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MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN A OPERAR CON ENERGÍA EÓLICA
ALBERTO MARIO RODRÍGUEZ PADILLA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.
2009
MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN A OPERAR
CON ENERGÍA EÓLICA
POR: ALBERTO MARIO RODRÍGUEZ PADILLA
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO
ASESOR: RAFAEL G. BELTRÁN P.
INGENIERO MECÁNICO, M.Sc.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.
2009
2
AGRADECIMIENTOS
Quisiera agradecer especialmente a todos aquellos que contribuyeron y me ayudaron en
la elaboración de este proyecto. A mis padres, hermanos y toda mi familia por su apoyo
incondicional durante el transcurso de mi carrera profesional. A mi asesor, personal del
laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad y compañeros de laboratorio, por su
ayuda y consejos.
1
TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 4
1.1. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO......................................................................... 5 1.2. OBJETIVOS ................................................................................................................. 6
1.2.1. Objetivo general.......................................................................................................6 1.2.2. Objetivos específicos ..............................................................................................6
2. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 6 2.1. REFRIGERACIÓN..................................................................................................... 7 2.2. CICLOS DE REFRIGERACIÓN ............................................................................ 7 2.3. CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRES IÓN DE VAPOR.............. 7
2.3.1. Elementos del sistema de refrigeración por compresión de vapor....................8 2.3.2. Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor........................................9 2.3.3. Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor........................................10
3. MONTAJE EN CAMPO PROPUESTO......................................................................13 4. BANCOS DE PRUEBAS ANTERIORES ...................................................................14
4.1. PRIMER BANCO DE PRUEBAS .........................................................................14 4.2. SEGUNDO BANCO DE PRUEBAS .....................................................................14 4.3. TERCER BANCO DE PRUEBAS .........................................................................15
5. BANCO DE PRUEBAS CONSTRUIDO.....................................................................15 5.1. EQUIPOS Y COMPONENTES UTILIZADOS .................................................17
5.1.1. Variador de frecuencia..........................................................................................18 5.1.2. Motor.......................................................................................................................18 5.1.3. Multiplicador de velocidad...................................................................................19 5.1.4. Embrague centrífugo.............................................................................................20 5.1.5. Compresor ..............................................................................................................21 5.1.6. Trampa de aceite....................................................................................................22 5.1.7. Filtro secador..........................................................................................................24 5.1.8. Tubo capilar............................................................................................................24 5.1.9. Evaporador y espacio refrigerado........................................................................25
5.2. INSTRUMENTACIÓN ............................................................................................27 5.2.1. Transductores de presión......................................................................................27
2
5.2.2. Manómetros análogos ...........................................................................................27 5.2.3. Termocuplas...........................................................................................................28 5.2.4. Sensor de par-torsión.............................................................................................29 5.2.5. Acondicionamiento de señales.............................................................................29 5.2.6. Calibración .............................................................................................................30 5.2.7. Adquisición de datos.............................................................................................33
6. CARGA DE REFRIGERANTE Y PUES TA EN MARCHA..................................33 7. CONCLUS IONES Y RECOMENDACIONES ..........................................................34 8. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ..........................................................................35
3
LISTA DE FIGURAS Figura 2-1. Componentes y diagrama T-s del ciclo ideal de compresión de vapor. [6] .......9 Figura 2-2. Componentes y diagrama T-s del ciclo real de compresión de vapor. [6] .......11 Figura 3-1. Montaje en campo propuesto por Talero. [7] ......................................................13 Figura 5-1. Parte superior del banco de pruebas......................................................................16 Figura 5-2. Parte inferior del banco de pruebas.......................................................................17 Figura 5-3. Variador de frecuecia Altivar 31. ..........................................................................18 Figura 5-4. Motor eléctrico Siemens.........................................................................................18 Figura 5-5. Velocidad de giro del motor eléctrico. .................................................................19 Figura 5-6. Multiplicador de velocidad Fortis.........................................................................19 Figura 5-7. Embrague centrífugo...............................................................................................20 Figura 5-8. Velocidad de acople y desacople del embrague. [3]...........................................21 Figura 5-9. Compresor R-134a Sanden....................................................................................21 Figura 5-10. Eficiencia volumétrica del compresor Sanden SD5H09. [5]...........................22 Figura 5-11. Trampa de aceite...................................................................................................23 Figura 5-12. Filtro secador.........................................................................................................24 Figura 5-13. Tubo capilar. ..........................................................................................................25 Figura 5-14. Evaporador de placa dentro del espacio refrigerado.........................................26 Figura 5-15. Bombillos y termocupla dentro del espacio refrigerado..................................26 Figura 5-16. Cuarto frío cerrado................................................................................................26 Figura 5-17. Transductores de presión......................................................................................27 Figura 5-18. Manómetros análogos...........................................................................................28 Figura 5-19. Termocuplas tipo K. .............................................................................................28 Figura 5-20. Sensor de par-torsión............................................................................................29 Figura 5-21. Diseño del filtro pasa-altas RC............................................................................30 Figura 5-22. Calibración termocuplas tipo K...........................................................................31 Figura 5-23. Calibración transductor baja presión 60psig. [2] ..............................................31 Figura 5-24. Calibración transductor baja presión 100 psig. .................................................32 Figura 5-25. Calibración transductor alta presión 1000 psig. [2] ..........................................32 Figura 5-26. Calibración sensor par-torsión.............................................................................32 Figura 5-27. Dispositivo de adquisición de datos NI cDAQ 9172........................................33
1. INTRODUCCIÓN 4
Los sistemas de refrigeración se han convertido en nuestro mundo actual en componentes
fundamentales tanto de los procesos productivos como para el confort térmico de los
mismos seres humanos y sus necesidades. En relación a lo último, las aplicaciones más
relevantes son el acondicionamiento de aire para espacios habitados y la conservación de
alimentos. Éstas se han convertido en necesidades básicas para la supervivencia de las
personas en todas partes del mundo.
Por otro lado, todavía encontramos zonas habitadas que no están interconectadas a redes
de energía. Esto por lo general sucede en países del tercer mundo, países en desarrollo y
lugares muy alejados de los principales asentamientos poblacionales. Estas zonas
requieren soluciones diferentes a la energía eléctrica tradicional que les permitan subsistir
de manera autónoma sin depender de una red eléctrica. Adicionalmente, existe una
tendencia mundial hacia la utilización de energías más limpias y renovables que rompan
con la dependencia que tenemos de energías contaminantes.
1.1. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
En el territorio colombiano existen zonas pobladas apartadas, de difícil acceso o que
simplemente no están interconectadas a la red eléctrica. Sin embargo, los habitantes de
dichas zonas necesitan sistemas de refrigeración para la conservación de alimentos que de
lo contrario no podrían consumir después de tiempos muy cortos de almacenamiento. En
muchas de estas zonas están disponibles otras fuentes de energía como la del viento, del
sol y del caudal de los ríos entre otras.
Este es el caso del desierto de la Guajira en el norte de Colombia, donde se registran los
índices más altos de radiación solar y velocidad del viento de todo el país, acompañados
de temperaturas muy altas. Todas estas características motivan la implementación de un
sistema de refrigeración de bajo costo, confiable, duradero, eficiente, fácil de instalar y 5
que requiera poco mantenimiento. La alternativa más viable en el momento es una
configuración de sistema que opere con energía eólica, en la cual se han realizado
avances importantes en los últimos años, aunque todavía falte camino por recorrer para
construir una propuesta exitosa.
Este proyecto pretende seguir avanzando en el desarrollo de este tipo de sistemas de
refrigeración, proporcionando un banco de pruebas donde se pueda evaluar el desempeño
de un sistema semejante bajo diferentes condiciones de operación y cambios en el diseño.
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo general
Construir el banco de pruebas completo y dejarlo en condición de funcionamiento.
1.2.2. Objetivos específicos
Construir el banco de pruebas guardando la mayor similitud posible con el montaje en
campo propuesto de acuerdo con las limitaciones de espacio y condiciones ambientales
del laboratorio disponible para el montaje.
Llevar a cabo mejoras y actualizaciones respecto de los bancos de pruebas anteriores.
2. MARCO TEÓRICO
6
2.1. REFRIGERACIÓN
El objetivo de la refrigeración es mantener un volumen a baja temperatura. Esto se logra
transfiriendo energía en forma de calor desde dicho volumen hacia un espacio a una
temperatura más alta. El volumen a baja temperatura se conoce comúnmente como
espacio refrigerado. El espacio con la temperatura más alta es por lo general el medio
ambiente o cualquier masa de aire, agua o cualquier otra sustancia que absorba el calor
removido desde el espacio refrigerado.
2.2. CICLOS DE REFRIGERACIÓN
Existen sistemas de refrigeración que operan con diferentes ciclos llamados ciclos de
refrigeración. El ciclo más utilizado hoy en día es el ciclo de refrigeración por
compresión de vapor. Otros ciclos utilizados son el ciclo de refrigeración por absorción
y el ciclo de refrigeración con gas. También se utilizan conexiones en serie de diferentes
ciclos de refrigeración, y otros fenómenos físicos como los utilizados por los sistemas de
refrigeración termoacústicos y termoeléctricos.
2.3. CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRES IÓN DE VAPOR
Este es el ciclo más usado actualmente en todas las aplicaciones de refrigeración debido a
su sencillez, bajo costo, eficiencia y confiabilidad. Consta básicamente de cuatro
procesos que atraviesa el refrigerante:
1. Compresión de vapor.
2. Liberación de calor durante el cambio de fase de vapor a líquido.
3. Disminución de presión.
4. Absorción de calor durante el cambio de fase de líquido a vapor.
7
El sistema para llevar a cabo este ciclo está compuesto de cuatro componentes principales
mostrados en la Figura 2-1. Cada uno de estos componentes tiene como objetivo llevar a
cabo los procesos mencionados anteriormente y son respectivamente: compresor,
condensador, válvula de expansión o tubo capilar y evaporador.
2.3.1. Elementos del sistema de refrigeración por compresión de vapor
Refrigerante:
Es el fluido de trabajo, el cual es sometido a los diferentes procesos durante el ciclo de
refrigeración. Debe presentar propiedades especiales para poder realizar su tarea
satisfactoriamente, que es absorber el calor del espacio refrigerado y liberarlo al medio
ambiente mediante la evaporación y condensación sucesiva.
Compresor:
Es una máquina que como su nombre lo indica comprime el refrigerante, succionándolo
de una zona de baja presión, aumentando su presión y entregándolo a una zona de alta
presión. Esto genera un flujo de refrigerante a lo largo de la tubería.
Condensador:
Es un intercambiador de calor cuya función es condensar el refrigerante por medio de la
liberación de calor desde el fluido hacia el medio ambiente.
Válvula de expansión o tubo capilar:
Puede ser una válvula con un pequeño orificio o un tubo capilar de diámetro interno muy
pequeño donde se disminuya la presión del refrigerante aumentando su velocidad.
Evaporador:
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Es otro intercambiador de calor cuya función es absorber calor desde el espacio
refrigerado hacia el refrigerante por medio de la evaporación del fluido.
2.3.2. Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor
Figura 2-1. Componentes y diagrama T-s del ciclo ideal de compresión de vapor. [6]
El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor comienza cuando el refrigerante
entra al compresor en estado de vapor saturado y allí pasa por un proceso de compresión
isentrópica. Durante este proceso la temperatura y presión del refrigerante aumentan y
éste sale del compresor como vapor súper-calentado a una temperatura muy por encima
de la temperatura ambiente.
Luego, el refrigerante pasa al condensador donde atraviesa un proceso isobárico en el
cual su temperatura disminuye hasta alcanzar el estado de vapor saturado y sufre otro
proceso pasando del estado de vapor saturado al estado de líquido saturado. Esto ocurre
debido al mecanismo de transferencia de calor desde el refrigerante hacia el ambiente que
utiliza el condensador para lograr su objetivo de convertir el vapor en líquido como su
nombre lo indica. Es importante que la temperatura del vapor súper-calentado que entra
al condensador esté muy por encima de la temperatura ambiente para que ocurra un flujo
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de calor desde el refrigerante hacia el ambiente. Si esta condición no se cumple el
refrigerante no llegará al estado de líquido saturado afectando el desempeño de todo el
resto del ciclo.
Una vez el refrigerante sale del condensador en estado de líquido saturado, pasa a través
de una válvula de expansión o tubo capilar. En este elemento ocurre un proceso en el cual
la presión y temperatura del refrigerante disminuyen; ésta última muy por debajo de la
temperatura del espacio refrigerado. Con la disminución de la presión se evapora una
parte del refrigerante y por esto al final de este proceso el estado del refrigerante es una
mezcla de líquido y vapor.
Después, el refrigerante entra al evaporador colocado dentro del espacio refrigerado y al
estar a una temperatura muy inferior a la de este espacio, ocurre una transferencia de
calor desde el espacio refrigerado hacia el refrigerante. Esta energía en forma de calor
aumenta la calidad de la mezcla de refrigerante hasta que se encuentre en el estado de
vapor saturado. En el evaporador es muy importante que el refrigerante al inicio del
proceso esté a una temperatura muy por debajo de aquella del espacio refrigerado para
garantizar el flu jo de calor desde el espacio hacia el refrigerante. En el caso contrario
habrá un flujo de calor desde el refrigerante hacia el espacio refrigerado y el objetivo
principal de la refrigeración no se cumplirá.
Por último, el refrigerante en estado de vapor saturado sale del evaporador y entra al
compresor comenzando nuevamente y cerrando el ciclo.
2.3.3. Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor
10
En las aplicaciones reales de sistemas de refrigeración por compresión de vapor es muy
difícil reproducir exactamente el ciclo ideal. Esto se debe a flujos de calor desde y hacia
el refrigerante, caídas de presión causadas por la fricción entre el fluido y las paredes
interiores de la tubería, y a la dificultad en controlar los estados del refrigerante con gran
precisión. Todas estas consideraciones se toman en cuenta para hacer un modelo del ciclo
real de refrigeración por compresión de vapor. Estudiar este modelo del ciclo real es muy
importante para el diseño y la construcción del sistema de refrigeración ya que se puede
saber con mayor exactitud que va a suceder, que se debe hacer y que se debe evitar.
Figura 2-2. Componentes y diagrama T-s del ciclo real de compresión de vapor. [6]
Al inicio del ciclo ideal comenzamos con el refrigerante en estado de vapor saturado
entrando al compresor. En la práctica es muy difícil garantizar que el refrigerante esté
justo en este estado termodinámico. Es recomendable que el refrigerante entre al
compresor en estado de vapor ligeramente súper-calentado para asegurar la ausencia de
fases líquidas que puedan disminuir la eficiencia del compresor. Por otro lado, si el
refrigerante se calienta demasiado su volumen específico aumentará mucho y esto a su
vez sobrecargará al compresor haciéndolo consumir mayor potencia.
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Dentro del compresor el refrigerante atraviesa un proceso de compresión en el cual hay
un cambio en la entropía a diferencia de la compresión isentrópica del ciclo ideal ya que
en un compresor real el proceso no es reversible ni adiabático. El cambio en la entropía
es causado por factores irreversibles como la fricción entre piezas del compresor y
transferencia de calor desde y hacia el refrigerante. El efecto neto de la suma de
irreversibilidades y transferencia de calor puede causar una disminución (estado 2´ en la
Figura 2-2) o un aumento (estado 2 en la Figura 2-2) en la entropía. Es deseable una
disminución en la entropía del fluido para promover la eficiencia del compresor. En
cualquier caso el refrigerante a la descarga del compresor debe estar en estado de vapor
súper-calentado.
Al pasar al condensador el refrigerante pierde un poco de calor hacia los alrededores en la
tubería desde la descarga del compresor a la entrada del condensador y esta transferencia
continúa una vez dentro del condensador. Como resultado de esto la temperatura
desciende mucho más rápido que la presión y el fluido alcanza el estado de vapor
saturado y luego sigue perdiendo calor hasta alcanzar el estado de líquido saturado.
Naturalmente la presión del refrigerante cae ligeramente a medida que éste recorre la
tubería del condensador debido a la fricción del fluido y esto dificulta un poco más la
condensación de todo el vapor.
También es importante anotar que es muy difícil obtener refrigerante en estado de líquido
saturado a la salida del condensador y por esto es más fácil diseñar el proceso para
alcanzar el estado de líquido sub-enfriado, ya que se debe asegurar que todo el vapor se
haya condensado antes de que el refrigerante pase al siguiente paso de expansión. Un
líquido sub-enfriado es incluso más deseable que líquido saturado ya que en la expansión
se evaporará parte del fluido y resulta mejor obtener una mezcla de baja calidad a la
salida del elemento de expansión. Esto se justifica porque entre más baja sea la calidad de
la mezcla menor será su entalpía y cuando entre al evaporador esto ayudará a remover
mayor cantidad de calor del espacio refrigerado.
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Entre el elemento de expansión y el evaporador esperamos una caída pequeña de presión
ya que estos elementos están muy cerca el uno del otro. Dentro del evaporador sin
embargo, se espera una mayor caída de presión debida a la mayor longitud de su
recorrido. A la salida del evaporador se recomienda tener el refrigerante en estado de
vapor ligeramente súper-calentado porque en la mayoría de los casos la tubería desde la
salida del evaporador hasta la entrada del compresor es de una longitud considerable y en
su recorrido ocurren caídas de presión y transferencia de calor que modifican el estado
del refrigerante. Así se cierra el ciclo real de refrigeración por compresión de vapor.
3. MONTAJE EN CAMPO PROPUESTO
Figura 3-1. Montaje en campo propuesto por Talero. [7]
La configuración del montaje en campo fue propuesto por primera vez en 2005 por
Talero [7] y después Caldas [2] formuló algunas modificaciones. En este trabajo se
propone instalar una torre de diez metros de altura sobre el nivel del piso. Sobre esta torre
estarán colocados en orden una turbina eólica de eje horizontal, un multiplicador de
velocidad, un embrague centrífugo y el compresor de refrigerante, conectados
directamente. La tubería del refrigerante sin aislamiento térmico descenderá hasta llegar
al tubo capilar y al evaporador colocado dentro del espacio refrigerado aislado al nivel
del piso. El espacio refrigerado tendría un pequeño techo para min imizar el calentamiento
13
por radiación solar. Luego la tubería con aislamiento térmico subirá nuevamente hasta el
compresor.
Este montaje no hará uso de ningún tipo de dispositivo electrónico ni energía eléctrica. Se
omite el condensador de tubos y aletas de las propuestas anteriores, ya que diez metros de
tubería de cobre sin aislamiento térmico a la sombra son suficientes para condensar el
refrigerante. Tampoco es necesario un sistema universal que permita la rotación de la
turbina eólica alrededor de su eje vertical ya que la dirección del viento en el desierto del
norte de la Guajira es casi constante de norte a sur por lo que se instalaría la turbina fija
con dirección al norte. Esto simplifica y hace posible la conexión directa del rotor a los
otros componentes del sistema.
4. BANCOS DE PRUEBAS ANTERIORES
4.1. PRIMER BANCO DE PRUEBAS
El primer prototipo banco de pruebas construido por Talero [7] constaba de un variador
de frecuencia Altivar 66, un motor eléctrico Siemens de 3 HP, un compresor abierto de 2
pistones para refrigerante R-22, un condensador de coraza y serpentín, un tubo capilar y
un evaporador de aletas. Estos equipos estaban fijados a una mesa de acero. El espacio
refrigerado o cuarto frío estaba construido con placas de madera contrachapada y capas
de poliestireno expandido.
4.2. SEGUNDO BANCO DE PRUEBAS
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El segundo banco de pruebas también construido por Talero [7] fue una actualización del
primero en el cual se sustituyó el compresor para refrigerante R-22 por un compresor más
pequeño de aplicación automotriz para refrigerante R-134a. Este compresor tenía
incorporado un embrague electromagnético que fue alimentado con una batería con
alternador conectado al eje del motor. También se cambiaron el evaporador de aletas por
uno de placa, y el condensador por uno de aletas y ventilador. En este montaje se incluyó
por primera vez un multiplicador de velocidad de 1:4.5.
4.3. TERCER BANCO DE PRUEBAS
Caldas [2] construyó el tercer banco de pruebas. En éste se sustituyó el embrague
electromagnético por un embrague centrífugo y se eliminó la batería y alternador ya que
se quería un sistema completamente mecánico. Por primera vez se consideró el factor de
la altura de la turbina eólica sobre el nivel del piso. Se situó toda la etapa de potencia,
desde el motor hasta el compresor, sobre una estructura de hierro a tres metros sobre el
nivel del piso, y las tuberías de succión y de condensado se fabricaron de diez metros de
longitud con aislamiento térmico. Para el cuarto frío se utilizo una nevera de camping con
bombillos adentró para simular cargas térmicas.
5. BANCO DE PRUEBAS CONSTRUIDO
Este banco de pruebas se tuvo que construir desde cero ya que los anteriores habían sido
desmontados. Se quiso seguir efectuando mejoras y actualizaciones a los montajes
realizados anteriormente. Estos cambios se expondrán a lo largo de los siguientes
capítulos.
La primera mejora que se llevó a cabo fue la de situar el soporte con la etapa de potencia
a mayor altura, dejando el compresor a 4.18 metros sobre el nivel del piso. Esta fue la
15
máxima altura posible en el laboratorio disponible y así podemos reproducir un poco
mejor las condiciones en campo.
También, se fabricó la tubería con tubo de cobre flexible, lo que permit ió darle forma con
una dobladora de tubos y construir así tramos más largos. De esta forma se pudo reducir
en aproximadamente 70% el total de uniones soldadas respecto al banco de pruebas
anterior. Las uniones soldadas suponen un mayor gasto de energía, material y son una
fuente común de fugas de refrigerante.
Figura 5-1. Parte superior del banco de pruebas.
Las experiencias anteriores nos demuestran que el condensador es un elemento que no
tiene el mismo desempeño en sistemas de tubería larga como en sistemas de tubería corta.
Adicionalmente, el condensador es un componente costoso y susceptible a generar fugas
por efectos corrosivos, lo que nos motiva a eliminar su uso. Es por eso que en este banco
de pruebas utilizamos la tubería de cobre sin aislamiento térmico como único medio de
16
transferencia de calor a los alrededores para lograr la condensación. Para esta línea de
condensado se usó tubería de cobre de 1/2 pulgada de diámetro con longitud total de 6
metros. Esta longitud se escogió para ahorrar material y debería ser suficiente para
condensar el refrigerante.
Figura 5-2. Parte inferior del banco de pruebas.
La línea de succión se fabricó con tubería de cobre flexible aislada térmicamente de 5/8
de pulgada con una longitud total de 10.8 metros. En esta línea no se escatimó en material
ya que es la de mayor interés porque el refrigerante la recorre en contra de la fuerza de
gravedad y se quiere estudiar más de cerca cómo se comportará en el montaje en campo.
5.1. EQUIPOS Y COMPONENTES UTILIZADOS
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5.1.1. Variador de frecuencia
Figura 5-3. Variador de frecuecia Altivar 31.
Para controlar la velocidad del motor eléctrico y poder simular la velocidad angular
variable en el tiempo de una turbina eólica, se empleó un variador de frecuencia
Telemecanique Altivar 31. Con este dispositivo se puede controlar la frecuencia de
alimentación al motor desde 0 a 60 Hz, con una precisión de +/-0.1 Hz. Para su operación
cuenta con un potenciómetro.
5.1.2. Motor
Figura 5-4. Motor eléctrico Siemens.
18
El motor eléctrico Siemens de 3 HP (2.2 kW) simula la rotación de la turbina eólica
producida por el viento. El motor tiene una velocidad de giro nominal de 1150 rpm a 60
Hz. En la práctica, por medio del variador de frecuencia se pueden lograr velocidades de
giro del motor desde 0 hasta aproximadamente 1200 rpm. En la Figura 5-5 se relacionan
la frecuencia de entrada y la velocidad angular de salida del motor.
Figura 5-5. Velocidad de giro del motor eléctrico.
5.1.3. Multiplicador de velocidad
Figura 5-6. Multiplicador de velocidad Fortis.
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En las experiencias anteriores se evidenció la necesidad de utilizar un multiplicador de
velocidad en la etapa de potencia, ya que la velocidad angular provocada por el viento
natural sobre las turbinas eólicas es en la gran mayoría de los casos mucho menor a la
velocidad necesaria en el eje del compresor para que éste trabaje eficientemente. El
multip licador de velocidad Fortis hecho en Colombia, tiene una relación de 1:4.5 y una
velocidad máxima de giro de 1800 rpm que es suficiente para esta aplicación.
5.1.4. Embrague centrífugo
Figura 5-7. Embrague centrífugo.
El embrague centrífugo usado fue diseñado y fabricado por Hurtado [3] específicamente
para el compresor de este sistema de refrigeración. El fin es eliminar el embrague
electromagnético que viene con el compresor para que el sistema sea completamente
mecánico. Este embrague tiene un juego de masas que al girar a más de cierta velocidad
ponen en contacto una serie de discos de fricción.
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Figura 5-8. Velocidad de acople y desacople del embrague. [3]
5.1.5. Compresor
Figura 5-9. Compresor R-134a Sanden.
Para el proceso de compresión se empleó un compresor Sanden SD5H09 de 0.9 kW, 5
pistones y 90 cm3 de desplazamiento. Este es un compresor de aplicación automotriz,
trabaja con refrigerante R-134a y su eficiencia volumétrica varía dependiendo de la
presión a la descarga. Estos factores se relacionan en la Figura 5-10. La presión a la
descarga en este banco de pruebas debe variar muy poco alrededor de las 250 psi (1723.7
21
kPa), es decir que su máxima eficiencia volumétrica estará alrededor de las 1000 y 1500
rpm.
Figura 5-10. Eficiencia volumétrica del compresor Sanden SD5H09. [5]
5.1.6. Trampa de aceite
Los sistemas de refrigeración en los cuales se coloca el compresor por encima del nivel
del evaporador presentan el problema de que los rastros de lubricante que quedan en el
refrigerante después de la compresión se van depositando en el evaporador. El lubricante
no regresa al compresor y bloquea el evaporador, lo que puede producir fallas
catastróficas. Para solucionar este problema se instala un dispositivo conocido como
trampa de aceite.
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Figura 5-11. Trampa de aceite .
La trampa de aceite construida para este proyecto consta de un contenedor con una
entrada y dos salidas, tres válvulas y una mirilla de vidrio. La entrada se puede apreciar al
lado derecho y las salidas en la parte inferior e izquierda en la Figura 5-11. La entrada
está conectada a la descarga del compresor, la salida izquierda a la tubería de condensado
y la salida inferior a la succión del compresor. Al encender el sistema las válvulas de la
entrada y la salida izquierda deben estar completamente abiertas y la válvula de la salida
inferior cerrada. El flu jo de refrigerante entra al contenedor y es dirigido hacia abajo, lo
que provoca que el lubricante por su peso se acumule en la salida inferior. Por otro lado,
el refrigerante más liviano subirá y saldrá por la salida izquierda hacia el proceso de
condensación. Una vez se pueda ver el lubricante por la mirilla de vidrio se debe abrir la
válvula de la salida inferior hasta que todo el aceite acumulado regrese al compresor por
la succión, y al final volver a cerrar la válvula. Si el d ispositivo falla o requiere
mantenimiento se apaga el sistema, se cierran las tres válvulas y se retira.
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5.1.7. Filtro secador
Figura 5-12. Filtro secador.
Al final del proceso de condensación el refrigerante se debe encontrar en estado de
líquido sub-enfriado y es muy importante que no contenga humedad para pasar al
siguiente proceso de expansión. Por esta razón se instaló un filtro secador de humedad
Danfoss para R-134a. Después de pasar por el filtro el refrigerante pasa por una mirilla
con indicador de humedad que cambia de color de acuerdo con el contenido de humedad
en el refrigerante. Cuando el refrigerante está libre de humedad el color del indicador
debe ser verde y cuando presenta humedad el color se torna blanco y se debe cambiar el
filtro por uno nuevo. Para retirar el filtro y cambiarlo por uno nuevo se cierran las
válvulas a cada lado del filtro, de lo contrario estas válvulas deben estar abiertas todo el
tiempo.
5.1.8. Tubo capilar
El proceso de expansión se lleva a cabo después que el refrigerante ha pasado por el filtro
secador, reduciendo la tubería de cobre de 3/8 de pulgada hasta igualar el diámetro del
tubo capilar. El tubo capilar utilizado tiene un diámetro de 1/32 de pulgada y dos metros
de longitud y está conectado a la entrada del evaporador.
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Figura 5-13. Tubo capilar.
5.1.9. Evaporador y espacio refrigerado
El evaporador es un evaporador de placa de ½ HP (372.8 W) de capacidad de
refrigeración. Fue colocado dentro de una nevera de camping Igloo de 200 litros que
conforma el cuarto frío. En el interior de la nevera también se colocaron tres bombillos,
uno de 200 W y dos de 40 W, conectados a un dimmer. Los bombillos tienen la función
de ser cargas térmicas para el sistema en funcionamiento y se puede variar esta carga
desde 0 a 280 W. Adicionalmente, se colocó una termocupla justo en el medio del
espacio refrigerado para monitorear su temperatura entre las cargas térmicas y el
evaporador.
25
Figura 5-14. Evaporador de placa dentro del espacio refrigerado.
Figura 5-15. Bombillos y termocupla dentro del espacio refrigerado.
Figura 5-16. Cuarto frío cerrado.
26
5.2. INSTRUMENTACIÓN
Una parte fundamental del banco de pruebas es la instrumentación ya que permitirá:
conocer los estados del refrigerante a lo largo del ciclo, evaluar el desempeño del sistema,
monitorear su correcto funcionamiento, y ayudar a localizar fallas. Todos los sensores se
alimentan con 10 Vdc excepto las termocuplas y los manómetros análogos.
5.2.1. Transductores de presión
Para medir la presión del refrigerante en las secciones de mayor interés, se instalaron tres
transductores de presión Omega. Estos instrumentos de medición tienen un rango de
trabajo de 0 a 60, 100 y 1000 psig, y fueron instalados en la succión del compresor, salida
del evaporador y descarga del compresor respectivamente.
Figura 5-17. Transductores de presión.
5.2.2. Manómetros análogos
Con el fin de proporcionar un soporte a los transductores de presión y tomar mediciones
en otras secciones de menor interés, se instalaron 4 manómetros análogos para R-134a.
Tres de ellos se instalaron junto a los transductores de presión y otro más antes del tubo
capilar. Los manómetros colocados en la succión del compresor y salida del evaporador
son de baja presión hasta 250 psi. Los colocados en la descarga del compresor y antes del
tubo capilar son en cambio de alta presión hasta 500 psi.
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Figura 5-18. Manómetros análogos.
5.2.3. Termocuplas
Para las mediciones de temperatura, se decidió usar termocuplas en lugar de sensores de
temperatura LM35 por las múltiples ventajas que éstas presentan. Al ser tan delgadas las
termocuplas se pudieron insertar dentro de la tubería en capilares de cobre de 1/8 de
pulgada para tomar mejores lecturas de la temperatura del refrigerante. Adicionalmente,
son sensores menos costosos, no necesitan alimentación eléctrica para funcionar y tienen
un rango de temperaturas muy amplio.
Figura 5-19. Termocuplas tipo K.
Las termocuplas escogidas para este banco de pruebas son tipo K, de aleaciones chromel-
alumel, con un rango de temperaturas desde -200 hasta +1350 °C. Fueron instaladas en la
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descarga y succión del compresor, antes del tubo capilar, a la salida del evaporador y
dentro del cuarto frío.
5.2.4. Sensor de par-torsión
Las demandas de par-torsión por parte del compresor son muy importantes para
determinar el diseño del rotor eólico y si las condiciones de viento en la zona en
consideración son suficientes para que esta configuración de sistema funcione
correctamente. El sensor apropiado para medir estas demandas es el sensor rotatorio de
par-torsión o torquímetro Omega.
Figura 5-20. Sensor de par-torsión.
El modelo TQ501 utilizado tiene un rango de hasta 200 lbin y una velocidad de giro
máxima de 6000 rpm, magnitudes que están dentro de las esperadas para este sistema.
5.2.5. Acondicionamiento de señales
Las señales emitidas por los diferentes instrumentos de medición necesitan un
tratamiento especial antes de poder ser leídas; es decir las señales deben ser
acondicionadas, cada una de manera diferente de acuerdo a las características del sensor.
Los instrumentos de medición utilizados en este banco de pruebas emiten señales de
voltaje, a las cuales se les deben hacer dos tratamientos diferentes según las necesidades:
amplificación y filtración de ruido.
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Los sensores que necesitan amplificación son el transductor de alta presión y las
termocuplas tipo K, ya que la magnitud de sus señales de salida son en milivoltios. Por
esta razón requieren una amplificación con ganancia de 100 y 200 respectivamente. Esta
ganancia es lograda usando amplificadores de instrumentación AD620 a los que se les
puede fijar cualquier ganancia de 0 a 1000 utilizando resistencias de precisión. Para
producir ganancias de 100 y 200 se colocan resistencias de precisión a 499.0 y 248.2
ohmios respectivamente. Los transductores de 60 y 100 psig no necesitan amplificación
ya que sus señales de salida van desde cero a cinco voltios.
Figura 5-21. Diseño del filtro pasa-altas RC.
Después de la amplificación algunas señales necesitan ser filtradas. Este es el caso de las
termocuplas que son especialmente sensibles al ruido electromagnético producido por el
motor elétrico. Para filtrar este ruido se emplea un filtro pasivo pasa-altas RC que no
necesita alimentación. Este filtro consiste en un condensador de 100 micro Faradios en
serie con una resistencia de 68 ohmios en paralelo. La frecuencia de corte del filtro se fijó
como 23 Hz ya que el motor eléctrico en este sistema se maneja con frecuencias de 0 a
máximo 20 Hz. El diseño de este filtro se muestra en la Figura 5-21.
5.2.6. Calibración
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Figura 5-22. Calibración termocuplas tipo K.
La calibración de las termocuplas se realizó con hielo, agua y un fogón. Se comparó con
un termómetro digital Omega.
Figura 5-23. Calibración transductor baja presión 60psig. [2]
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Figura 5-24. Calibración transductor baja presión 100 psig.
Figura 5-25. Calibración transductor alta presión 1000 psig. [2]
Figura 5-26. Calibración sensor par-torsión.
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5.2.7. Adquisición de datos
La adquisición de datos en este banco de pruebas se realiza por medio del dispositivo
National Instruments NI cDAQ 9172 con los módulos NI 9205 y 9263. Con éstos
tenemos 18 canales análogos de entrada que son suficientes para recibir las señales de
todos los instrumentos de medición usados en el sistema. El empleo de este dispositivo
representa una mejora respecto a la utilización de tarjetas de adquisición Labjack U12, ya
que éste es un dispositivo más confiable y menos susceptible al ruido.
Figura 5-27. Dispositivo de adquisición de datos NI cDAQ 9172.
El dispositivo de adquisición de datos se conecta por medio de puerto USB a un
computador Dell que se ha dispuesto y en el cual se ha instalado el software LabView
SignalExpress versión 2.5.1. de National Instruments. Este software tiene una interfaz
muy completa y amigable con muchas opciones para la manipulación y registro de datos.
6. CARGA DE REFRIGERANTE Y PUES TA EN MARCHA
Antes de realizar la carga del refrigerante se barrió el sistema de tuberías con un pequeño
cilindro de refrigerante R-12. Luego se conectó a la tubería una bomba de vacío y se dejó
funcionar por media hora. Este procedimiento tiene como objetivo limpiar la tubería de
cualquier residuo de humedad, polvo o soldadura que haya podido quedar cuando se
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fabricó la tubería, y la prepara para cargar el refrigerante con el cual va a trabajar el
sistema.
Después de esto se encendió el motor hasta que el compresor alcanzará una velocidad de
giro aproximada de 1800 rpm y se realizó la carga del refrigerante R-134a por medio de
una válvula colocada en la succión del compresor. Cuando la presión a la descarga del
compresor se estabilizó en torno a las 250 psi (1723.7 kPa) se dejó de cargar refrigerante.
Se advirtieron dificultades por el calentamiento excesivo del embrague centrífugo y que
su acople no era adecuado todo el tiempo. Sin embargo, se pudo notar un enfriamiento
perceptible del cuarto frío.
7. CONCLUS IONES Y RECOMENDACIONES
El sistema de refrigeración implementado en el banco de pruebas produjo una
refrigeración notoria del cuarto frío, a pesar del desacople esporádico del embrague
centrífugo. Esto demuestra que el sistema funciona y lo hará mejor cuando se superen las
dificultades con esta parte.
El embrague centrífugo es un componente de suma importancia en el sistema y su falla,
sea parcial o total, tiene fuertes implicaciones en el desempeño general del sistema de
refrigeración. Se recomienda revisar la velocidad de acople del embrague centrífugo y
llevar a cabo las correcciones necesarias. También, instalar sensores de efecto Hall sobre
el eje a ambos lados del embrague centrífugo, para vigilar las diferencias de velocidad
angular en el eje y controlar el correcto funcionamiento de esta parte.
Por otra parte, se evidencia que la tubería de condensado transfiere calor a los alrededores
en una cantidad suficiente para producir refrigeración en el cuarto frío. Sin embargo,
queda el interrogante de cuál sería la longitud optima de esta tubería para lograr la mayor
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eficiencia del ciclo. Se recomienda evaluar el desempeño de esta tubería como único
elemento de transferencia de calor para la condensación, monitoreando las propiedades
termodinámicas del refrigerante en su recorrido. En lo posible también, extender la
longitud de la tubería de condensado hasta los diez metros e instalar algún dispositivo de
ventilación que pueda imitar el efecto de los fuertes vientos en la condensación del
refrigerante.
Por último se recomienda programar el módulo de salidas de la tarjeta de adquisición NI
cDAQ 9172 para alimentar los transductores de presión, el sensor de par-torsión y los
amplificadores de instrumentación. De esta forma se puede prescindir de una fuente de
voltaje, haciendo más sencillo y eficiente el trabajo en el banco de pruebas.
8. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS
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los Andes, Facultad de Ingeniería.
[2]. CALDAS, M. (2007). Características de un sistema de refrigeración para ser
operado por energía eólica. Bogotá: Tesis de Magíster, Uniandes, Facultad de
Ingeniería.
[3]. HURTADO, G. (2006). Diseño y construcción de un embrague para el
funcionamiento de un sistema de refrigeración impulsado por energía eólica.
Bogotá: Proyecto de grado IM-2006-II-17, Universidad de los Andes, Facultad
de Ingeniería.
[4]. McQUISTON, F. (2005). Heating, ventilation and air conditioning. Hoboken, NJ:
John Wiley & Sons.
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[5]. SANDEN. (1999). Manual técnico compresor SD para R-134a. México.
[6]. SONNTAG, R. (1998). Fundamentals of thermodynamics. New york: John Wiley
& Sons.
[7]. TALERO, A. (2005). Sistemas de refrigeración movidos por energía eólica.
Bogotá: Tesis de Magíster, Uniandes, Facultad de Ingeniería.
[8]. UMAÑA, A. (2007). Evaluación y caracterización de un sistema refrigeración
impulsado por medio de un modelo de energía eólica. Bogotá: Proyecto de grado
IM-2007-I-35, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes.
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