10. David Franco Martínez - FES Aragón

Aire acondicionado solar (AAS) para aplicarse en la FES Aragón
M. en I. David Franco Martínez*
RESUMEN
El objetivo primordial del presente proyecto es el diseño y construcción de un dispositivo híbrido de aire acondicionado que
utilice energía convencional (electricidad) y energía solar, para disminuir los consumos de energía de origen fósil, aplicado a
lugares de la FES Aragón que utilicen aire acondicionado.
PALABRAS CLAVE
Aire acondicionado
Dispositivo híbrido
Energía solar
Electricidad
ABSTRACT
The objective of the present project is based on the design and construction of a hybrid conditioned air device that uses
conventional energy (electricity) and to pave, to diminish the consumptions of energy of fossil origin, applied to places of the FES
Aragón that use it.
KEY WORDS
Conditioned air
Hybrid device
Solar energy
Electricity
Introducción
La disponibilidad de recursos energéticos es uno de los factores más importantes en el desarrollo
tecnológico de las naciones, el cual determina la utilización de ciertos tipos de energía y, por
tanto, la disponibilidad de ese recurso.
Los recursos energéticos son usados por el hombre para satisfacer algunas de sus necesidades
básicas en forma de calor y trabajo. El calor es necesario para un sinnúmero de aplicaciones,
como la climatización del espacio, la cocción de alimentos, o la producción o transformación de
algunos compuestos químicos.
El trabajo, por otro lado, se utiliza para una variedad de procesos en los que hay que vencer
fuerzas de oposición: para levantar una masa en un campo gravitacional; para deformar un
cuerpo, estirar una liga o un resorte o hacer fluir un líquido o gas; para la mayoría de los procesos
industriales, al transformar materia prima en producto terminado; para el transporte de personas y
de mercancías y hasta para tocar cualquier instrumento musical.
Calor y trabajo, son dos necesidades básicas en la civilización, y van relacionadas al nivel social,
económico o tecnológico que se quiera. Para producirlos, el ser humano ha echado mano de una
gran variedad de fuentes de energía. Al principio de nuestra era –por ejemplo, el calor para la
calefacción y la cocina, etcétera–, era producido en gran medida por medio de la combustión de
leña; mientras que el trabajo en pequeña escala era producido por la fuerza humana. Sin embargo,
a mediana escala se obtenía de ciertos animales domesticables como caballos, burros, bueyes,
*
Profesor de Carrera Asociado “C” Definitivo, adscrito al Área de Ahorro de Energía del Centro Tecnológico de la
FES Aragón-UNAM.
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entre otros; aunque también podía extraerse, por ejemplo, del viento que se utilizaba para mover
los grandes veleros mercantes y de guerra.
Las primeras máquinas térmicas de uso práctico aparecieron hacia finales del siglo XVII. En la
segunda mitad del siglo XVIII, el escocés James Watt perfeccionó la máquina de vapor y con
ello se facilitó la producción industrial de cantidades relativamente grandes de trabajo a partir de
la combustión, primero de leña y después de carbón mineral. A principios del siglo XIX ya
existían en Inglaterra y en Estados Unidos algunos barcos de vapor que efectuaban viajes
comercialmente. Antes del segundo tercio del mismo siglo, entró en servicio en Inglaterra un
ferrocarril propulsado por una máquina de vapor.
Las máquinas de vapor eran de "combustión externa" (este concepto implica que la fuente de
calor que se utilice no es muy importante, siempre que cumpla con ciertos requisitos). Así, una
máquina de vapor que puede funcionar con leña, también puede hacerlo con carbón, con petróleo
o con ciertos residuos de basura. Hace más de cien años, se construyó en Francia una máquina de
vapor cuya fuente de energía era el Sol. Hacia mediados del siglo XIX se inventaron los primeros
motores de combustión interna. Estos requieren un combustible muy específico para funcionar.
Con el tiempo, debido a razones técnicas y económicas, los motores de combustión interna,
principalmente los de gasolina y diesel, se hicieron cada vez más seguros, confiables, económicos
y, por tanto, abundantes. Aparecieron también otras máquinas térmicas, como las turbinas y los
motores a reacción, que también consumen combustibles muy específicos. Fue así como nuestra
sociedad se fue haciendo extraordinariamente dependiente de los combustibles fósiles.
Los combustibles fósiles comprenden principalmente el petróleo y sus derivados (gasolinas,
diesel, turbosina, etc.), el gas natural y el carbón mineral. Al principio de la explotación de estos
recursos, se consideraban ilimitados y su impacto ambiental era despreciable. Sin embargo,
debido al extraordinario crecimiento de la población mundial, junto con el aumento en el
consumo per cápita de estos recursos, sólo queda petróleo disponible para su explotación
económica durante la primera mitad del siglo XXI.
Por otro lado, el consumo masivo de hidrocarburos está produciendo ya alteraciones de la
atmósfera a nivel mundial. Los niveles de bióxido de carbono que se detectan actualmente son
significativamente mayores que los que existían en 1950. Esto produce el conocido efecto
invernadero, que está produciendo ya un incremento en las temperaturas promedio mundiales. No
es objeto de esta investigación discutir las implicaciones geográficas, biológicas, agrícolas,
económicas y sociales de este calentamiento atmosférico, pero es obvio que una alteración
artificial no controlada y con consecuencias que no conocemos, no puede ser deseable. Los
combustibles fósiles también son causantes de la llamada lluvia ácida, que en los bosques
cercanos a las áreas altamente industrializadas está causando grandes daños al suelo, y por tanto a
la flora y la fauna.
En las grandes ciudades, la combinación de las emisiones de gases de combustión, con algunos
otros fenómenos naturales, como las inversiones térmicas, la humedad y la radiación solar
producen algunos efectos indeseables para la salud humana, como el smog fotoquímico, las altas
concentraciones de ozono y, en general, la concentración de componentes indeseables en la
atmósfera.
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Métodos alternos
Tanto por razones económicas (próxima escasez de hidrocarburos) como ecológicas (alteración
de la atmósfera y el suelo), es imperativo el desarrollo de nuevas alternativas energéticas, que
sean menos agresivas contra el ambiente. El actual esquema de consumo energético, tanto en
México como a nivel global, simplemente no es sustentable, es decir, no puede mantenerse
indefinidamente sin amenazar su propia existencia. Algunos modelos que consideran los efectos
que está teniendo actualmente el uso y abuso de los combustibles fósiles, considerando las
posibles tendencias futuras, amenazan con producir una catástrofe en contra de la humanidad,
antes de que termine el siglo XXI.
Existen muchas alternativas energéticas. Algunas de ellas no han sido desarrolladas por
limitaciones técnicas y económicas, otras se ha utilizado sólo parcialmente. La conservación y el
uso de la energía han dado origen a distintos métodos alternos para lograr el aire acondicionado
en edificios y la refrigeración en algunos recintos o equipos. Los sistemas de refrigeración
mediante la compresión de un vapor (R22, R134a, R717, etc.) constituyen un método tradicional
para lograr el enfriamiento de un edificio o la refrigeración de un espacio dado. Sin embargo, al
requerirse en su operación cantidades relativamente grandes de energía eléctrica que es una forma
valiosa de energía, estos sistemas pueden llegar a ser muy costosos en su operación. Las
cantidades requeridas de energía son grandes, fundamentalmente porque el vapor refrigerante en
el compresor experimenta cambios muy significativos en su volumen específico, desde la presión
del evaporador hasta la del condensador.
Una opción más económica a los sistemas convencionales de acondicionamiento de aire son los
sistemas de absorción Así, por ejemplo, para comprimir 0.1 kg/s de amoníaco (R717) desde un
estado de vapor saturado seco a 0 °C (4.3 bar) hasta vapor sobrecalentado a 20 bar se requiere un
mínimo de aproximadamente 21.7 kW de potencia, mientras que para incrementar la presión de
0.1 kg/s de solución amoníaco-agua con una fracción másica de amoníaco igual a 0.4, entre los
mismos límites de presión, se requieren sólo 0.2 kW aproximadamente; es decir, menos del 1 por
ciento. Este ejemplo sencillo demuestra la ventaja de incrementar la presión a un líquido en lugar
de un vapor.
Enfriamiento por absorción
El Enfriamiento por Absorción se basa en un simple principio de refrigeración utilizando
Bromuro de Litio, como elemento absorbente y agua como refrigerante. Estos enfriadores son
equipos estáticos compuestos de un tanque e intercambiadores de calor, y con una fuente de calor
como fuente de energía. El enfriador se compone de cuatro partes principales: evaporador,
absorbedor, generador y condensador. Los fluidos del enfriador necesarios para completar el
ciclo son dos: el refrigerante (agua desmineralizada) y el absorbente (Solución de Bromuro de
Litio en agua, 55% de Bromuro de Litio y 45% de agua).
El enfriador trabaja en condiciones de vacío generadas por una bomba de vacío especialmente
diseñada para este fin. La presión dentro del evaporador es de solo 6 mm Hg. A esta presión el
refrigerante se evapora a apenas 3.9ºC. El agua a enfriar circula por los tubos del evaporador y
los intercambiadores de calor. El refrigerante baja a los tubos y extrae calor del agua circulante
para evaporarse, a muy baja temperatura, debido a las condiciones de vacío, enfriando de esta
manera el agua. Luego es necesario regenerar el refrigerante, para lo cual el Bromuro de Litio,
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que es de naturaleza higroscópica, pasa al Absorbedor y absorbe los vapores del refrigerante que
salen del Evaporador.
Mientras mayor sea el contenido de Bromuro de Litio en la solución Bromuro de Litio – Agua,
mayor es la capacidad de la solución para absorber agua. Por esta razón, la solución absorbente
debe contener una concentración de Bromuro de Litio, mayor al valor inicial del 55%. El
absorbedor que está recibiendo el vapor del refrigerante se encuentra concentrado en un
porcentaje cercano al 61%. Durante esta absorción, el absorbente se diluye y vuelve a la
concentración inicial de 55%. El absorbente diluido entra al generador donde la temperatura es
mayor. Esta parte del enfriador es calentada por una fuente de calor, que puede ser: vapor
(Presión mínima de 1 bar), llama directa (llama del quemado directo de cualquier combustible;
gas natural, gas propano licuado, diesel, kerosene, biogás, gas de relleno sanitario, o para el caso
de un calentador solar con agua caliente (Temperatura mínima de 85ºC), en la figura 1 se observa
el esquema de un sistema de refrigeración por absorción.
Figura1. Esquema de un sistema sencillo de refrigeración por absorción
Gracias a la entrada de calor, el vapor del refrigerante contenido en el absorbente diluido se
evapora y se dirige al condensador donde el agua de refrigeración, circulando en los tubos de
condensado, condensa el vapor refrigerante, el cual es regenerado como líquido y fluye al
evaporador por gravedad.
Después de la evaporación del vapor del refrigerante en el generador, el absorbente vuelve a estar
concentrado y fluye al absorbedor por gravedad.
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De esta forma el ciclo está completo. Como se puede observar solo es necesario una fuente de
calor para obtener agua fría. La necesidad de energía eléctrica se limita a los motores de las
bombas y al panel de control.
Si a lo anterior le aunamos el hecho de diseñar un sistema que utilice energía solar para cubrir un
porcentaje de los requerimientos de energía del sistema por absorción, se tendrá una opción
viable para el acondicionamiento de áreas a un costo menor, redundando en un beneficio
económico para el usuario.
En la figura 2 tenemos un diagrama del lado de calentamiento de agua para proporcionar calor al
sistema de refrigeración por absorción.
Figura 2. Diagrama de captación de calor para el sistema de aire acondicionado
Retos
Lo anterior suena muy congruente con las políticas de ahorro y conservación de los recursos
energéticos, pero, el problema radica en la aplicación real de los conceptos de uso de energía
solar contra las aplicaciones de estos sistemas en situaciones cotidianas.
Por otro lado se debe de contar con la posibilidad de encontrar partes comerciales del sistema
dentro del entorno nacional, con el fin de poder darle un mantenimiento sin prejuicio del tiempo
de utilización y el costo de reparación.
Avances
En este documento se explica el desarrollo actual del proyecto junto con los avances logrados y
tareas por realizar. Proyecto de investigación que fue presentado por los laboratorios de
Comportamiento de Materiales y de Diagnóstico Energético del Centro Tecnológico Aragón en la
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convocatoria del megaproyecto “La Ciudad Universitaria y la Energía” para el apoyo de
proyectos de investigación.
1
Cálculo de la carga térmica a retirar del espacio a enfriar
Dentro de esta meta se realizó un análisis y búsqueda de información con referencia al modelado
de las condiciones climáticas del proyecto. Se decidió diseñar un prototipo de Aire
Acondicionado para un cuarto de prueba de 2 x 2 metros de superficie, así se procedió a
establecer parámetros para el cuarto de pruebas, tomando como referencia las siguientes
características: ganancia de calor por personas dentro del cuarto, ganancia de calor por equipo
eléctrico, ganancia de calor por energía solar, de ahí se procedió a conocer los requerimientos de
energía para enfriar el cuarto.
Tabla 1. Ganancia total de calor de un cuarto de 2 metros cuadrados, junto con el cálculo de aire
necesario de ventilación en toneladas de refrigeración
GANANCIA TOTAL DE CALOR
Aporte de energía
transmisión y ganancia solar
carga humana
fuentes varias
infiltración aire
Total
Aire necesario de ventilación en
toneladas de refrigeración
BTU/h
16000
500
1200
200
17900
kW
4.688
0.146
0.112
0.0586
5.2447
1.48997
2
Selección del sistema Captación Solar
Se realizó una búsqueda de equipo comercial del cual se evaluó la eficiencia ganancia de calor y
transferencia de éste al agua, que será el fluido de trabajo para aportar energía al sistema de aire
acondicionado, se evaluaron las temperaturas y presiones de trabajo y se decidió construir en el
Centro Tecnológico de la FES Aragón un concentrador parabólico, el cual fue diseñado y
construido con recursos del mismo Centro.
El desarrollo o construcción del modelo se inició con el cálculo de la curva de la parábola en
papel milimétrico, en seguida se procedió a buscar los materiales más apropiados para su
construcción. Durante el proceso se presentaron varios problemas, entre ellos el material que
serviría de reflejante que ayudará a reflejar los rayos incidentes del sol al foco de la parábola, el
cual está constituido por un tubo de cobre de una pulgada de diámetro y por donde circula agua,
durante los experimentos se utilizaron diferentes materiales como son: papel aluminio, lámina de
aluminio, pinturas brillantes y acero inoxidable. Finalmente la lámina de acero inoxidable fue la
que dio el mejor de los resultados con respecto al reflejo de la luz solar.
Durante las pruebas hechas para determinar cuántas calorías se pueden obtener en tiempo muy
corto, el resultado fue muy sorprendente, pues la temperatura alcanzada a lo largo de la solera en
el foco correspondiente fue de hasta de 180ºC en un tiempo aproximado de 10 minutos, en
condiciones como día soleado y a las 13 horas.
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Con la experiencia obtenida de los experimentos llevados a cabo nos abocamos de manera más
directa al desarrollo del diseño y adaptación de los tubos, así como los soportes, conexiones
tornillería, mangueras y mecanismo de seguimiento del sol durante las horas que tarda en cruzar
el horizonte estelar a nuestra vista por así decirlo, para lo cual se han tenido que ejecutar cálculos
con el mecanismo adaptado y definir los tiempos en grados de rotación para su puesta en
funcionamiento de manera automática. En la figura 3 se puede observar el terminado del
concentrador, el cual tiene como base un metro cuadrado. Este sistema pretende captar energía de
alrededor de 0.750 kW y calentar agua, actualmente se ha logrado un calentamiento de una barra
de solera pintada de negro mate de 5 cm de ancho y un metro de largo a 220 ºC.
Figura 3. Concentrador parabólico cilíndrico construido con una base de madera
y con un material reflejante de acero inoxidable
3
Selección del sistema de refrigeración
Tomando como base los resultados teóricos del programa para la ganancia de calor, se acordó
trabajar en 1.5 y 1 toneladas de refrigeración (es decir, la cantidad de calor que tendríamos que
retirar del recinto de pruebas).
Mediante el estudio y análisis de transferencia de masa y de energía, se procedió a realizar el
balance del sistema de refrigeración por absorción. Se calcularon las cantidades y proporciones
de la mezcla de “Bromuro de litio-Agua”, así como las características físicas de dicha mezcla y
las características del agua en cada dispositivo (temperatura, presión, masa, entalpía, mostrados
en la tabla 2).
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Tabla 2. Resultado de los cálculos del balance de energía y de masa del sistema de absorción
P
T (ºC)
(mmHg)
PUNTO ESTADO
Br Li
%
FLUJO
(Kg/min)
0.897
0.897
0.8073
0.8073
0.0897
0.0897
1
2
3
4
5
6
SOLUCIÓN
SOLUCIÓN
SOLUCIÓN
SOLUCIÓN
H2O VAPOR SATURADO
H2O LÍQUIDO SATURADO
6.8
30
42
42
77.22
37.22
80.00
37.78
0.54
0.54
0.6
0.6
---------
7
-------
----
---
---
0.0897
8
H2O VAPOR SATURADO
6.8
5.56
------
0.0897
Metas a realizar en el siguiente periodo
En la siguiente fase se pretende terminar la meta 3 de selección del sistema de refrigeración y su
diseño termo hidráulico al 100%, junto con la tarea 4 la cual considera terminar el prototipo del
Aire Acondicionado Solar (AAS) e iniciar las pruebas de funcionamiento y determinar su
eficiencia. Cabe mencionar que se continuará con el estudio y análisis del sistema de
refrigeración por absorción, creando los diagramas finales de funcionamiento con sus respectivas
temperaturas y flujos de sustancias en bloques, ya se determinó que el sistema deberá contener
los siguientes dispositivos (generador, absorbedor, condensador, evaporador, intercambiador de
calor, bomba y válvulas check), además de accesorios para medición y control del sistema.
A continuación se enlistan las metas pendientes:
Selección del sistema de refrigeración
• Selección de materiales
• Reingería del sistema de refrigeración
• Diseño final del sistema
Diseño global del Sist. AAS
• Crear los planos del sistema de captación solar
• Crear planos del sistema de refrigeración.
Personal involucrado en el proyecto
Meta
Personal ocupado
a. Cálculo térmico del sistema de aire
acondicionado con bromuro de litio
1. Quintana Ariza Jorge Mateo 2.Trejo Badillo Pedro
3.Valencia Martínez Abraham Jacobo
b. investigación y análisis de reingeniería de
procesos de aire acondicionado
1. Cazares Gallardo Carlos Alberto
2. Granilla Velázquez José Yeraldo
c. Análisis de la eficiencia de colectores solares
planos y de concentración
1. Quintana Ariza Jorge Mateo
2. Delgado Gómez Fernando Paris
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d. Diseño del circuito de absorción
e. diseño y construcción de un concentrador
parabólico cilíndrico solar, junto con pruebas de
eficiencia en temperaturas
1. Quintana Ariza Jorge Mateo 2.Trejo Badillo Pedro
3.Valencia Martínez Abraham Jacobo
1. Delgado Gómez Fernando Paris
2. Técnico Académico Ing. Alberto Higuera García
3. Técnico Académico Antonio González Montaño
Nota: El desarrollo tecnológico del dispositivo híbrido de aire acondicionado propuesto permitirá la formulación de
la Patente bajo términos confidenciales establecidos por el Centro Tecnológico Aragón.
Conclusiones
El problema que se presentó durante la elaboración de la parábola fue el volumen y peso, pues en
un principio se consideró hacer un mueble robusto para tal fin, posteriormente se tomó la
decisión de quitar peso y volumen, para lo cual se tuvieron que realizar los recortes necesarios
como lo indican la secuencia fotográfica que se presenta. Durante el proceso de construcción se
presentaron diversos problemas, entre ellos el material que servirá de reflejante.
De la parte del sistema de absorción se ha tenido dificultad en determinar el tipo de generador
que se utilizará para iniciar el ciclo de enfriamiento, teniendo en cuenta que es el “motor” del
sistema; de ahí se requiere analizar el tipo de generador y sus características termo hidráulicas.
Sin embargo el sistema desde el punto de vista conceptual funciona, el problema a resolver una
vez construido el primer prototipo será la reingeniería del sistema para poder diseñar y construir
un sistema técnica y económicamente viable para su uso en condiciones reales, aplicarlo a casas
habitación con necesidades de aire acondicionado.
Fuentes de consulta
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Beasley D. y Hester J. Ch. (1988), Short Communications Analysis of a Pressure Driven Absorption
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Duffie, John A. y Beckman, William A. (1980), Solar engineering of thermal processes, Wiley Interscience,
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