Bomba de calor de compresión/resorción con co2/acetonamodelización termodinámica del ciclo y estudio teórico-experimental del proceso de desorción en un intercambiador de calor de placas

Abstract

La tecnología de bomba de calor es una alternativa interesante para la recuperación del calor residual de baja temperatura (40 – 60ºC) y su revalorización a temperaturas superiores a 80ºC para atender la demandada de calor en procesos industriales, y así reducir el consumo de energía primaria y de emisiones asociadas. La tecnología actual de bombas de calor está limitada a la producción de calor por debajo de 80ºC por las limitaciones de los fluidos de trabajo y de los componentes a operar a temperaturas más altas. La utilización de mezclas de fluidos típicas de la tecnología de absorción, como la mezcla amoniaco/agua, en ciclos de compresión mecánica permite reducir la presión de alta, y operar con relaciones de compresión menores. Al ser las temperaturas de ebullición de ambos fluidos muy diferentes, la evaporación de la mezcla no puede ser completa y por esta razón se requiere incorporar una bomba de circulación en paralelo con el compresor. Esta tecnología se conoce como bomba de calor de compresión/resorción. Las ventajas de esta tecnología son múltiples: menores consumos de energía eléctrica en el compresor y operar a temperaturas superiores, con los mismos componentes que el ciclo convencional. Además, la selección de la composición de la mezcla de trabajo y de la calidad del vapor generado son parámetros adicionales que dotan al ciclo de una mayor flexibilidad de operación. El objetivo de esta tesis doctoral es estudiar el ciclo de bomba de calor de compresión/resorción hasta una temperatura en sumidero de 120ºC, operando con mezclas CO2/acetona así como realizar un estudio teórico/experimental del proceso de desorción en un intercambiador de calor de placas. Para alcanzar el objetivo global de este trabajo se han definido diferentes objetivos específicos que se presentan a continuación: i) revisión bibliográfica de la demanda potencial de temperatura en el calor residual producido por diferentes industrias para su aprovechamiento en bombas de calor por compresión/resorción; ii) determinación de propiedades de la mezcla CO2/acetona en intervalos de temperatura, presión y concentración de interés para las bombas de calor de compresión/resorción; iii) simulación termodinámica del ciclo de bomba de calor por compresión/resorción y su correspondiente análisis de sensibilidad; iv) estudio experimental del proceso de desorción de la mezcla en un intercambiador de calor de placas; v) desarrollo de una correlación empírica para la predicción del coeficiente de transferencia de calor de la mezcla CO2/acetona y diseño térmico del desorbedor de una bomba de calor de una potencia nominal de 10 kW. La tecnología actual de bomba de calor está desarrollada para aplicaciones de calentamiento de espacios en zonas residenciales, sin embargo, la tecnología de bomba de calor no se ha expandido eficientemente a escala industrial. Una revisión bibliográfica muestra que existe una demanda potencial de calor entre 80 y 120ºC y se argumenta que es especialmente accesible para bombas de calor industriales. Las industrias en las cuales puede darse esta aplicación son: alimentación, tabacalera, papel, química y madera. La tecnología actual de bomba de calor a nivel industrial se encuentra en fase de desarrollo y construcción de prototipos. Para la determinación de las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo se ha revisado datos experimentales de los fluidos puros y de la mezcla CO2/Acetona. Se han encontrado datos experimentales en un intervalo de presión entre 7.20 y 14 MPa, temperatura entre 291.15 a 393.15 K y 0 a 0.98 en concentración molar de CO2 para la mezcla CO2/acetona. Varios autores presentan diferentes modelos matemáticos y ecuaciones de estado para la determinación de propiedades en mezclas. Se ha seleccionado la ecuación de estado de Peng Robinson como la más adecuada para determinar las propiedades termodinámicas de la mezcla CO2/acetona y el modelado del ciclo de bomba de calor por compresión/resorción. Se han determinado parámetros de interacción binaria para la mezcla CO2/acetona a partir del ajuste entre datos experimentales y calculados por el modelo. Se obtuvo una desviación cuadrática media máxima para temperaturas entre 291.15 a 313.15 K y para el intervalo 333.15 a 393.15 K de de 4.28% y 8.70%, respectivamente. Se encontró una desviación cuadrática máxima entre datos experimentales y calculados de densidad de la mezcla CO2/acetona de 2.45% y 4.11% para la fase líquida y vapor, respectivamente, y 5.35% para el exceso de entalpía. El modelo matemático del ciclo de bomba de calor por compresión/resorción se basa en el balance de masa y energía para cada componente y una serie de hipótesis asumidas del estado de la mezcla a la entrada y salida en los componentes. Se ha seleccionado 5 variables independientes para la modelización del ciclo termodinámico de bomba de calor por compresión/resorción, estas son: temperatura de la solución a la salida del desorbedor, temperatura de la solución a la salida del resorbedor, diferencia de composición entre la concentración global de CO2 en la mezcla y solución pobre (x), presión alta y flujo másico de vapor. Las condiciones de operación del ciclo de bomba de calor están definidas por dos aspectos: el intervalo de propiedades de la mezcla obtenido en literatura y el alcance de operación definido por el diagrama de equilibrio líquido-vapor de la mezcla. Los resultados del análisis de sensibilidad del ciclo muestran que si la temperatura de la solución a la salida del desorbedor aumenta de 30ºC a 70ºC el desempeño del ciclo de bomba de calor por compresión/resorción disminuye desde un valor de 3 a 1.1. El mejor desempeño global del ciclo de bomba de calor por compresión/resorción se da con una diferencia de fracción másica (•x) entre 0.15 y 0.20. Si aumenta la presión alta del ciclo, el desempeño del ciclo disminuye. Por otro lado, si la temperatura de la solución a la salida del resorbedor aumenta junto con la temperatura a la salida del desorbedor, el desempeño del ciclo empeora. Se ha observado que la variación en el flujo de vapor no afecta el desempeño del ciclo, pues los resultados se superponen unos con otros. Los valores calculados para la relación de caudal (f = m liquido / m vapor) se encuentran en el intervalo comprendido entre 3 y 7 El estudio experimental del proceso de desorción tiene como finalidad obtener parámetros en transferencia de calor y masa del proceso de desorción de la mezcla CO2/acetona en un intercambiador de calor de placas. Las condiciones de operación y variables independientes del banco de ensayos fueron determinadas a partir del modelado del ciclo de bomba de calor de compresión/resorción y el intervalo de caudales volumétricos del intercambiador de calor usado. Se ha diseñado y construido un equipo experimental para realizar el estudio del proceso de desorción de la mezcla CO2/Acetona en un intercambiador de calor que opera como desorbedor. Los resultados experimentales muestran valores para el coeficiente de transferencia de calor (hsolución) entre 0.2 a 0.5 kW/m2.K. El incremento en la temperatura del agua de calentamiento y una diferencia de esta con la temperatura de la solución a la entrada del desorbedor de 40 ºC favorecen a la transferencia de calor. El valor de hsolución disminuye cuando la presión de ensayo aumenta desde 10 a 18 bar. La transferencia de calor en el intercambiador mejora en fracciones másicas bajas de CO2 en la mezcla CO2/acetona (22 a 25 %). El título de vapor medio calculado en el intercambiador de calor alcanza un valor máximo de 16% a una presión de ensayo de 12 bar. El flujo de calor calculado en el intercambiador se encuentra en un rango entre 1.5 y 5 kW/m2. El flujo de desorción calculado entre 0.002 y 0.005 kg/s. Se ha desarrollado una correlación matemática para el coeficiente de transferencia de calor de la solución CO2/acetona a través de correlaciones encontradas en literatura y el ajuste de valores en sus coeficientes. Se ha obtenido una desviación media de 15.1% entre datos experimentales y calculados por la correlación propuesta. Se ha realizado el diseño térmico de un desorbedor usando un intercambiador de calor de placas. Los parámetros y condiciones de operación utilizados en el diseño fueron obtenidos a partir de la simulación termodinámica del ciclo de bomba de calor por compresión/resorción usando la mezcla CO2/acetona y las características geométricas del intercambiador de calor en el cual se realizaron los ensayos experimentales. Se seleccionó una potencia nominal del resorbedor de la bomba de calor de 10 kW y se obtuvo una carga térmica del desorbedor en estas condiciones de 3.15 kW. Se ha determinado que es necesaria un área de transferencia de calor mínima de 1.01 m2 en el desorbedor, 11 canales internos para la solución, 12 para el agua de calentamiento con 24 placas en total y se determinó una pérdida de carga en el desorbedor de 0.638 bar en el componente.