Mejora de la eficiencia energética de sistemas de climatización mediante enfriamiento evaporativo

Résumé

Resumen de la tesis: El marco legislativo a nivel nacional y europeo tiene entre sus objetivos mejorar la eficiencia energética de los equipos de climatización. De ahí la necesidad de estudiar alternativas que disminuyan el consumo energético en comparación con los sistemas existentes. En este sentido, los equipos que se aprovechan de las ventajas del enfriamiento evaporativo representan una de las soluciones más eficaces. En esta Tesis se plantea estudiar dos enfoques para lograr este objetivo. El primero consiste en emplear torres de refrigeración, las cuales se basan en este principio, pero tienen el problema de tener asociado un gran impacto ambiente como consecuencia de las gotas que se emiten durante su operación. La otra forma es preenfriando el aire de entrada del condensador de equipos de climatización convencionales (aquellos que emplean bomba de calor), usando para ello atomizadores ultrasónicos, una técnica sin referencias en la bibliografía. En esta Tesis se ha abordado la caracterización experimental del rendimiento térmico y el nivel de emisiones de un nuevo prototipo torre de refrigeración que ha sido diseñado y patentado para evitar la emisión de partículas en suspensión a la atmósfera, y reducir el impacto ambiental y de salud generalmente relacionado con este tipo de equipos de enfriamiento evaporativo. Los experimentos se realizaron en una planta piloto construida con este propósito. En la evaluación de impacto ambiental (nivel de emisiones) se utilizó el método del papel sensible. La comparación entre los resultados obtenidos y los encontrados en la literatura para torres de refrigeración similares indica que el rendimiento de la torre de refrigeración invertida en términos de emisiones es notable, con una cantidad de agua arrastrada de 1,47 ¿ 10¿6 kg/s (0,00015% del agua circulante). Este valor es hasta 130 veces inferior a los límites impuestos por varias normativas internacionales y supone una reducción en términos de emisiones entre el 40,21% y el 82,54%, con respecto a torres comerciales. En lo relativo al tamaño de las gotas que escapan de la torre, los resultados también fueron prometedores, siendo el diámetro máximo de 50 ¿m, y el diámetro medio de Sauter del conjunto de gotas de 31,42 ¿m. En lo que respecta a la evaluación del rendimiento térmico, la torre estudiada se clasifica como una torre de refrigeración mecánica de flujo en contracorriente y flujo paralelo. Por este motivo, se ha discutido la influencia de la teoría de análisis (Merkel y Poppe) y la disposición del flujo entre las corrientes de agua y aire (contracorriente, paralelo y contracorriente/paralelo) en el rendimiento de la torre para unas condiciones de operación determinadas. La principal novedad está en el uso de la teoría de Poppe combinando dos disposiciones de flujo diferentes (paralelo y contracorriente), además de, la adaptación de la teoría de Poppe para flujo paralelo, que es un enfoque que no se encuentra comúnmente descrito en la literatura. De este análisis se concluye que el método más apropiado para evaluar el rendimiento térmico de este novedoso prototipo es aquel que utiliza la teoría de Poppe y combina disposición contracorriente y flujo paralelo para evaluar el rendimiento térmico. No sólo proporciona las mejores predicciones para las temperaturas del aire y del agua de salida (0,44°C de diferencia para la predicción del agua y 0,74°C de diferencia para el aire), sino que es una buena aproximación de la compleja física subyacente del problema. El estudio del comportamiento térmico se ha completado estudiando dos aspectos fundamentales en el diseño de una torre de refrigeración: la longitud de relleno y la disposición de los rociadores (posición y características hidráulicas). El objetivo fue la optimización experimental en términos de rendimiento térmico de este nuevo prototipo de torre de refrigeración invertida. Los resultados indican que rociar desde una posición superior (sólo flujo paralelo) presenta unos resultados un 24% mejores que rociar desde una posición intermedia (flujo mixto y paralelo) y un 37% mejor que desde una posición inferior (igual al intermedio, pero con mayor distancia al ventilador). Esto se debe a que se instalaron mejores rociadores en la posición superior. Sin embargo, a la vista de los resultados, los rociadores elegidos deberían ser los instalados en el nivel superior, aunque posiblemente instalados en los otros niveles obtendrán mejores resultados. La combinación de una mayor resistencia hidráulica de los rociadores y una mayor superficie de intercambio (posición inferior) podría dar como resultado la mejor configuración. En cuanto al relleno, se ha observado que influye de forma similar en el funcionamiento de todas las posiciones de rociado, ya que, en casi todas ellas, todo el enfriamiento se realiza en disposición de flujo paralelo, es decir, el tramo en el que se encuentra el relleno. Se observó que el rendimiento para la longitud de relleno de 1,6 m es un 25,5% mejor que para las otras dos longitudes probadas. La principal conclusión respecto a esto es que instalar una gran cantidad de relleno mejora claramente el rendimiento de la torre, pero instalar una pequeña cantidad no siempre es comparable a no instalar nada, debido a la pérdida de carga que añade. Para todos los resultados también se comprobó que la correlación de Ashrae junto con el método Poppe predicen con éxito el rendimiento térmico de la torre de refrigeración, siendo la diferencia promedio entre los resultados experimentales y predichos de 0,37°C para la temperatura de salida del agua. Además, también es capaz de predecir las condiciones de salida del aire con una diferencia promedio de 4,93% (1,35°C). En cuanto al uso de atomizadores ultrasónicos para preenfriamiento del aire, los trabajos anteriores del grupo de investigación se centraron en el uso de un generador de niebla ultrasónico, con el que se obtuvieron resultados prometedores, pero con limitaciones, como la incapacidad de controlar la distribución de gotas y su alto consumo eléctrico. Para solucionar esto, se ha propuesto la utilización de atomizadores ultrasónicos que son capaces de superar estas limitaciones. Para ello se ha desarrollado un modelo numérico de este innovador sistema y validado con datos experimentales obtenidos en un túnel de viento. Con los datos obtenidos se ha realizado un análisis paramétrico, considerando las variables clave en el proceso de enfriamiento: gasto másico de agua inyectada, distancia necesaria para la evaporación completa de las gotas, área enfriada y consumo de energía de los atomizadores. Los resultados relativos a la distancia necesaria para que se produzca la evaporación completa de las gotas y evitar que estas lleguen al condensador son prometedores, ya que esto sucede solo sucede para relación de flujo másico de agua-aire superiores a 1,7 · 10-3 con humedades relativas del 50% y 1,2 10 · 10-3 para 70%. Con el generador de niebla ultrasónico esto no sucedía para ningún rango de trabajo. También se realizó un análisis de optimización, que reveló que los rangos operación óptimos en términos de rendimiento global son relaciones de flujo másico agua y aire inferiores a 1,8 · 10-3 para humedades de 50% e inferiores a 8,1 · 10-4 para 70%. Dentro de estas condiciones, el agua pulverizada se distribuye de manera más uniforme en toda la sección de salida, lo que facilita un proceso de enfriamiento por evaporación más homogéneo y eficiente. El coeficiente de rendimiento global máximo logrado en todas las simulaciones fue 30,49. Este valor es cuatro veces superior al de equipos estudiados con anterioridad, por lo que, este novedoso sistema supera las limitaciones de los anteriores y su rendimiento. https://repositorio.upct.es/handle/10317/12881