fluido y el exterior (��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1,𝑡𝑒𝑜

𝑑𝑖𝑠 ), pero reduciremos poco las pérdidas

adicionales (��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢1,𝑝𝑎𝑑𝑖𝑠 ) ya que estas son debidas mayoritariamente al efecto de los puentes

térmicos, como dichas pérdidas por si solas son superiores al 4 % exigido por el RITE, se deduce que para cumplir el reglamento no basta con aumentar el espesor de aislamiento.

4.4 Metodología de cálculo En este apartado se describe el procedimiento utilizado para el cálculo los intercambios energéticos involucrados en la operación de la planta. Los valores de la potencia energética se calculan mediante valores instantáneos medidos por los sensores de la instalación. Para calcular las energías se integran dichas potencias en el intervalo de tiempo deseado.

𝐸 = � �� 𝑑𝑡𝑡𝑓𝑖𝑛

𝑡𝑖𝑛𝑖

En modo refrigeración el circuito de calor se encuentra inoperativo y en modo calefacción el circuito que no opera es el de frío.


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a) Balance energético en el captador solar

Potencia radiante Es la potencia radiante que incide en los espejos del captador Fresnel. Se calcula de la siguiente manera: ��𝑟𝑎𝑑 = 𝐼𝑛,𝑑 𝐴𝑐𝑎 Donde 𝐼𝑛,𝑑 es la radiación normal directa medida en el instante de cálculo y 𝐴𝑐𝑎 es la superficie útil ocupada por los reflectores primarios del captador solar Fresnel. Medidas: 𝐼𝑛,𝑑 → Pirheliómetro. Parámetros: 𝐴𝑐𝑎 → Superficie útil de captación: 352 𝑚2 Potencia radiante incidente Es la potencia realmente disponible por el captador ya que el control del captador solar actúa sobre los seguidores desenfocando cuando la corriente de salida del captador alcanza una temperatura de consigna (Tmax = 180 ºC). Se calcula de la siguiente manera: ��𝑖𝑛𝑐 = ��𝑟𝑎𝑑 .𝑓𝑒𝑠𝑝 Donde 𝑓𝑒𝑠𝑝 es el factor de enfoque y representa el porcentaje de espejos que están bien orientados hacia el tubo absorbedor. Cálculos previos: ��𝑟𝑎𝑑 Medidas: 𝑓𝑒𝑠𝑝 → Sistema de control. Indica el valor que ordena el sistema de control y no el valor real porque los espejos tardan cierto tiempo en orientarse, ver la Figura 42, por lo tanto al calcular ��𝑖𝑛𝑐 se comete un error en el cálculo. En la Figura 42 se muestra la diferencia entre el valor real y el medido del factor de enfoque de espejos.


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Figura 42. Diferencia entre el factor de enfoque real y el medido

Pérdidas por desenfoque Son las pérdidas de potencia asociadas a la fracción de espejos desenfocados. Se calculan de la siguiente manera: ��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑓 = ��𝑟𝑎𝑑 − ��𝑖𝑛𝑐 Al calcular ��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑓 se comete un error de cálculo ya que se cometió calculando ��𝑖𝑛𝑐. Cálculos previos: ��𝑟𝑎𝑑, ��𝑖𝑛𝑐 Potencia absorbida Es la potencia calorífica útil que aporta el captador al caudal de agua que por él circula. Se calcula de la siguiente manera: ��𝑐𝑎 = 𝜌𝑐𝑎 ��𝑐𝑎 ��𝑎𝑏𝑠 = ��𝑐𝑎 𝐶𝑝,𝑐𝑎 (𝑇𝑐𝑎,𝑜 − 𝑇𝑐𝑎,𝑖) Donde 𝜌𝑐𝑎es la densidad del agua en las condiciones medias de operación del circuito solar, ��𝑐𝑎 y ��𝑐𝑎 son el caudal volumétrico y el caudal másico de la corriente que atraviesa el captador. 𝑇𝑐𝑎,𝑖 y 𝑇𝑐𝑎,𝑜 son la temperatura de entrada y salida al captador Fresnel. Medidas: ��𝑐𝑎 → Caudalímetro electromagnético (MS2) 𝑇𝑐𝑎,𝑜 → Sensor de temperatura (TS4) 𝑇𝑐𝑎,𝑖 → Sensor de temperatura (TS3)


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Parámetros:

𝜌𝑐𝑎 → Densidad del agua en el caudalímetro electromagnético MS2: 900 𝑘𝑔𝑚3

𝐶𝑝,𝑐𝑎 → Calor específico a presión constante, valor medio entre la temperatura de entrada TS3

y de salida TS4: 4,185 𝑘𝐽𝑘𝑔 𝐾

Pérdidas en el captador Son el total de pérdidas en el captador. Se calcula despejando de la siguiente ecuación: ��𝑖𝑛𝑐 = ��𝑎𝑏𝑠 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑐𝑎 Cálculos previos: ��𝑖𝑛𝑐, ��𝑎𝑏𝑠 Al calcular ��𝑝𝑒𝑟,𝑐𝑎 se comete un error de cálculo ya que se cometió calculando ��𝑖𝑛𝑐. Pérdidas ópticas y térmicas Las pérdidas del captador se dividen en pérdidas térmicas (��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑒𝑟) que son debidas a la diferencia de temperatura entre el fluido que circula por el captador y la temperatura ambiente y pérdidas ópticas (��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡) que son pérdidas debidas a la geometría del equipo y la posición relativa de los espejos respecto al Sol. ��𝑝𝑒𝑟,𝑐𝑎 = ��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑒𝑟 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡 Experimentalmente no se puede descomponer las pérdidas del captador en pérdidas ópticas y térmicas de una manera directa. Potencia intercambiada con el acumulador Es la potencia intercambiada con el acumulador de cambio de fase del circuito solar ��𝑎𝑐 = 𝜌𝑎𝑐 ��𝑎𝑐 ��𝑎𝑐𝑢 = ��𝑎𝑐 𝐶𝑝,𝑎𝑐 (𝑇𝑎𝑐,𝑖 − 𝑇𝑎𝑐,𝑜) Donde ��𝑎𝑐 y ��𝑎𝑐 son el caudal volumétrico y el caudal másico de la corriente que atraviesa el acumulador. 𝑇𝑎𝑐,𝑖 y 𝑇𝑎𝑐,𝑜 son la temperatura de entrada y salida al acumulador de cambio de fase respectivamente. Medidas: ��𝑎𝑐 → Caudalímetro electromagnético (MS3). 𝑇𝑎𝑐,𝑜 → Sensor de temperatura (TS5). Actualmente se encuentra en periodo de instalación.


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𝑇𝑎𝑐,𝑖 → Sensor de temperatura (TS6). Actualmente se encuentra en periodo de instalación. Parámetros:

𝜌𝑎𝑐 → Densidad del agua en el caudalímetro electromagnético MS3: 900 𝑘𝑔𝑚3

𝐶𝑝,𝑎𝑐 → Calor específico a presión constante, valor medio entre la temperatura de entrada

TS5 y de salida TS6: 4,185 𝑘𝐽𝑘𝑔 𝐾

Se está haciendo la hipótesis de que toda la energía intercambiada por el agua al atravesar el acumulador se invierte en variar la entalpía del material de cambio de fase, es decir se asume que son nulas las pérdidas por la envolvente y la inercia del acumulador. Potencia almacenada el acumulador Es la potencia almacenada en el PCM. Para su cálculo se utilizan las tres sondas de temperatura (colocadas en los cierres superiores de la carcasa) que aportan una medida directa de la temperatura del PCM en el interior del acumulador. Se calcula de la siguiente manera:

��𝑝𝑐𝑚 = 𝑚𝑝𝑐𝑚𝐻𝑝𝑐𝑚,𝑓 − 𝐻𝑝𝑐𝑚,𝑖

𝑡𝑓 − 𝑡𝑖

𝐻𝑝𝑐𝑚,𝑖 = 𝐻𝑝𝑐𝑚(𝑇𝑝𝑐𝑚,𝑖) 𝐻𝑝𝑐𝑚,𝑓 = 𝐻𝑝𝑐𝑚(𝑇𝑝𝑐𝑚,𝑓) 𝑇𝑝𝑐𝑚,𝑖 = 𝑥1.𝑇𝑝𝑐𝑚1,𝑖 + 𝑥2.𝑇𝑝𝑐𝑚2,𝑖 + 𝑥3.𝑇𝑝𝑐𝑚3,𝑖 𝑇𝑝𝑐𝑚,𝑓 = 𝑥1.𝑇𝑝𝑐𝑚1,𝑓 + 𝑥2.𝑇𝑝𝑐𝑚2,𝑓 + 𝑥3.𝑇𝑝𝑐𝑚3,𝑓

�𝑥𝑖

3

𝑖=1

= 1

Finalmente los valores de 𝑥𝑖 ajustados son: 𝑥1 = 𝑥2 = 𝑥3 = 1/3 Donde la dependencia de la entalpía del PCM con la temperatura se ha obtenido experimentalmente. En la Figura 43 se muestra en azul la variación de la entalpía con la temperatura a presión atmosférica de la hidroquinona medida experimentalmente por el GREA de la Universidad de Lleida y en rojo el ajuste realizado por el Grupo de Termotecnia de la Universidad de Sevilla.


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Figura 43. Entalpía de la hidroquinona experimental y ajustada matemáticamente

Medidas: 𝑇𝑝𝑐𝑚1,𝑇𝑝𝑐𝑚2,𝑇𝑝𝑐𝑚3 → Sensores de temperatura dentro del acumulador. Parámetros: 𝑚𝑝𝑐𝑚 → Masa de PCM contenida en el acumulador: 4150 𝑘𝑔 𝑥𝑖 → Pesos relativos de las 3 temperaturas: 1/3 Nótese que se tiene que cumplir en régimen estacionario que: ��𝑝𝑐𝑚 ≅ ��𝑎𝑐𝑢

Al calcular ��𝑝𝑐𝑚 se comete un error ya que se dispone de 3 medidas de temperatura, desconociendo su posición exacta, para caracterizar la temperatura en el interior del acumulador. b) Balance energético en la MADE A continuación se definen los términos que aparecen en el balance de energía en la MADE. - Circuito solar

Potencia cedida a la MADE por el circuito solar Es la potencia calorífica que el agua del circuito solar aporta a la MADE. ��𝑚𝑎,𝑠 = 𝜌𝑠 ��𝑚𝑎,𝑠 ��𝑚𝑎,𝑠 = ��𝑚𝑎,𝑠 𝐶𝑝,𝑠(𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑖 − 𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑜)


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Donde ��𝑚𝑎,𝑠 y ��𝑚𝑎,𝑠 son el caudal volumétrico y el caudal másico de la corriente que atraviesa la MADE por el circuito solar. 𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑖 y 𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑜 son la temperatura de entrada y salida a la MADE por el circuito solar. Medidas: ��𝑚𝑎,𝑠 → Caudalímetro electromagnético (MS1) 𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑖 → Sensor de temperatura (TS1) 𝑇𝑚𝑎,𝑠,o → Sensor de temperatura (TS2) Parámetros:

𝜌𝑠 → Densidad del agua en el caudalímetro electromagnético MS1: 900 𝑘𝑔𝑚3

𝐶𝑝,𝑠 → Calor específico a presión constante, valor medio entre la temperatura de entrada TS1

y de salida TS2: 4,185 𝑘𝐽𝑘𝑔 𝐾

- Circuito de condensación

Potencia disipada por el condensador Es la potencia calorífica disipada en el condensador de la MADE. ��𝑚𝑎,𝑏 = 𝜌𝑏 ��𝑚𝑎,𝑏 ��𝑚𝑎,𝑏 = ��𝑚𝑎,𝑏 𝐶𝑝,𝑏(𝑇𝑚𝑎,𝑏,𝑜 − 𝑇𝑚𝑎,𝑏,𝑖) Donde ��𝑚𝑎,𝑏 y ��𝑚𝑎,𝑏 son el caudal volumétrico y el caudal másico de la corriente que atraviesa el condensador de la MADE. 𝑇𝑚𝑎,𝑏,𝑖 y 𝑇𝑚𝑎,𝑏,𝑜 son la temperatura de entrada y salida a la MADE por el circuito de frio. Medidas: ��𝑚𝑎,𝑏 → Caudalímetro ultrasónico (MB1). 𝑇𝑚𝑎,𝑏,𝑖 → Sensor de temperatura (TB1). 𝑇𝑚𝑎,𝑏,o → Sensor de temperatura (TB2). Parámetros:

𝜌𝑏 → Densidad del agua en el caudalímetro ultrasónico QB1: 1000 𝑘𝑔𝑚3

𝐶𝑝,𝑏 → Calor específico a presión constante, valor medio entre la temperatura de entrada TB1

y de salida TB2: 4,185 𝑘𝐽𝑘𝑔 𝐾


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- Circuito de frío

Potencia frigorífica producida por la MADE Es la potencia frigorífica aportada por la MADE al circuito de frio. ��𝑚𝑎,𝑓 = 𝜌𝑓 ��𝑚𝑎,𝑓

��𝑚𝑎,𝑓 = ��𝑚𝑎,𝑓 𝐶𝑝,𝑓(𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑖 − 𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑜) Donde ��𝑚𝑎,𝑓 y ��𝑚𝑎,𝑓 son el caudal volumétrico y el caudal másico de la corriente que atraviesa el evaporador de la MADE. 𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑖 y 𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑜 son la temperatura de entrada y salida a la MADE por el circuito de frio. Medidas: ��𝑚𝑎,𝑓 → Caudalímetro ultrasónico (MF1). 𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑖 → Sensor de temperatura (TF1). 𝑇𝑚𝑎,𝑓,o → Sensor de temperatura (TF2). Parámetros:

𝜌𝑓 → Densidad del agua en el caudalímetro ultrasónico QF1: 1000 𝑘𝑔𝑚3

𝐶𝑝,𝑓 → Calor específico a presión constante, valor medio entre la temperatura de entrada TF1

y de salida TF2: 4,185 𝑘𝐽𝑘𝑔 𝐾

Potencia frigorífica aportada a la ESI Es la potencia frigorífica aportada por la instalación a los colectores de frío de la ESI. ��𝑐𝑜,𝑓 = 𝜌𝑓 ��𝑐𝑜,𝑓

��𝑐𝑜,𝑓 = ��𝑐𝑜,𝑓 𝐶𝑝,𝑓(𝑇𝑐𝑜,𝑓,𝑖 − 𝑇𝑐𝑜,𝑓,𝑜) Donde ��𝑐𝑜,𝑓 y ��𝑐𝑜,𝑓 son el caudal volumétrico y el caudal másico de la corriente que llega al colector de frio de impulsión procedente de la instalación de frio solar. 𝑇𝑐𝑜,𝑓,𝑖 y 𝑇𝑐𝑜,𝑓,𝑜 son la temperatura de entrada y salida a los colectores de frio de la ESI. Medidas: ��𝑐𝑜,𝑓 → Caudalímetro ultrasónico (MF2). Actualmente se encuentra en proceso de sustitución. 𝑇𝑐𝑜,𝑓,𝑖 → Sensor de temperatura (TF3). Actualmente se encuentra en proceso de sustitución. 𝑇𝑐𝑜,𝑓,o → Sensor de temperatura (TF4). Actualmente está pendiente su montaje. Pérdidas en el circuito de frío Son las pérdidas producidas en las tuberías del circuito de frío.


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��𝑚𝑎,𝑓 = ��𝑐𝑜,𝑓 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢,𝑓 Cálculos previos: ��𝑚𝑎,𝑓, ��𝑐𝑜,𝑓 Hay que tener en cuenta que posiciones intermedias de la válvula de tres vías del circuito de frío falsean esta medida. - Cierre del balance de energía en la MADE (modo refrigeración)

Potencia de combustión Es la producida por la combustión de gas natural. Se calcula mediante la siguiente expresión:

��𝑔𝑎𝑠 =𝑑𝑉𝑔𝑎𝑠𝑑𝑡

��𝑔𝑎𝑠 = ��𝑔𝑎𝑠 𝑃𝐶𝐼 Donde ��𝑔𝑎𝑠 es el caudal volumétrico de gas natural, 𝑉𝑔𝑎𝑠 es el volumen acumulado de gas natural y Medidas: 𝑉𝑔𝑎𝑠 → Contador de gas natural. Parámetros:

𝑃𝐶𝐼 → Poder calorífico inferior del gas natural: 10,467 𝑘𝑊ℎ𝑁𝑚3 . Depende de la concentración del

gas natural por lo que es variable e introduce cierta incertidumbre. Potencia en el generador de alta temperatura Es la que potencia total disponible en el generador de alta temperatura para el funcionamiento de la MADE. Se calcula de la siguiente manera: ��𝑔𝑒𝑛 = ��𝑚𝑎,𝑠 + ��𝑔𝑎𝑠 Cálculos previos: ��𝑚𝑎,𝑠 , ��𝑔𝑎𝑠 Potencia no útil Es la potencia calorífica no aprovechada por la MADE. Se calcula del balance total de energía en la MADE: ��𝑚𝑎,𝑓 + ��𝑔𝑒𝑛 = ��𝑛𝑜𝑢


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Cálculos previos: ��𝑚𝑎,𝑓 , ��𝑔𝑒𝑛 Pérdidas en la MADE Se calculan descontando a la potencia no útil, la potencia disipada por el condensador de la MADE: ��𝑛𝑜𝑢 = ��𝑚𝑎,𝑏 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎 Cálculos previos: ��𝑚𝑎,𝑏 , ��𝑛𝑜𝑢 Pérdidas en los gases de escape Son las pérdidas de potencia debidas a la entalpía de los gases de escape. Se calcula de la siguiente manera: 𝐾𝑒𝑠𝑐 = 𝐾𝑒𝑠𝑐(𝜈𝐶𝑂2)

��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑠𝑐 =𝑑𝑉𝑔𝑎𝑠𝑑𝑡

𝐾𝑒𝑠𝑐 (𝑇𝑒𝑠𝑐,𝑜 − 𝑇𝑒𝑥𝑡)

Donde 𝐾𝑒𝑠𝑐 es una constante de depende del porcentaje de CO2 en los gases de escape si se asume conocida la composición del combustible y se supone que la combustión es completa (contenido de CO en los gases de escape despreciable). El la Figura 44 se muestra la evolución de 𝐾𝑒𝑠𝑐 con el porcentaje de CO2 en los gases de escape. Medidas: 𝑇𝑒𝑠𝑐 → Sensor de temperatura. 𝑇𝑒𝑥𝑡 → Sensor de temperatura exterior. 𝜈𝐶𝑂2 → Sonda de CO2 . 𝑉𝑔𝑎𝑠 → Contador de gas natural. Parámetros: Debido a las hipótesis realizadas y a la incertidumbre en la composición del gas natural se comete cierto error en el cálculo de las pérdidas en los gases de escape. Pérdidas por la envolvente Son las pérdidas radiante-convectivas debidas a la diferencia de temperatura entre la MADE y el ambiente que la rodea. Se calcula despejándolas de la siguiente ecuación:


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��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎 = ��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑣 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑠𝑐 Cálculos previos: ��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑠𝑐 , ��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎

Figura 44. Variación de 𝐾𝑒𝑠𝑐 frente a la concentración de CO2

- Circuito de calor

Potencia de calefacción producida por la MADE Es la potencia de calefacción aportada por la MADE al circuito de calor. Se calcula de la siguiente manera: ��𝑚𝑎,𝑐 = 𝜌𝑐 ��𝑚𝑎,c ��𝑚𝑎,𝑐 = ��𝑚𝑎,𝑐 𝐶𝑝,𝑐(𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑜 − 𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑖) Donde ��𝑚𝑎,𝑐 y ��𝑚𝑎,𝑐 son el caudal volumétrico y el caudal másico de la corriente que atraviesa el circuito de calor de la MADE. 𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑖 y 𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑜 son la temperatura de entrada y salida a la MADE por el circuito de calor. Medidas: ��𝑚𝑎,𝑐 → Caudalímetro ultrasónico (MC1). 𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑖 → Sensor de temperatura (TC1). 𝑇𝑚𝑎,𝑐,o → Sensor de temperatura (TC2). Parámetros:


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𝜌𝑐 → Densidad del agua en el caudalímetro ultrasónico MC1 𝐶𝑝,𝑐 → Calor específico a presión constante, valor medio entre la temperatura de entrada TC1 y de salida TC2 Potencia frigorífica aportada a la ESI Es la potencia de calefación aportada por la instalación a los colectores de calor de la ESI. ��𝑐𝑜,𝑐 = 𝜌𝑐 ��𝑐𝑜,𝑐 ��𝑐𝑜,𝑐 = ��𝑐𝑜,𝑐 𝐶𝑝,𝑐(𝑇𝑐𝑜,𝑐,𝑜 − 𝑇𝑐𝑜,𝑐,𝑖) Donde ��𝑐𝑜,𝑐 y ��𝑐𝑜,𝑐 son el caudal volumétrico y el caudal másico de la corriente que llega al colector de calor de impulsión procedente de la instalación de frio solar. 𝑇𝑐𝑜,𝑐,𝑖 y 𝑇𝑐𝑜,𝑐,𝑜 son la temperatura de entrada y salida a los colectores de calor de la ESI. Medidas: ��𝑐𝑜,𝑐 → Caudalímetro ultrasónico (MC3). 𝑇𝑐𝑜,𝑐,𝑖 → Sensor de temperatura (TC6). 𝑇𝑐𝑜,𝑐,o → Sensor de temperatura (TC5). Pérdidas en el circuito de frío Son las pérdidas producidas en las tuberías del circuito de calor. ��𝑚𝑎,𝑐 = ��𝑐𝑜,𝑐 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢,𝑐 Cálculos previos: ��𝑚𝑎,𝑓, ��𝑐𝑜,𝑓 Hay que tener en cuenta que posiciones intermedias de la válvula de tres vías del circuito de calor falsean esta medida. - Cierre del balance de energía en la MADE (modo calefacción)

Potencia de combustión Es la producida por la combustión de gas natural. Se calcula mediante la siguiente expresión:

��𝑔𝑎𝑠 =𝑑𝑉𝑔𝑎𝑠𝑑𝑡

��𝑔𝑎𝑠 = ��𝑔𝑎𝑠 𝑃𝐶𝐼 Donde ��𝑔𝑎𝑠 es el caudal volumétrico de gas natural, 𝑉𝑔𝑎𝑠 es el volumen acumulado de gas natural consumido y 𝑃𝐶𝐼 es el poder calorífico inferior del gas natural.


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Medidas: 𝑉𝑔𝑎𝑠 → Contador de gas natural. Parámetros:

𝑃𝐶𝐼 → Poder calorífico inferior del gas natural: 10,467 𝑘𝑊ℎ𝑁𝑚3 . Depende de la concentración del

gas natural por lo que es variable e introduce cierta incertidumbre en el cálculo de la potencia de combustión. Potencia en el generador de alta temperatura Es la que potencia total disponible en el generador de alta temperatura para el funcionamiento de la MADE. ��𝑔𝑒𝑛 = ��𝑚𝑎,𝑠 + ��𝑔𝑎𝑠 Cálculos previos: ��𝑚𝑎,𝑠 , ��𝑔𝑎𝑠 Potencia no útil Es la potencia calorífica no aprovechada por la MADE. Se calcula del balance total de energía en la MADE: ��𝑚𝑎,𝑐 + ��𝑛𝑜𝑢 = ��𝑔𝑒𝑛 Cálculos previos: ��𝑚𝑎,𝑐 , ��𝑔𝑒𝑛 Pérdidas en la MADE Se calculan descontando a la potencia no útil, la potencia disipada por el condensador de la MADE: ��𝑛𝑜𝑢 = ��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎 Cálculos previos: ��𝑛𝑜𝑢 Pérdidas en los gases de escape Son las pérdidas de potencia debidas a la entalpía de los gases de escape. Se calcula de la siguiente manera: 𝐾𝑒𝑠𝑐 = 𝐾𝑒𝑠𝑐(𝜈𝐶𝑂2)

��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑠𝑐 =𝑑𝑉𝑔𝑎𝑠𝑑𝑡

𝐾𝑒𝑠𝑐 (𝑇𝑒𝑠𝑐,𝑜 − 𝑇𝑒𝑥𝑡)


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Donde 𝐾𝑒𝑠𝑐 es una constante que depende del porcentaje de CO2 en los gases de escape si se asume conocida la composición del combustible y se supone que la combustión es completa (contenido de CO en los gases de escape despreciable). El la Figura 44 se muestra la evolución de 𝐾𝑒𝑠𝑐 con el porcentaje de CO2 en los gases de escape. Medidas: 𝑇𝑒𝑠𝑐 → Sensor de temperatura. 𝑇𝑒𝑥𝑡 → Sensor de temperatura exterior. 𝜈𝐶𝑂2 → Sonda de CO2 . 𝑉𝑔𝑎𝑠 → Contador de gas natural. Parámetros: Debido a las hipótesis realizadas y a la incertidumbre en la composición del gas natural se comete cierto error en el cálculo de las pérdidas en los gases de escape. Pérdidas por la envolvente Son las pérdidas radiante-convectivas debidas a la diferencia de temperatura entre la MADE y el ambiente que la rodea. Se calcula despejándolas de la siguiente ecuación: ��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎 = ��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑣 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑠𝑐

Cálculos previos: ��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑠𝑐 , ��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎 a) Balance energético en las tuberías del circuito solar

A continuación se definen los términos que aparecen en el balance de energía en las tuberías del circuito solar. Donde ��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢,𝑠 es la potencia térmica que la tubería del circuito solar

intercambia con el ambiente, ��𝑝𝑒𝑟,𝑐𝑎−𝑚𝑎 son las pérdidas de la tubería que conecta la salida

del captador con la entrada a la MADE, ��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎−𝑐𝑎 son las pérdidas de la tubería que conecta la salida de la MADE con la entrada al captador. ��𝑎𝑏𝑠 = ��𝑚𝑎,𝑠 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢,𝑠

��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢,𝑠 = ��𝑝𝑒𝑟,𝑐𝑎−𝑚𝑎 + ��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎−𝑐𝑎

��𝑝𝑒𝑟,𝑐𝑎−𝑚𝑎 = ��𝑐𝑎�ℎ𝑐𝑎,𝑜 − ℎ𝑎𝑐,𝑖� + ��𝑐𝑎(ℎ𝑎𝑐,𝑜 − ℎ𝑚𝑎,s,𝑖)

��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎−𝑐𝑎 = ��𝑚𝑎,𝑠(ℎ𝑚𝑎,𝑠,𝑜 − ℎ𝑐𝑎,𝑖) Nótese que para el instante de cálculo el caudal que atraviesa la MADE por el circuito solar coincide con el caudal que circula por el colector y por las tuberías (��𝑚𝑎,𝑠 = ��𝑐𝑎).


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b) Indicadores de la eficiencia energética

A continuación se calculan algunos indicadores de eficiencia energética. Rendimiento energético del captador solar Fresnel Indicativo del funcionamiento del captador Fresnel, se calcula como:

𝜂𝑐𝑎 =��𝑎𝑏𝑠��𝑖𝑛𝑐

Rendimiento energético de la tubería del circuito solar Indicativo de las pérdidas en la tubería del circuito solar, se calcula como:

𝜂𝑡𝑢,𝑠 =��𝑚𝑎,𝑠 + ��𝑎𝑐𝑢

��𝑎𝑏𝑠

Un indicador más intuitivo para evaluar la eficiencia energética de la tubería del circuito solar es el porcentaje de pérdidas que se define como:

%𝑃𝑒𝑟𝑑𝑡𝑢,𝑠 =(��𝑎𝑏𝑠 − ��𝑚𝑎,𝑠 − ��𝑎𝑐𝑢)

��𝑎𝑏𝑠· 100

COP de la máquina de absorción Indicativo de la eficiencia en el funcionamiento de la MADE. Si la PRS está operando en modo refrigeración:

𝐶𝑂𝑃𝑓 =��𝑚𝑎,𝑓

��𝑔𝑒𝑛

Si la PRS está operando en modo calefacción:

𝐶𝑂𝑃𝑐 =��𝑚𝑎,𝑐

��𝑔𝑒𝑛

Rendimiento energético global Indicativo del funcionamiento global del sistema. Si la PRS está operando en modo refrigeración:

𝜂𝑔,𝑓 =��𝑐𝑜,𝑓

��𝑖𝑛𝑐 + ��𝑔𝑎𝑠 − ��𝑎𝑐𝑢


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Si la PRS está operando en modo calefacción:

𝜂𝑔,𝑐 =��𝑐𝑜,𝑐

��𝑖𝑛𝑐 + ��𝑔𝑎𝑠 − ��𝑎𝑐𝑢

c) Otros Indicadores

En este aparatado se definen otros indicadores que no pueden catalogarse como indicadores de eficiencia energética dan información del funcionamiento de la planta. Factor solar Se define como la fracción de energía solar que utiliza la máquina para operar. Es indicativo del grado de utilización de la fuente energética gratuita.

𝑓𝑠𝑜𝑙 =��𝑚𝑎,𝑠

��𝑔𝑒𝑛

4.5 Resultados numéricos El este apartado se muestran los resultados obtenidos para todos los días que la planta operó. Los resultados mostrados en este apartado aparecen como valores medios diarios de energía en kWh. a) Modo refrigeración.

En la Tabla 13 se muestran los resultados obtenidos de los intercambios energéticos más importantes de los días en que la planta operó en modo refrigeración. El día marcado en rojo en la tabla corresponde al día que la MADE operó solo con energía proveniente de la combustión del gas natural. Para caracterizar el punto de funcionamiento de la máquina de absorción se indica la temperatura media de entrada (𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑖) y de salida (𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑜) con que la máquina operó. En la Tabla 14 se muestran los indicadores de eficiencia energética calculados para los días de refrigeración. El día 23/09/2011 la planta de refrigeración solar operó de tal modo que no hubo cesión de energía del circuito solar a la MADE, por eso el cálculo de %𝑃𝑒𝑟𝑑𝑡𝑢,𝑠 es del 99,13% y el factor


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solar es de 0,02. Toda la energía necesaria para el funcionamiento de la MADE fue aportada por la combustión de gas natural. El captador operó con un rendimiento medio diario superior al 30 % alcanzando valores que rondan el 37 % por lo que puede considerarse que los valores de rendimiento calculados son satisfactorios. El porcentaje de pérdidas medio en las tuberías es del 16,47 % este valor es elevado debido a la existencia de puentes térmicos, para más información ver el apartado 4.3. El factor solar medio obtenido en el periodo de refrigeración es de 0,61. Este factor nunca alcanza el valor unidad debido a que en el periodo inicial de funcionamiento el generador de alta temperatura de la MADE se encuentra frío y el control hace que se queme gas natural, a últimas horas de la tarde, si la demanda de frío es alta, también se quema gas natural disminuyendo el factor solar medio diario. El valor de factor solar más bajo con 0,3 es el correspondiente al día 24/06/2011 que fue un día nublado. Los COPs obtenidos son menores que el COP nominal en modo refrigeración que es 1,34. Estos COPs medios diarios nunca pueden llegar al nominal debido la energía necesaria para que la MADE alcance las condiciones nominales de operación. Por lo tanto los COPs obtenidos son considerados como satisfactorios.


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CAPTADOR SOLAR TUBERÍA MÁQUINA DE ABSORCIÓN Día Einc Eabs Eacu Eper,tu Ema,s Egas Ema,f Tma,f,i Tma,f,o

25/05/2011 2595 734 -9 170 555 75 804 13 7,5 26/05/2011 2677 719 39 161 597 117 844 12,5 8 27/05/2011 2607 725 30 175 580 73 836 13 7,5 07/06/2011 2362 768 37 269 536 30 578 12 8 08/06/2011 2233 692 27 172 547 55 662 12 8 09/06/2011 2121 606 33 211 428 21 531 12 7,5 10/06/2011 2428 702 -9 162 531 48 638 12,5 8 14/06/2011 2282 667 -6 128 533 165 709 11,5 8 15/06/2011 2305 628 50 138 540 120 710 12 8 21/06/2011 2583 924 -6 120 798 266 1308 12,5 8 22/06/2011 2622 938 -3 119 816 251 1304 13 8 23/06/2011 2489 761 39 96 704 615 1682 12,5 7 24/06/2011 1887 491 -3 168 320 755 1100 11 8 27/06/2011 2605 815 23 15 823 712 1301 10,5 8 28/06/2011 2040 424 2 165 261 360 555 11 8,5 02/08/2011 2481 926 -2 38 886 579 1572 10,5 7,5 09/08/2011 2278 672 -3 14 655 695 1316 11 8 10/08/2011 2279 764 -4 17 743 644 1326 11 8 12/08/2011 2386 800 -9 24 767 546 1451 11,5 7,5 13/08/2011 2408 836 -31 17 788 602 1477 11,5 8 14/08/2011 2366 826 28 25 829 660 1681 11,5 7,5 15/08/2011 2340 806 21 29 798 543 1287 11,5 8,5 29/08/2011 2133 595 23 84 534 373 930 10,5 7,5 31/08/2011 2016 528 -8 34 486 655 1191 12 8 01/09/2011 1674 408 -8 114 286 462 666 9,5 7,5 20/09/2011 1604 546 18 24 540 582 1528 13,5 7,5 21/09/2011 1928 618 -5 28 585 796 1671 13 7,5 22/09/2011 1864 605 -28 23 554 315 1070 13 7,5 23/09/2011 1195 253 10 251 12 723 903 12,5 8 26/09/2011 1782 490 -8 46 436 763 1323 11,5 8 12/10/2011 1750 643 -4 32 607 308 1073 12 8 13/10/2011 1566 552 24 21 555 777 1377 11,5 8 14/10/2011 1517 522 21 16 527 319 967 11,5 7,5 Valor medio 2164 666 8 94 581 424 1102 11,82 7,82

Tabla 13. Intercambios energéticos en modo refrigeración (kWh)


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CAP TUB MADE Día ηca (%) %Perd Fsol COP ηg,f (%)

25/05/2011 28,30 23,15 0,88 1,28 30,01 26/05/2011 26,85 22,40 0,84 1,18 30,62 27/05/2011 27,80 24,14 0,89 1,28 31,54 07/06/2011 32,51 35,03 0,95 1,02 24,54 08/06/2011 31,01 24,84 0,91 1,10 29,28 09/06/2011 28,57 34,82 0,95 1,18 25,18 10/06/2011 28,91 23,08 0,92 1,10 25,69 14/06/2011 29,24 19,18 0,76 1,01 28,88 15/06/2011 27,23 21,99 0,82 1,08 29,89 21/06/2011 35,77 12,99 0,75 1,23 45,81 22/06/2011 35,79 12,68 0,76 1,22 45,34 23/06/2011 30,57 12,62 0,53 1,28 54,88 24/06/2011 26,01 34,23 0,30 1,02 41,59 27/06/2011 31,28 1,84 0,54 0,85 39,51 28/06/2011 20,76 38,95 0,42 0,89 23,14 02/08/2011 37,34 4,10 0,60 1,07 51,34 09/08/2011 29,50 2,08 0,49 0,97 44,21 10/08/2011 33,54 2,22 0,54 0,96 45,30 12/08/2011 33,55 3,00 0,58 1,10 49,33 13/08/2011 34,73 2,03 0,57 1,06 48,56 14/08/2011 34,89 3,03 0,56 1,13 56,07 15/08/2011 34,46 3,60 0,60 0,96 44,97 29/08/2011 27,90 14,11 0,59 1,03 37,45 31/08/2011 26,19 6,44 0,43 1,04 44,45 01/09/2011 24,37 27,94 0,38 0,89 31,04 20/09/2011 34,04 4,40 0,48 1,36 70,46 21/09/2011 32,05 4,53 0,42 1,21 61,23 22/09/2011 32,45 3,80 0,64 1,23 48,48 23/09/2011 21,19 99,13 0,02 1,23 47,33 26/09/2011 27,47 9,40 0,36 1,10 51,82 12/10/2011 36,75 4,98 0,66 1,17 52,01 13/10/2011 35,25 3,80 0,42 1,03 59,37 14/10/2011 34,41 3,07 0,62 1,14 53,29

Valor medio 30,63 16,47 0,61 1,10 42,50 Tabla 14. Indicadores de eficiencia energética en modo refrigeración


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b) Modo calefacción

En la Tabla 15 se muestran los resultados obtenidos en modo calefacción.

CAPTADOR SOLAR TUBERÍA MÁQUINA DE ABSORCIÓN Día Einc Eabs Eacu Eper,tu Ema,s Egas Ema,c Tma,c,i Tma,c,o

09/11/2011 1196 465 3 84 378 79 337 56 64,5 10/11/2011 1187 377 -6 63 320 130 303 60,5 66 11/11/2011 1141 319 -3 47 275 169 283 63,5 68,5 14/11/2011 922 195 -8 32 171 300 264 69 71,5 21/11/2011 1076 379 2 80 297 192 326 61 66,5 22/11/2011 1067 394 5 80 309 127 314 58 66 25/11/2011 795 178 8 57 113 313 265 63 67,5 28/11/2011 1017 342 13 111 218 137 261 58 65 08/12/2011 977 250 -10 119 141 40 90 83 84 09/12/2011 953 257 17 40 200 199 261 59 65,5 12/12/2011 981 265 -4 53 216 286 327 60,5 66,5 13/12/2011 958 290 -2 54 238 379 437 57 64,5 Valor medio 1023 309 1 68 240 196 289 62,38 68

Tabla 15. Intercambios energéticos en modo calefacción (kWh) Para caracterizar el punto de funcionamiento de la máquina de absorción se indica la temperatura media de entrada (𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑖) y de salida (𝑇𝑚𝑎,𝑐,𝑜) con que la máquina operó, definidas estas medias cuando la máquina alcanza el régimen estacionario de funcionamiento. En la Tabla 16 se muestran los indicadores de eficiencia energética para los días de calefacción. El captador operó con un rendimiento medio diario del 29 % alcanzando valores que rondan el 39 %. Los valores obtenidos en calefacción son muy parecidos a los calculados para el periodo de refrigeración. Puede considerarse que los valores de rendimiento casos son satisfactorios. El porcentaje de pérdidas medio en las tuberías es del 22,8 % este valor es elevado debido a la existencia de puentes térmicos, para más información ver el punto 4.3. Las pérdidas en las tuberías han aumentado debido al descenso de la temperatura exterior. El factor solar medio obtenido en el periodo de refrigeración es de 0,57. Este factor es inferior al periodo de refrigeración ya que la radiación solar disponible es menor. Los COPs obtenidos son menores que el COP nominal en modo calefacción que es 0,925. Estos COPs medios diarios nunca pueden llegar al nominal debido la energía necesaria para que la MADE alcance las condiciones nominales de operación.


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CAP TUB MADE

Día ηca (%) %Perd Fsol COP ηg,c (%)

09/11/2011 38,88 18,06 0,83 0,74 26,49 10/11/2011 31,76 16,71 0,71 0,67 22,90 11/11/2011 27,96 14,73 0,62 0,64 21,55 14/11/2011 21,15 16,41 0,36 0,56 21,46 21/11/2011 35,22 21,11 0,61 0,67 25,75 22/11/2011 36,93 20,30 0,71 0,72 26,41 25/11/2011 22,39 32,02 0,27 0,62 24,09 28/11/2011 33,63 32,46 0,61 0,74 22,87 08/12/2011 25,59 47,60 0,78 0,50 8,76 09/12/2011 26,97 15,56 0,50 0,65 23,00 12/12/2011 27,01 20,00 0,43 0,65 25,73 13/12/2011 30,27 18,62 0,39 0,71 32,64

Valor medio 29,81 22,80 0,57 0,66 23,47 Tabla 16. Indicadores de eficiencia energética en modo calefacción

4.6 Análisis energético y exergético En este apartado plantean los balances de energía y exergía que del proceso incluyendo los diagramas de Sankey y calculando algunos indicadores de eficiencia del proceso. Se analiza la planta de refrigeración solar el día 24 de mayo del 2009 a las 15:00 hora local, en ese instante la planta estaba trabajando en modo refrigeración, la válvula de tres vías del circuito solar (VS1) se encontraba con el by-pass completamente cerrado y tanto la MADE como el captador llevaban el suficiente tiempo funcionando para que el término de inercia térmica sea despreciable en los balances de potencia energética y exergética. El sistema de almacenamiento todavía no se había instalado en la PRS. Los datos de partida para el análisis energético y exergético se toman del sistema de adquisición que tiene la planta de refrigeración solar, allí se almacenan los valores tomados por los sensores. Se dispone de sensores de temperatura ubicados a la entrada y salida de la MADE en cada circuito y a la entrada y salida del captador solar Fresnel, de caudalímetros que registran los caudales volumétricos que atraviesan la MADE por todos los circuitos y el captador y de sensores de presión que miden la presión de cada circuito.


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En la Tabla 17 aparecen los valores de temperatura tomado por los sensores. En la Tabla 18 aparecen los valores medidos por los caudalímetros de la planta. En la Tabla 19 aparecen los valores de presión registrados por los sensores.

Temperaturas ℃ 𝑇𝑐𝑎,𝑖 163,8 𝑇𝑐𝑎,𝑜 180 𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑖 179,7 𝑇𝑚𝑎,𝑠,𝑜 164,1 𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑖 12 𝑇𝑚𝑎,𝑓,𝑜 7 𝑇𝑚𝑎,𝑏,𝑖 30 𝑇𝑚𝑎,𝑏,𝑜 37

Tabla 17. Valores de temperaturas

Caudales volumétricos

𝑚3ℎ�

��𝑐𝑎 7,6 ��𝑚𝑎,𝑠 7,6

��𝑚𝑎,𝑓 30

��𝑚𝑎,𝑏 36,6 Tabla 18. Valores de caudales volumétricos

Presiones 𝑏𝑎𝑟

𝑃𝑠 13 𝑃𝑓 2 𝑃𝑏 2

Tabla 19. Valores de presiones (absolutas) a) Balance energético

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía. Esta ley afirma que la energía, en lugar de destruirse, se transforma, pero no enuncia ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir, no hace distinción entre el trabajo y el calor. Existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor, diferencia que no se evidencia en la primera ley: teóricamente es posible convertir completamente el trabajo en calor, mientras que, paralelamente es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores.


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En este apartado se describe el procedimiento seguido para efectuar el balance de energía. Para resolver el balance energético, se hacen las siguientes hipótesis razonables: - No se tiene en cuenta la energía necesaria para la circulación del fluido por los circuitos y

la pérdida de carga de las tuberías y los equipos (valores despreciables frente a los intercambios en forma de calor).

- Tanto la MADE como el captador llevaban el suficiente tiempo funcionando para que el término de inercia térmica sea despreciable en los balances de potencia energética (régimen permanente).

Para resolver el balance energético se aplicará la metodología descrita en el punto 4.4. - Diagrama de Sankey energético

Una vez resuelto el balance de energía se muestran los resultados en el diagrama de Sankey de la Figura 45 donde los valores de los flujos de energía aparecen en kilovatios (kW). - Indicadores de la eficiencia energética

A continuación se calculan algunos indicadores de eficiencia energética del proceso de refrigeración solar. Rendimiento energético del captador solar Fresnel

𝜂𝑐𝑎 =��𝑎𝑏𝑠��𝑖𝑛𝑐

= 0,40

Rendimiento energético de la tubería del circuito solar

𝜂𝑡𝑢 =��𝑚𝑎,𝑠

��𝑎𝑏𝑠= 0,95

COP de la máquina de absorción

𝐶𝑂𝑃𝑓 =��𝑚𝑎,𝑓

��𝑔𝑒𝑛= 1,34

Rendimiento energético global

𝜂𝑔 =��𝑚𝑎,𝑓

��𝑖𝑛𝑐= 0,52


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Figura 45. Diagrama de Sankey del balance energético


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- Discusión de los resultados

Los resultados obtenidos para el análisis energético de la planta de refrigeración solar son presentados convenientemente en forma de diagrama de Sankey energético en la Figura 45. Observando los flujos de energía en el captador se puede ver que el flujo de entrada al captador es la potencia energética incidente (��𝑖𝑛𝑐 = 338,5 𝑘𝑊) y las mayores pérdidas de energía son las perdidas ópticas (��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡 = 135,4 𝑘𝑊) Nótese que la potencia energética perdida por el desenfoque de los espejos (��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑓 =48,72 𝑘𝑊) no es realmente una pérdida sino una regulación debida a que en el instante de cálculo se alcanzó el nivel máximo permitido a la salida del captador (Tmax 180 ºC) por lo que se el valor de potencia energética incidente (��𝑖𝑛𝑐) como valor de entrada para evaluar el rendimiento energético del captador, si el nivel de radiación hubiera sido más bajo o la temperatura de salida al captador inferior, no haría desenfoque y entonces ��𝑎𝑏𝑠 hubiera sido igual a ��𝑖𝑛𝑐. El rendimiento energético obtenido en el captador solar Fresnel (𝜂𝑐𝑎) evidencia que el mayor gasto energético es debido a las perdidas ópticas (��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡 = 128,6 𝑘𝑊) ocasionadas por las sombras propias, a el tramo no iluminado del tubo absorbedor y a las propiedades ópticas del reflector primario, del reflector secundario del tubo absorbedor y del vidrio de la cámara de vacío. Solo un 40% de la potencia energética incidente (��𝑖𝑛𝑐) se invierte en aumentar la entalpía de la corriente de agua que atraviesa el captador, el resto son pérdidas en el captador. Observando los flujos de energía en la tubería del circuito solar se observa que la mayoría de la potencia energética que sale del captador solar (��𝑚𝑎,𝑠 = 130,2 𝑘𝑊) llega a la máquina de absorción siendo el término a las perdidas térmicas al ambiente (��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢 = 5,207 𝑘𝑊) poco importante. Se producen en las tuberías del circuito solar unas pérdidas de un 5%. En la MADE se observan dos flujos de energía entrantes, la potencia energética en el generador de alta temperatura de la MADE (Q𝑔𝑒𝑛), que coincide con ��𝑚𝑎,𝑠 porque en el

instante de cálculo no se estaba quemando gas natural, y la potencia frigorífica (��𝑚𝑎,𝑓 =174,4 𝑘𝑊) que es el efecto útil de la planta de refrigeración solar. Como flujos salientes tenemos La potencia calorífica disipada en el condensador (��𝑚𝑎,𝑏 = 296,4 𝑘𝑊) y las perdidas en la MADE (��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎 = 8,249 𝑘𝑊) que en este caso son exclusivamente pérdidas por la

envolvente (��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑣). La MADE es el instante de cálculo está operando con un COP de 1,34. El rendimiento energético global de proceso ( 𝜂𝑔) obtiene un valor del 52%, es decir, de la

potencia energética incidente (��𝑖𝑛𝑐 = 338,5 𝑘𝑊) solo aprovechamos algo más de la mitad


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como efecto frigorífico (��𝑚𝑎,𝑓 = 174,4 𝑘𝑊) y se disipa al ambiente alrededor de 561,6 𝑘𝑊 térmicos. b) Balance exergético

El análisis exergético es una herramienta de análisis y diagnóstico de sistemas útil en el diseño de soluciones alternativas que busquen reducir la utilización innecesaria de recursos, y por lo tanto los impactos potenciales generados por la misma, orientando así hacia la búsqueda del desarrollo sostenible. El análisis exergético se basa en el segundo principio de la termodinámica. Su aplicación en el análisis de procesos o sistemas, permite proponer mejoras ingenieriles a los mismos y hacer más eficiente la utilización de recursos. La exergía es una propiedad que determina el potencial de trabajo útil de una cantidad de energía determinada en cierto estado especificado. El uso de los recursos tanto energéticos como no energéticos en un sistema, ocasiona intrínsecamente la destrucción de la exergía, tal como lo manifiesta la segunda ley de la termodinámica. Mediante la evaluación de las pérdidas de exergía, se identifican las posibles mejoras al sistema que permiten la optimización del proceso, y por lo tanto se contribuye a la disminución del impacto ambiental. En este apartado se describe el procedimiento seguido para efectuar el balance de exergía. Para resolver el balance exergético, se hacen las siguientes hipótesis razonables: • No se tiene en cuenta la exergía necesaria para la circulación del fluido por los circuitos y la

pérdida de carga de las tuberías y los equipos (valores despreciables frente a los intercambios en forma de calor).

• Tanto la MADE como el captador llevaban el suficiente tiempo funcionando para que el término de inercia térmica sea despreciable en los balances de potencia exergética (régimen permanente).

Exergía de las corrientes del proceso Dado que se trata de corrientes de una sustancia pura para evaluar la exergía se utilizará la expresión: 𝑒𝑥 = ℎ − ℎ0 − 𝑇0(𝑠 − 𝑠0) 𝐸�� = ��(𝑒𝑥2 − 𝑒𝑥1) Donde 𝑇0, ℎ0, 𝑠0 son las valores de temperatura, entalpía específica y entropía específica del ambiente.


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Exergía de los flujos de calor La exergía de los intercambios de calor se calcula de la siguiente manera:

𝐸�� = �� 1 −𝑇𝐹𝑇𝐶�

Donde �� es la potencia calorífica intercambiada, 𝑇𝐹 Y 𝑇𝐶 son las temperaturas medias de intercambio de calor del foco frio y el foco caliente respectivamente que se calculas de la siguiente manera:

𝑇𝐹,𝐶 =1

𝑠2 − 𝑠1� 𝑇 𝑑𝑠

𝑠2

𝑠1

Donde 𝑠1 y 𝑠2 son la entropía en el estado inicial y final respectivamente. Exergía de la radiación solar La potencia exergética asociada a una potencia calorífica procedente de la radiación se obtiene de la siguiente manera:

𝐸�� = 𝐼 𝐴 �1 −𝑇𝑇𝑇𝑆𝑜𝑙

�

Donde 𝑇𝑇 es la temperatura media de la superficie terrestre y 𝑇𝑆𝑜𝑙 es la temperatura equivalente del Sol. Para los cálculos presentados en el siguiente documento se ha tomado: 𝑇𝑇 = 288 𝐾 𝑇𝑆𝑜𝑙 = 5777 𝐾 Balance exergético en los equipos Se realizará el balance de potencia exergética en cada equipo de la PRS donde la exergía que entra tiene que ser igual a la suma de la que sale y la exergía destruida tal como se indica en la siguiente expresión: 𝐸��𝑖 = 𝐸��𝑜 + ��𝑒𝑞 - Diagrama de Sankey exergético

Una vez resuelto el balance de exergía se muestran los resultados en el diagrama de Sankey exergético de la planta de frio solar en la Figura 46.


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Figura 46. Diagrama de Sankey del balance exergético


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- Indicadores de la eficiencia exergética

A continuación se calculan algunos indicadores de eficiencia energética de la planta de refrigeración solar. Rendimiento exergético del captador solar Fresnel

𝜂𝑋,𝑐𝑎 =𝐸��𝑎𝑏𝑠𝐸��𝑖𝑛𝑐

= 0,13

Rendimiento exergético de la tubería del circuito solar

𝜂𝑋,𝑡𝑢 =𝐸��𝑚𝑎,𝑠

𝐸��𝑎𝑏𝑠= 0,96

Rendimiento exergético de la máquina de absorción

𝜂𝑋,𝑚𝑎 =𝐸��𝑚𝑎,𝑓

𝐸��𝑔𝑒𝑛 + 𝐸��𝑚𝑎,𝑏= 0,38

Rendimiento exergético de la máquina de absorción

𝜂𝑋,𝑔 =𝐸��𝑚𝑎,𝑓

𝐸��𝑖𝑛𝑐= 0,049

- Discusión de resultados

Los resultados obtenidos para el análisis exergético de la planta de refrigeración solar son presentados convenientemente en forma de diagrama exergético en la Figura 46. Observando los flujos de exergía en el captador se puede ver que de la potencia exergética incidente (𝐸��𝑖𝑛𝑐 = 321,6 𝑘𝑊) las mayores pérdidas de exergía son las asociadas a las irreversibilidades del proceso (��𝑐𝑎 = 130,7 𝑘𝑊) y las perdidas ópticas y térmicas (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑐𝑎 =149,2 𝑘𝑊). La potencia exergética perdida por el desenfoque de los espejos (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑓 = 46,29 𝑘𝑊) no es realmente una pérdida sino una regulación debida a que en el instante de cálculo se alcanzó el nivel máximo permitido a la salida del captador (Tmax 180 ºC) por lo que se usa el valor de la potencia exergética incidente (𝐸��𝑖𝑛𝑐) como valor de entrada para evaluar el rendimiento exergético del captador, si el nivel de radiación hubiera sido más bajo o la temperatura de salida al captador inferior entonces 𝐸��𝑎𝑏𝑠 hubiera sido igual a 𝐸��𝑖𝑛𝑐. El rendimiento exergético obtenido en el captador solar Fresnel (𝜂𝑋,𝑐𝑎) evidencia que el mayor gasto exergético es el generado por las irreversibilidades inherentes al proceso (��𝑐𝑎 =


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130,7 𝑘𝑊) y la perdidas ópticas (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡 = 128,6 𝑘𝑊) debidas a las sombras propias, al tramo no iluminado del tubo absorbedor y a las propiedades ópticas del reflector primario, del reflector secundario del tubo absorbedor y del vidrio de la cámara de vacío. El potencial de trabajo de la energía que entra al sistema, al contrario de lo que se puede suponer, no es destinado mayormente al proceso de aumentar la exergía de la corriente de agua que atraviesa el captador, sino que más bien se pierde como la exergía de las irreversibilidades inherentes del sistema y por pérdidas en el captador. Atendiendo a los flujos de exergía en la tubería del circuito solar se observa que la mayoría de la potencia exergética que sale del captador solar (𝐸��𝑚𝑎,𝑠 = 40,03 𝑘𝑊) llega a la máquina de absorción siendo el termino relativo a las irreversibilidades (��𝑡𝑢 = 0,0181 𝑘𝑊) y a las perdidas térmicas (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢 = 1,587 𝑘𝑊) al ambiente despreciable. Se tiene un rendimiento exergético de la tubería (𝜂𝑋,𝑡𝑢) de 0,96. En la MADE se observan dos flujos de exergía entrantes, la potencia exergética en el generador de alta temperatura de la MADE (𝐸��𝑔𝑒𝑛 = 40,03) que coincide con 𝐸��𝑚𝑎,𝑠 porque en el instante de cálculo no se estaba quemando gas natural y la potencia exergética en el condensador (𝐸��𝑚𝑎,𝑏 = 1,463 𝑘𝑊). Como flujos salientes de exergía tenemos la potencia exergética en el evaporador (𝐸��𝑚𝑎,𝑓 = 15,74 𝑘𝑊), que es el efecto útil del proceso y la

potencia exergética perdida por la envolvente de la MADE (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑣 = 1,341 𝑘𝑊). El mayor

gasto exergético es el generado por las irreversibilidades inherentes al proceso (��𝑚𝑎 =24,41 𝑘𝑊). La MADE a operado con un rendimiento exergético (𝜂𝑋,𝑚𝑎) de 0,38. El rendimiento exergético global del proceso (𝜂𝑋,𝑔) es de 4,9%, es decir, de la potencia

incidente en el captador (𝐸��𝑖𝑛𝑐 = 321,6 𝑘𝑊) solo se aprovecha un 4,9% en enfriar el agua que atraviesa el evaporador de la MADE.


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5 RESUMEN Y CONCLUSIONES

5.1 Resumen En el presente trabajo se ha realizado una descripción de la planta de refrigeración solar (PRS) de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla (ESI), incluyendo todos los elementos de la instalación (captador solar Fresnel, acumulador con material de cambio de fase, máquina de absorción de doble efecto) y la manera en que interactúan para transformar la potencia radiante procedente del Sol en potencia frigorífica para refrigerar la ESI. Se han descrito las estrategias implementadas en el sistema de control y cómo actúan los elementos de la instalación en función de las medidas de los sensores y el valor definido para las consignas. Se describe un plan de ensayos para modelar el captador solar Fresnel, el acumulador térmico con material con cambio de fase, la máquina de absorción de doble efecto y para la modelización dinámica de la planta de refrigeración solar en su conjunto. Se describen 2 días tipo de operación de la PRS, uno en modo refrigeración y otro en modo calefacción, también se presenta un estudio de fallos ocurridos durante la operación de la planta de refrigeración solar. Se muestra la caracterización de las tuberías del circuito solar. Se presenta una metodología para el cálculo de todas las potencias, así como algunos indicadores de eficiencia energética. Finalmente se analizan los datos de operación de 2 periodos estacionales (refrigeración y calefacción) y se realiza un análisis energético y exergético.

5.2 Conclusiones Del análisis de los días de operación en modo refrigeración pueden sacarse las siguientes conclusiones: • El captador operó con un rendimiento medio diario superior al 30 % alcanzando valores

que rondan el 37 %.


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• El porcentaje de pérdidas medio en las tuberías es del 16,47 % este valor es elevado debido a la existencia de puentes térmicos.

• El factor solar medio obtenido en el periodo de refrigeración es de 0,61, debido a los arranques en frío y a la bajada de la radiación directa a últimas horas de la tarde. El factor solar desciende, incluso hasta 0,3, para los días nublados.

• Los COPs obtenidos son menores que el COP nominal en modo refrigeración que es 1,34. Estos COPs medios diarios nunca pueden llegar al nominal debido la energía necesaria para que la MADE alcance las condiciones nominales de operación.

Del análisis en modo calefacción pueden sacarse las siguientes conclusiones: • El captador operó con un rendimiento medio diario del 29 % alcanzando valores que

rondan el 39 %. Los valores obtenidos en calefacción son muy parecidos a los calculados para el periodo de refrigeración.

• El porcentaje de pérdidas medio en las tuberías es del 22,8 % este valor es elevado debido a la existencia de puentes térmicos. Las pérdidas en las tuberías han aumentado debido al descenso de la temperatura exterior.

• El factor solar medio obtenido en el periodo de refrigeración es de 0,57. Este factor es inferior al periodo de refrigeración ya que la radiación solar disponible es menor.

• Los COPs obtenidos son menores que el COP nominal en modo calefacción que es 0,925. Estos COPs medios diarios nunca pueden llegar al nominal debido la energía necesaria para que la MADE alcance las condiciones nominales de operación.

Los resultados obtenidos para el análisis energético son los siguientes: • El rendimiento energético obtenido en el captador solar Fresnel (𝜂𝑐𝑎) evidencia que el

mayor gasto energético es debido a las perdidas ópticas (��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡 = 128,6 𝑘𝑊) ocasionadas por a las sombras propias, a el tramo no iluminado del tubo absorbedor y a las propiedades ópticas del reflector primario, del reflector secundario del tubo absorbedor y del vidrio de la cámara de vacío. Solo un 40% de la potencia energética incidente (Qinc)) se invierte en aumentar la entalpía de la corriente de agua que atraviesa el captador, el resto son pérdidas en el captador.

• Se producen en las tuberías del circuito solar unas pérdidas de un 5% para el instante de cálculo. Estas pérdidas varían según la hora y el día y en términos generales sí representan una pérdida importante.

• En la MADE se observan dos flujos de energía entrantes, la potencia energética en el generador de alta temperatura de la MADE (𝑄𝑔𝑒𝑛), que coincide con ��𝑚𝑎,𝑠 porque en el instante de cálculo no se estaba quemando gas natural, y la potencia frigorífica (��𝑚𝑎,𝑓 =174,4 𝑘𝑊) que es el efecto útil de la planta de refrigeración solar. Como flujos salientes


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tenemos La potencia calorífica disipada en el condensador (��𝑚𝑎,𝑏 = 296,4 𝑘𝑊) y las perdidas en la MADE (��𝑝𝑒𝑟,𝑚𝑎 = 8,249 𝑘𝑊) que en este caso son exclusivamente pérdidas por la envolvente (��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑣). La MADE es el instante de cálculo está operando con un COP de 1,34.

• El rendimiento energético global de proceso ( 𝜂𝑔) es el 52%, es decir, de la potencia energética incidente (��𝑖𝑛𝑐 = 338,5 𝑘𝑊) solo aprovechamos algo más de la mitad como efecto frigorífico (��𝑚𝑎,𝑓 = 174,4 𝑘𝑊).

Los resultados obtenidos para el análisis exergético son los siguientes: • En el captador se observa que de la potencia exergética incidente (𝐸��𝑖𝑛𝑐 = 321,6 𝑘𝑊) las

mayores corrientes no útiles son las asociadas a las irreversibilidades del proceso (��𝑐𝑎 = 130,7 𝑘𝑊) y las perdidas ópticas y térmicas (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑐𝑎 = 149,2 𝑘𝑊). El rendimiento exgético del captador (𝜂𝑋,𝑐𝑎) es del 13 %.

• El rendimiento exergético obtenido en el captador solar Fresnel evidencia que el mayor gasto exergético es el generado por las irreversibilidades inherentes al proceso (��𝑐𝑎 = 130,7 𝑘𝑊) y la perdidas ópticas (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡 = 128,6 𝑘𝑊) debidas a las sombras propias, al tramo no iluminado del tubo absorbedor y a las propiedades ópticas del reflector primario, del reflector secundario del tubo absorbedor y del vidrio de la cámara de vacío. El potencial de trabajo de la energía que entra al sistema, al contrario de lo que se puede suponer, no es destinado mayormente al proceso de aumentar la exergía de la corriente de agua que atraviesa el captador, sino que se pierde como la exergía de las irreversibilidades inherentes del sistema y por pérdidas en el captador.

• En la tubería del circuito solar se observa que la mayoría de la potencia exergética que sale del captador solar (𝐸��𝑚𝑎,𝑠 = 40,03 𝑘𝑊) llega a la máquina de absorción siendo el termino relativo a las irreversibilidades (��𝑡𝑢 = 0,0181 𝑘𝑊) y a las perdidas térmicas (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑡𝑢 =1,587 𝑘𝑊) al ambiente despreciable. Se tiene un rendimiento exergético de la tubería (𝜂𝑋,𝑡𝑢) de 0,96. Como se ha puesto de manifiesto en el análisis de los días las pérdidas en las tuberías del circuito solar varían según la hora y el día y en términos generales sí representan una pérdida importante.

• En la MADE se observan dos flujos de exergía entrantes, la potencia exergética en el generador de alta temperatura de la MADE (𝐸��𝑔𝑒𝑛 = 40,03) que coincide con 𝐸��𝑚𝑎,𝑠 porque en el instante de cálculo no se estaba quemando gas natural y la potencia exergética en el condensador (𝐸��𝑚𝑎,𝑏 = 1,463 𝑘𝑊). Como flujos salientes de exergía tenemos la potencia exergética en el evaporador (𝐸��𝑚𝑎,𝑓 = 15,74 𝑘𝑊), que es el efecto útil del proceso y la potencia exergética perdida por la envolvente de la MADE (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑒𝑛𝑣 = 1,341 𝑘𝑊). El mayor gasto exergético es el generado por las irreversibilidades inherentes al proceso (��𝑚𝑎 = 24,41 𝑘𝑊). La MADE a operado con un rendimiento exergético (𝜂𝑋,𝑚𝑎) de 0,38.


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• El rendimiento exergético global del proceso (ηX,g) es el 4,9%, es decir, de la potencia incidente en el captador (Exinc = 321,6 kW) solo se aprovecha un 4,9% en enfriar el agua que atraviesa el evaporador de la MADE.

El análisis exergético constituye una herramienta fundamental en la búsqueda de un desarrollo sostenible, ya que permite obtener la información necesaria para la mejora termodinámica del sistema, contribuyendo decisivamente en la eficiencia, integración y optimización energética de las unidades del proceso entre sí. Esta mejora se traduce en una reducción de consumos y de emisiones al ambiente, dos de las características más buscadas para los procesos industriales del siglo XXI. La metodología básica para el análisis exergético hace uso de balances termodinámicos, e introduce a la exergía como función de estado del sistema que resulta sencilla e ilustrativa, y, además de definir los flujos exergéticos en cada fase del proceso, permite conocer el rendimiento exergético de cualquier proceso. Nótese que el balance exergético al combinar el primer y segundo principio aporta información de carácter cuantitativo y cualitativo que no se obtiene con un balance de energía tradicional Por ejemplo, de tipo cuantitativo se observa que aunque en el condensador disponemos de una potencia energética importante (��𝑚𝑎,𝑏 = 296,4 𝑘𝑊), la potencia exergética asociada (𝐸��𝑚𝑎,𝑏 = 1,463 𝑘𝑊) es pequeña debido a que las temperaturas de esa corriente son cercanas a la del ambiente y de tipo cualitativo la potencia de condensación ��𝑚𝑎,𝑏 que es un flujo de energía saliente de la MADE pasa a ser 𝐸��𝑚𝑎,𝑏 un flujo de exergía entrante en la MADE poniendo de manifiesto que supone un coste en el proceso y la potencia frigorífica ��𝑚𝑎,𝑓 que es un flujo entrante en la MADE pasa a ser 𝐸��𝑚𝑎,𝑓 un flujo de exergía saliente de la MADE poniendo de manifiesto que es un efecto producido por el proceso. El principal gasto exergético de la planta de refrigeración solar es el que proviene de las irreversibilidades asociadas al captador solar (��𝑐𝑎 = 130,7 𝑘𝑊) y a las pérdidas ópticas en el captador (𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡 = 321,6 𝑘𝑊) que suman el 80 % de la potencia exergética incidente

(𝐸��𝑖𝑛𝑐 = 321,6 𝑘𝑊). Respecto al término 𝐸��𝑝𝑒𝑟,𝑜𝑝𝑡 puede reducirse implementando un mejor sistema de seguimiento, mejorando las propiedades ópticas de los materiales y aumentando el espaciamiento entre espejos aunque esto aumentara la superficie ocupada, el término ��𝑐𝑎 difícilmente es modificable ya que representa las irreversibilidades inherentes al calentamiento de un fluido con energía solar. Por esta razón, el rendimiento exergético del proceso, además de ser muy bajo, no es fácilmente modificable.


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7 ANEXOS

7.1 Anexo 1: Curvas de funcionamiento de la máquina de absorción A continuación se presentan las gráficas de funcionamiento para el modelo BROAD-BZH. La Figura 47 representa el consumo de combustible respecto de la capacidad frigorífica. En la Figura 48 se muestra la influencia que tiene sobre el COP las temperaturas de entrada de los flujos de agua que entran en el condensador (cooling) y evaporador (chilled). Se observa que mayores temperaturas del condensador y menores temperaturas del evaporador implican un COP menor.

Figura 47. Consumo de gas natural a carga parcial: Modelo BZH15.


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Figura 48. Curvas de COP: Modelo BZH15.

evaluaciÓn de una instalaciÓn de...

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