Caracterización termodinámica y mejora del diseño de una enfriadora agua-agua de 30, 40 kw de refrigeración

Abstract

En este proyecto se realiza la caracterización termodinámica y la mejora del funcionamiento de una enfriadora agua-agua que desarrolla una potencia de 30,40 kW mediante un ciclo de Compresión Mecánica Simple (CMS). La enfriadora que se va a estudiar es de la marca Keyter modelo Medea. Este trabajo se justifica en la actual demanda de la sociedad hacia la industria de la refrigeración con el fin de reducir el impacto medioambiental provocado por el uso de refrigerantes con elevado potencial de calentamiento global. Esta demanda se ha visto reflejada en la paulatina sustitución de determinados refrigerantes tras la entrada en vigor de la normativa F-Gas y otras disposiciones normativas similares en el ámbito de la Unión Europea. Así, surge la necesidad de avanzar en la tecnología y en el funcionamiento de los circuitos de refrigeración, actuando tanto en la optimización de sus componentes como en la mejora de caracterización de los ciclos con nuevos refrigerantes más respetuosos con el medio ambiente. Con este proyecto se pretende avanzar en esta dirección mediante la caracterización y análisis de cada uno de los componentes que formar los circuitos y tras su análisis, proponer mejoras que abran futuras líneas de investigación. Para desarrollar el proyecto, en primer lugar, se realiza un estudio de todos los dispositivos que forman parte de un ciclo de Compresión Mecánica Simple y de los refrigerantes empleados en los sistemas de frío a lo largo de la historia. Seguidamente, se identifican y caracterizan todos los dispositivos que forman parte de la enfriadora, para su posterior estudio. La máquina que ha servido de estudio está compuesta por un compresor hermético tipo Scroll, un condensador y un evaporador de placas, una válvula de expansión termostática, un filtro deshidratador y un visor. Tanto el evaporador como el condensador emplean agua para intercambiar calor con el refrigerante. Además, la enfriadora cuenta con un panel de control, encargado de medir en todo momento la temperatura y la presión en distintos puntos del ciclo CMS y las entradas del agua en los intercambiadores. De este modo, controla que los parámetros estén dentro de un rango de operación y, de no ser así, detiene la máquina hasta que se consiga entrar de nuevo en el rango de trabajo, para evitar que se dañe cualquier dispositivo. La enfriadora utiliza como refrigerante el R-410A, una mezcla cuasi-azeótropa con ODP nulo y PCA de valor 2090, es decir, aunque tiene nulo impacto sobre la capa de ozono, afecta de manera significativa al efecto invernadero. Actualmente es ampliamente utilizado en los sistemas de frío de baja y media potencia, sustituyendo a otros refrigerantes como el R22, al no ser tóxico ni inflamable y tener ODP nulo. Aun así, dado su elevado PCA, se prevé una retirada progresiva hasta su completa eliminación para el año 2025, según la normativa F-Gas. Una vez realizada la caracterización y recopilada la información de cada uno de los equipos, se desarrolla una simulación del funcionamiento de la máquina en régimen estacionario mediante la utilización del software en EES (Engineering Equation Solver). En primer lugar, se realiza un ciclo básico formado por las ecuaciones que definen los principales curvas características del compresor. Y por último, se finalizó el ciclo al añadir las ecuaciones que definían el funcionamiento del condensador y del evaporador. Por tanto, la modelización desarrollada con el software EES engloba el funcionamiento de todos los dispositivos que componen la enfriadora. Dicho modelo sirve para estudiar el funcionamiento de la enfriadora en su rango de trabajo. Para probar la validez del modelo aunque varíen las condiciones respecto a las nominales, se ha puesto en funcionamiento real la enfriadora para la toma de datos tales como presiones de alta y de baja, temperatura máxima del ciclo, caudales de agua, el recalentamiento y el subenfriamiento del refrigerante, y la temperatura de entrada y salida del agua en ambos intercambiadores. Posteriormente con ayuda de la simulación, se comparan los resultados teóricos y prácticos, analizando los puntos fuertes y débiles del modelo desarrollado. Por último y a la vista de los resultados, se proponen una serie de mejoras con el fin de mejorar la eficiencia y el funcionamiento del circuito. Las propuestas consisten en la incorporación de un separador de aceite y un intercambiador intermedio. Tras realizar un estudio exhaustivo y una selección de estos componentes, se lleva a cabo una nueva simulación basada en la anterior, la cual incluye el intercambiador intermedio. Se comprueba que la hipótesis de mejora era correcta, ya que la adición de estos dispositivos es un beneficio para la enfriadora, al aumentar su rango de operación y su eficiencia energética.