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Estudio del comportamiento de un sistema de refrigeración solar con disipación híbrida Memoria PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERÍA INDUSTRIAL (Mención: Energía y tecnología de calor y fluidos) AUTOR: ÓSCAR UNZUETA JOVEN DIRECTOR: CARLOS MONNÉ BAILO Zaragoza, Febrero de 2012 1/2 Resumen _______________________________________________________________________ 5 Resumen El presente proyecto se engloba dentro del ámbito de la ingeniería industrial. Es un proyecto ofertado por el Área de Máquinas y Motores Térmicos de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de Zaragoza. Se basa en el estudio de una instalación de refrigeración solar situada en el campus universitario San Francisco. El principal elemento de la instalación es una máquina de absorción de la casa Rotártica. La instalación consta, también con un sistema híbrido de disipación de calor. Se han recogido los datos registrados en la instalación durante el verano de 2011, cuando la instalación estuvo en funcionamiento. Siguiendo una metodología de trabajo, toda la información registrada ha sido cribada, clasificada y expuesta mediante gráficas a para su posterior análisis. La memoria incluye una comparativa entre los datos obtenidos durante este último año con los datos obtenidos en años anteriores (2007, 2008 y 2009). Se muestra también una diferenciación según la forma de disipar el calor; sistema con aerotermo o sistema geotérmico. Por otro lado, se ha estudiado el arranque de la máquina de absorción, haciendo hincapié en diversos términos tales como la evolución de las temperaturas, los tiempos de respuesta, arranque en día nublado, arranque en día soleado… También se ha forzado a la instalación a trabajar bajo posibles fallos de control, principalmente problemas de impulsión. Se han analizado los resultados obtenidos bajo este tipo de situaciones. Gracias a esta experimentación, se ha podido entender mejor el funcionamiento de la instalación y puede servir en un futuro para detectar problemas de funcionamiento. Asimismo, a lo largo de toda la memoria se sugieren cambios y/o mejoras para futuros estudios de la instalación. Palabras clave: refrigeración solar, disipación híbrida, sistema geotérmico, ciclo de absorción… Abstract _______________________________________________________________________ 6 Abstract The current project is included in the scope of industrial engineering. It is a project launched by de Area of Machines and Thermal Engines of the College of Engineering and Architecture of the University of Zaragoza. It is based on the study of a solar cooling installation placed at the San Francisco university campus. The main part of the installation is an absorption chiller from Rotártica firm. Furthermore, it consists of a hybrid system of heat dissipation. The data of the installation was recorded in summer of 2011, when the installation was working on. Following a working methodology, the entire recorded information has been sifted, sorted, and plotted for its later analysis. The report includes a comparison between the data obtained during the last year and the data obtained in previous years (2007, 2008 and 2009). A differentiation between aerothermal and geothermal system is shown according to the way the heat is dissipated. In addition, the absorption machine starting has been analyzed, focusing on several terms such as temperature development, response timing, cloudy and sunny day starting… Furthermore the installation has been tested to work under possible control failures, mainly pumping problems. The results obtained under this scenario have been analyzed. Thanks to this experimentation, the equipment operation is understood and it will be able to serve in a future for detecting operation failures. Finally, throughout all the report, further changes and/or improvements are suggested for future research of the installation. Key words: solar cooling, hybrid dissipation, geothermal system, absorption cycle… Índice _______________________________________________________________________ 7 Índice Índice de figuras ............................................................................................................... 9 Índice de tablas .............................................................................................................. 10 1. Introducción 1.1. Concepto de refrigeración solar ...................................................................... 13 1.2. Descripción de la máquina de absorción ......................................................... 14 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar 2.1. Circuito solar primario ..................................................................................... 18 2.2. Circuito secundario .......................................................................................... 18 2.3. Circuito de refrigeración del gimnasio ............................................................ 19 2.4. Circuito de disipación con aerotermo ............................................................. 19 2.5. Circuito de disipación geotérmico ................................................................... 19 2.6. Circuito auxiliar de aporte de calor ................................................................. 20 2.7. Sistema de control, regulación y monotorización ........................................... 20 3. Metodología de trabajo 3.1. Adquisición de datos ....................................................................................... 25 3.1.1. Unidad Rotártica .................................................................................... 25 3.1.2. Resto de la instalación ........................................................................... 26 3.2. Metodología de tratamiento de datos ............................................................ 26 3.2.1. Selección de datos ................................................................................. 26 3.2.2. Plantilla de variables .............................................................................. 27 3.2.3. Determinación del periodo estacionario .............................................. 30 3.2.4. Realización de graficos .......................................................................... 31 3.3. Análisis y conclusiones .................................................................................... 32 4. Puesta a punto de la instalación 4.1. Comprobación del funcionamiento de las sondas .......................................... 33 4.2. Otros ajustes .................................................................................................... 34 5. Análisis de la instalación 5.1. Introducción .................................................................................................... 37 5.2. Comparatica del funcionamiento de la instalación en 2011 con años anteriores ................................................................................................................ 37 5.2.1. Caudales ................................................................................................ 37 5.2.2. COP vs W disipación .............................................................................. 38 5.2.3. COP vs W refrigeración .......................................................................... 39 Índice _______________________________________________________________________ 8 5.2.4. W refrigeració vs W generador ............................................................. 40 5.2.5. COP vs Tª ambiente ............................................................................... 41 5.2.6. COP vs Teg .............................................................................................. 43 5.2.7. Caudal de pozo. 49 l/min vs 95 l/min .................................................... 44 5.2.8. W refrigeración vs W disipación vs W generador ................................. 46 5.3. Conclusiones .................................................................................................... 48 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica 6.1. Descripción temporal del arranque de la unidad Rotártica ............................ 51 6.2. Temperaturas máximas de entrada al generador ........................................... 53 6.3. Comparativa. Arranque nublada frente arranque estandar ........................... 53 6.4. Tiempos de respuesta. Aerotermo frente a geotérmica ................................. 56 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos pincipales 7.1. Supresión de caudal de disipación y de generador ......................................... 57 7.1.1. Durante el bloqueo de Rotártica. Refrigeración ................................... 59 7.1.2. Durante el bloqueo de Rotártica. Disipación y generador .................... 59 7.1.3. Tras el bloqueo de Rotártica ................................................................. 60 7.2. Supresión de caudal de disipación y de fancoils ............................................. 60 7.2.1. Durante el bloqueo de Rotártica. Generador ....................................... 61 7.2.2. Durante el bloqueo de Rotártica. Disipación y refrigeración ................ 62 7.2.3. Tras el bloqueo de Rotártica ................................................................. 63 7.2.4. Pérdidas de carga en el generador de Rotártica ................................... 63 7.3. Oscilación en la impulsión del circuito secundario por error de vibración ..... 66 8. Conclusiones generales y líneas de futuro 8.1. Conclusiones generales ................................................................................... 71 8.2. Líneas de futuro ............................................................................................... 72 Bibliografía ..................................................................................................................... 75 Índice de figuras y tablas _______________________________________________________________________ 9 Índice de figuras 1. Introducción Figura 1.1 Radiación solar y demanda de frío anual ............................................... 13 Figura 1.2 Esquema del ciclo de compresión .......................................................... 14 Figura 1.3 Esquema del ciclo de absorción de simple efecto.................................. 15 Figura 1.4 Componentes principales del ciclo rotativo de absorción (Rotártica) ... 16 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar Figura 2.1 Subsistemas de la instalación de refrigeración solar ............................. 17 Figura 2.2 Plano detallado del sistema de disipación geotérmico .......................... 19 Figura 2.3 Izquierda: Armario de control y regulación de la instalación. Derecha: Display Siemens ....................................................................................................... 21 Figura 2.4 Localización de sondas y principales actuadores presentes en la instalación ................................................................................................................ 21 3. Metodología de trabajo 4. Puesta a punto de la instalación Figura 4.1 Electroválvula V3-09 (Circuito secundario) ............................................ 34 5. Análisis de la instalación Figura 5.1 Valores estacionarios del COP frente a la potencia de disipación ......... 38 Figura 5.2 Valores estacionarios del COP frente a la potencia de refrigeración .... 39 Figura 5.3 Valores estacionarios de la potencia de refrigeración frente a la potencia del generador ........................................................................................... 40 Figura 5.4 Valores estacionarios del COP frente a la temperatura ambiente ........ 41 Figura 5.5 Valores estacionarios del COP frente a la temperatura de entrada al generador ................................................................................................................ 43 Figura 5.6 Esquema del sistema de disipación geotérmico .................................... 44 Figura 5.7 Valores estacionarios de la potencia de refrigeración frente a las potencias de disipación y generador ....................................................................... 46 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica Figura 6.1 Fases de las temperaturas de Rotártica durante el arranque ................ 51 Figura 6.2 Evolución temporal de las temperaturas de Rotártica. Día nublado ..... 54 Figura 6.3 Evolución temporal de las temperaturas de Rotártica. Día soleado ...... 54 Figura 6.4 Temperaturas del primario y secundario durante el arranque. Día nublado .................................................................................................................... 55 1. Introducción _______________________________________________________________________ 16 potencia eléctrica de la bomba. Por esta razón, al conjunto de estos cuatro elementos se le denomina comúnmente compresor térmico. La máquina de absorción objeto de análisis del presente proyecto instalada en el SAD de la Universidad de Zaragoza es una máquina producida por el fabricante Rotártica. Se trata de una tecnología de refrigeración solar mediante un ciclo de absorción H2O/LiBr, donde el agua hace de refrigerante y el bromuro de litio de absorbente. La peculiaridad de esta unidad reside en el hecho de que los cuatro elementos del ciclo se encuentran situados en un tambor que gira a unas revoluciones, como se detalla en la Figura 1.4. Con este giro se persigue una mejor transferencia de calor y masa y la consiguiente mejora en los procesos de absorción. Figura 1.4 Componentes principales del ciclo rotativo de absorción (Rotártica) 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar _______________________________________________________________________ 17 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar La instalación objeto de análisis del presente proyecto se encuentra en el edificio del Servicio de Actividades Deportivas (S.A.D.), propiedad de la Universidad de Zaragoza. Las principales dependencias del mismo son un polideportivo, un gimnasio, un conjunto de oficinas y diversos vestuarios. En el año 2004 se instaló en el edificio una serie de colectores solares para abastecer parte de la demanda de ACS. Al haber dimensionado los colectores para el invierno, durante el periodo estival estos sufrían problemas de sobrecalentamiento debido a las altas temperaturas que alcanzaba el fluido calo-portador. Por ello, el origen de la instalación de refrigeración solar nace de la idea de aprovechar el exceso de energía solar captada por los colectores ya instalados durante el verano, así como evitar el sobrecalentamiento que se venía observando en los propios captadores. Se puede dividir el sistema de refrigeración solar en 7 grandes subsistemas como se observa en la Figura 2.1: Figura 2.1 Subsistemas de la instalación de refrigeración solar 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar _______________________________________________________________________ 18 2.1. Circuito solar primario Durante el verano, de los 85 m2 de colectores solares planos que el edificio del SAD tiene instalados, se destinan 37,5 m2 para abastecer los requerimientos de la máquina de absorción. Los captadores solares son de la marca Viessmann, modelo Vitosol 100. El campo tiene un azimut de 0º y una inclinación de 40º con respecto a la horizontal. La energía captada por los colectores solares es transmitida al circuito secundario mediante un intercambiador de calor de 34 kW de la marca Sedical, modelo UFPB - 41/32H. El resto del circuito está formado por una bomba hidráulica de la marca Grundfos, modelo UPS 40-185 F, encargada de bombear el fluido por el circuito solar primario. Para no tener problemas con la congelación del fluido calo-portador de los colectores solares durante el invierno, éste está compuesto por una mezcla de agua y Tyfocor HTL al 30%. Con objeto de que la instalación no sufra daños debido a la dilatación del fluido al variar su temperatura, se ha dotado a la misma de un vaso de expansión de 180 litros. 2.2. Circuito secundario Este circuito es el encargado de transmitir la energía solar captada en los colectores solares al generador de Rotártica. El primer elemento que encontramos en el circuito secundario es el intercambiador de calor ya mencionado en el apartado anterior. En él, se intercambia la energía solar que lleva el fluido calo-portador de los colectores. Esta energía es conducida al generador de la unidad Rotártica en caso de que la misma requiera de un aporte de energía. En caso de no ser así, hay instalado un acumulador de la marca Vitrex de 700 litros de capacidad, encargado de almacenar la energía solar captada sobrante y con ello solucionar el posible desfase existente entre la oferta solar y la demanda de refrigeración. Hay instaladas dos bombas de la marca Grundfos, modelo UPS 32-80 las cuales bombean un caudal de 1,35 m3/h a una altura de 4 mca. La primera de ellas es la encargada de conducir el agua o bien a la máquina de absorción, o bien al acumulador. La segunda de ellas se encarga de impulsar el agua del acumulador a la unidad Rotártica en caso de que fuera necesario. El último elemento significativo del circuito secundario es el generador de la propia unidad Rotártica, de la que ya se ha hablado en apartados anteriores (1.2). 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar _______________________________________________________________________ 19 2.3. Circuito de refrigeración del gimnasio Los principales componentes del circuito de refrigeración del gimnasio son dos fancoils de la marca Ciatesa, modelo Concept FMOG 07. Ambos fancoils son los encargados de acondicionar la sala de musculación mediante el enfriamiento del aire de la propia sala. Este aire es enfriado gracias a la corriente de agua fría producida por la máquina de absorción en el evaporador. El caudal nominal de aire proporcionado por cada fancoil es de 970 m3/h. La bomba de la marca Grundfos que impulsa el agua de este circuito es parte de la unidad de Rotártica. 2.4. Circuito de disipación con aerotermo Dentro de la máquina de absorción, tanto el absorbedor como el condensador requieren de la evacuación de calor. El circuito de disipación es el encargado de ceder esta energía al entorno. El principal componente de este circuito es un aerotermo facilitado por Rotártica, el cual se encuentra en el tejado del edificio. Este aerotermo actúa como si se tratase de una torre de refrigeración seca, en la cual se refrigera el agua proveniente de la máquina de absorción mediante una corriente de aire. 2.5. Circuito de disipación geotérmico Uno de los principales resultados obtenidos en estudios realizados a la instalación en años anteriores, fue la demostración de la fuerte relación existente entre el COP de la enfriadora con la temperatura exterior. Debido a esto, se pensó en la posibilidad de instalar otro sistema de disipación de calor cuya temperatura fuera más estable y más baja que la temperatura ambiente para el periodo estival. Tras varios estudios técnicos y económicos se acabó por instalar en 2009 un circuito de disipación geotérmico que se muestra en la Figura 2.2, aprovechando el agua existente en un aljibe de riego situado a unos 190 metros del edificio. Este pozo de agua que posee una capacidad de unos 25 m3, es utilizado para regar las zonas verdes colindantes al aljibe. Esto hace que por las mañanas, que es cuando se efectúa el riego, la temperatura del aljibe se mantenga constante en torno a los 26 ºC Figura 2.2 Plano detallado del sistema de disipación geotérmico 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar _______________________________________________________________________ 20 frente a los 31.4 ºC de media que se obtenían de temperatura ambiente en Zaragoza en el mes de Agosto. El encargado de hacer circular el agua del pozo por el sistema de disipación es una bomba Grundfos, modelo SP5A-8 de 3,6 m3/h a una altura de 40 mca. El agua del pozo pasa por un intercambiador agua/agua de 20 kW de la marca Sedical, modelo UFP-30/25H, situado en el tejado del edificio, absorbiendo el calor del circuito proveniente de máquina de absorción, más concretamente del absorbedor y del condensador. Tras este intercambiador, el agua retorna al aljibe de riego. Como ya se ha dicho, el pozo se encuentra a 190 metros del edificio. Por esta razón, se aprovechó esta circunstancia para diseñar e instalar un intercambiador geotérmico horizontal. El objetivo de este intercambiador es el de evacuar parte del calor por contacto directo con el terreno, y así mejorar la capacidad disipativa del sistema. Para ello, se instalaron en el circuito de retorno al aljibe, tres tuberías enterradas de 32 mm de diámetro y 90,5 metros de longitud (Figura 2.2) en lugar de una única tubería. El último elemento significativo es una válvula de 3 vías, 2 posiciones encargada de direccionar según convenga el agua a cada uno de los dos circuitos de disipación de calor (aerotermo o geotérmico). De esta manera la instalación cuenta con un sistema híbrido de disipación de calor, ampliando así las posibilidades de análisis de la misma. 2.6. Circuito auxiliar de aporte de calor Para aquellos momentos en los cuales la energía solar captada no fuese suficiente para abastecer a la máquina de absorción, el sistema de calderas de gas del SAD sería el encargado de aportar la energía requerida. Para ello se acopló dicho sistema de calderas con la instalación de refrigeración solar. Debido a que la instalación es de carácter experimental, en ningún momento se ha hecho uso de este sistema auxiliar de aporte energético, utilizando únicamente la energía captada por los colectores solares. 2.7. Sistema de control, regulación y monitorización El sistema de control, regulación y monitorización está formado principalmente por un autómata, una serie de sondas y otros componentes como sensores o actuadores. Autómata El principal elemento del sistema es un autómata programable de la marca Siemens, modelo BPZ-PXC52. Este autómata es el encargado de gobernar la instalación de refrigeración solar. Por toda la instalación hay una serie de sondas y sensores con los cuales el autómata puede controlar y monitorizar todo el proceso. Estas sondas y 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar _______________________________________________________________________ 21 sensores mandan la información necesaria para que el autómata decida qué hacer con la instalación en cada momento. El autómata se puede controlar de dos maneras:  Mediante un display de la marca Siemens modelo, BPZ-PXM20 situado en la puerta del armario mostrado en la Figura 2.3.  Mediante un controlador web de Siemens modelo BPZ XG 80-WN asociado a una dirección IP accesible desde cualquier lugar con una conexión a internet. El funcionamiento de este controlador está detallado en el Anexo A. Sondas Existen 29 sondas que monitorizan toda la instalación tal y como muestra la Figura 2.4. Cada sonda da su lectura en ºC (temperatura), en m3/h (caudal), en % (humedad relativa) y en W/m2 (radiación solar). Figura 2.4 Localización de sondas y principales actuadores presentes en la instalación Figura 2.3 Izquierda: Armario de control y regulación de la instalación. Derecha: Display Siemens 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar _______________________________________________________________________ 22 Se pueden dividir las distintas sondas en dos grandes grupos:  Las sondas cuya lectura está plasmada en un contador (sondas SC): Sonda Medida Unidades SC-01 Temperatura de impulsión del circuito primario ºC SC-02 Temperatura de retorno del circuito primario ºC SC-03 Temperatura de impulsión del circuito secundario ºC SC-04 Temperatura de retorno del circuito secundario ºC SC-05 Temperatura de impulsión a fancoils ºC SC-06 Temperatura de retorno de fancoils ºC Tabla 2.1 Instrumentación del sistema de control, regulación y monitorización (1/2)  Las sondas cuya lectura va directamente al ordenador Siemens (sondas SE): Sonda Medida Unidades SE-01 Temperatura de entrada a la caldera ºC SE-02 Temperatura de salida de la caldera ºC SE-03 Temperatura de entrada al acumulador ºC SE-04 Temperatura de salida del acumulador ºC SE-05 Temperatura intermedia de impulsión del circuito secundario ºC SE-06 Temperatura intermedia de retorno del circuito secundario ºC SE-07 Temperatura de salida de colectores ºC SE-08 Temperatura de entrada a colectores ºC SE-09 Temperatura exterior ºC SE-10 Temperatura de la sala de musculación ºC SE-11 Caudal del circuito primario m3/h SE-12 Caudal del circuito secundario m3/h SE-13 Caudal del circuito de fancoils m3/h SE-14 Radiación solar W/m2 SE-15 Humedad relativa exterior % SE-16 Temperatura de la superficie del colector ºC SE-17 Temperatura del aljibe de agua ºC SE-18 Temperatura de salida del aljibe ºC SE-19 Temperatura de retorno al aljibe ºC SE-20 Temperatura antes de disipación por el terreno ºC SE-21 Temperatura caliente del intercambiador geotérmico ºC SE-22 Temperatura fría del intercambiador geotérmico ºC SE-23 Temperatura exterior (bis) ºC Tabla 2.2 Instrumentación del sistema de control, regulación y monitorización (2/2) Aparte de la instrumentación mencionada, la propia unidad de Rotártica tiene instaladas una serie de sondas de temperatura que controlan tanto la entrada como la salida de los tres circuitos de la máquina de absorción, así como tres caudalímetros. Estos datos, junto con alguno más como presiones, vibración o velocidad de giro… que definen el funcionamiento de la enfriadora, son almacenados por un software propio y exclusivo de Rotártica. 2. Descripción de la instalación de refrigeración solar _______________________________________________________________________ 23 Actuadores y sensores Los últimos elementos que forman parte del sistema de regulación, control y monitorización son un conjunto de actuadores y sensores finales de carrera. Estos forman parte de las electroválvulas situadas por toda la instalación de refrigeración. El autómata recibe información tanto de los sensores como de las sondas y con esta información es capaz de mandar las señales necesarias para que los actuadores conmuten a otra posición si fuese necesario para el correcto funcionamiento de la instalación. 3. Metodología de trabajo _______________________________________________________________________ 25 3. Metodología de trabajo Cuando se trabaja en procesos de investigación es muy recomendable el crear una metodología de trabajo. Metodología de trabajo es sinónimo de saber qué operaciones hacer y en qué orden; marcar una serie de pautas para que la persona encargada de realizar la investigación las ejecute de manera más o menos sistemática. Seguir un método se traduce al final en agilizar el trabajo, ahorrar tiempo y no cometer errores. Deja de ser recomendable y pasa a ser prácticamente imprescindible, si en la tarea que se está llevando a cabo, se trabaja con un número grande de variables o de datos. Recordar que la instalación que aquí se está estudiando registra unos 22.000 datos diarios. Por tanto, el objetivo de este apartado no es otro que el de dar una visión global acerca de cómo trabajar con esta instalación y con todas las lecturas registradas. 3.1. Adquisición de datos La mayor parte de los datos registrados en la instalación son trabajados con hojas de cálculo Microsoft Excel, ya que es un software de fácil acceso y manejabilidad. En este apartado 3.1 se va a describir qué pasos son necesarios seguir para volcar todos los datos en este tipo de archivos. 3.1.1. Unidad Rotártica Como ya se adelantó, Rotártica cuenta con instrumentación propia, aparte de la existente por el resto de la instalación. Todos los registros corresponden a variables internas de la máquina de absorción (temperatura, caudal, presión, vibración, velocidad de giro…). El programa DEMO_test_tar, desarrollado por Rotártica, es el encargado de generar cada día un fichero dónde se almacenan dichas lecturas. Se registran valores cada 20 segundos. Dicho fichero tiene extensión “.fu”, no legible con un software tradicional y es guardado en un ordenador situado en la misma sala donde se encuentra la máquina de absorción con el siguiente nombre: 3. Metodología de trabajo _______________________________________________________________________ 32  El COP y las potencias intercambiadas en generador, evaporador y grupo absorbedor/condensador frente al tiempo. Con este tipo de gráfico se puede analizar cómo evoluciona un conjunto de variables a lo largo de un día determinado. Gráfico TIPO 3 Los gráficos de TIPO 3 se construyen de la misma manera que los gráficos de TIPO 1 con una única diferencia. Esta vez sólo se representan los datos correspondientes al periodo estacionario. Gráfico TIPO 4 Este tipo de gráfico sirve para analizar la dependencia existente entre dos variables. Para construirlo hay que representar los valores medios estacionarios de una variable frente a los de la otra. De esta manera, cada día estará representando por un punto en el gráfico. En lugar de un gráfico TIPO 4, se puede construir una variante del mismo representando de forma tridimensional tres variables para observar las dependencias existentes entre ellas. Su análisis puede llevarse a cabo, aunque requiere una visión espacial mayor que la necesaria para analizar un gráfico bidimensional. 3.3. Análisis y conclusiones El objetivo final de representar las lecturas registradas es analizar y comparar los diferentes funcionamientos que ha presentado la instalación. Gracias al análisis de los gráficos, se pueden observar las diferentes dependencias existentes entre variables, así como determinar su importancia dentro del funcionamiento global de la instalación. Se pueden obtener también líneas de tendencia o correlaciones empíricas entre variables. Para realizar un estudio completo es conveniente obtener una serie de conclusiones que traten de sintetizar todo lo anterior. Estas conclusiones deben contener las ideas principales que se han ido desarrollando durante el análisis. Gracias a ellas, el futuro lector del estudio podrá entender mejor el trabajo realizado y particularizando en nuestro caso podrá entender mejor el funcionamiento de un ciclo de absorción y su aplicación dentro del campo de la refrigeración solar. 4. Puesta a punto de la instalación _______________________________________________________________________ 33 4. Puesta a punto de la instalación 4.1. Comprobación del funcionamiento de las sondas La instalación objeto de análisis es de carácter experimental y por ello para el correcto desarrollo del proyecto, las temperaturas y caudales que hay en la instalación deben ser registradas con la mayor precisión posible. Por esta razón, cada sonda de la instalación debe dar una lectura precisa de aquello que este midiendo. En caso contrario, dicha sonda debería ser sustituida por otra nueva, con objeto de obtener datos reales del funcionamiento de la instalación. Debido a esto, durante la primera semana de Julio de 2011 se comprobó el correcto funcionamiento de aquellas sondas que se consideraron más relevantes en la instalación. La comprobación se hizo mediante la comparación de las lecturas de cada sonda con las medidas realizadas in-situ con un multímetro digital de la marca Fluke, modelo 179. Dicho multímetro presenta una precisión de ±1%. Las sondas son del tipo NTC, es decir, basan su lectura en la variación de la resistividad de un semiconductor. Las características más relevantes de las sondas, así como la hoja de especificaciones del multímetro se pueden consultar en el Anexo B. Las gráficas de los datos recogidos para estas comprobaciones se pueden consultar también en el citado anexo, y determinan lo siguiente:  La desviación media obtenida entre todas las mediciones de sonda y multímetro es de 0,95 ºC.  Las dos sondas en las que más desviación se ha encontrado entre las dos lecturas son la SE-19 y la SC-04 con 1,4 ºC y 1,9 ºC de desviación máxima respectivamente. Las desviaciones encontradas pueden deberse a diferentes factores:  Las medidas obtenidas con el multímetro se realizan sobre las tuberías y no sobre la propia corriente de fluido como lo hace la sonda. Esto hace que en muchas ocasiones con el multímetro se obtengan medidas a la baja.  También se ha podido cometer alguna desviación dado que no todas las tuberías eran igual de accesibles; algunas se encuentra bajo arquetas o están entre tuberías a más de 80 ºC…  Tanto las sondas SE como el multímetro tienen una resolución de 0,1 ºC mientras que las sondas SC vuelcan a los ficheros temperaturas con resolución de 1 ºC. Eso puede dar lugar también a mayores diferencias entre multímetro y sondas SC. 4. Puesta a punto de la instalación _______________________________________________________________________ 34 Tras analizar las mediciones efectuadas, se consideró el no sustituir ninguna de las sondas y continuar trabajando con la instrumentación ya instalada puesto las diferencias obtenidas se encontraban dentro de rangos razonables. 4.2. Otros ajustes Durante alguno de los primeros días del mes de Julio se vino observando que la máquina de absorción no arrancaba. Tras un análisis exhaustivo del circuito hidráulico y de su regulación, se detectó un problema proveniente de la electroválvula V3-09 (Figura 4.1). Esta electroválvula, que es la encargada de conducir el agua caliente del circuito secundario o bien a la enfriadora o bien al acumulador, se quedaba atascada en la posición “A acumulador”. Se procedió a desmontar la misma y direccionarla hacia Rotártica de forma manual. Dado el carácter experimental de la instalación, no es un problema que la electroválvula esté anclada de forma manual, ya que lo que interesa para el desarrollo del proyecto no es el funcionamiento de la máquina con el uso del acumulador. Otra de las tareas previas que se hizo durante los primeros días de funcionamiento de la instalación de refrigeración solar fue el comprobar si se producían fugas. Uno de los indicios era la pérdida de presión que se producía en el circuito secundario. Se utilizó una cámara termográfica para observar aquellos tramos de la tubería rodeados con aislante. Se encontraron dos fugas, las cuales el servicio técnico del SAD solucionó con posterioridad. Figura 4.1 Electroválvula V3-09 (Circuito secundario) 4. Puesta a punto de la instalación _______________________________________________________________________ 35 La instalación seguía perdiendo presión. La causa era un purgador situado en la azotea del edificio por el cual salía bastante agua. Se procedió a sustituir dicho purgador y a partir de entonces la instalación dejó de perder presión de forma significativa. Durante el periodo de funcionamiento de la instalación, se observó que la máquina se bloqueaba dando error de vibración. Esta situación se produce cuando el sensor de vibración que Rotártica tiene instalado en el tambor de la enfriadora supera un valor umbral de 3mm/s. Se pensó que la máquina se bloqueaba por que los caudales que circulaban por el tambor no estaban equilibrados, y por tanto ese desequilibrio provocaba un exceso de vibración en el eje. Para solucionar el problema se procedió a regular los caudales que circulaban por la máquina mediante la estrangulación de válvulas aguas arriba de la enfriadora. Tras el reajuste de los caudales se solucionó el problema de la vibración. 5. Análisis de la instalación _______________________________________________________________________ 37 5. Análisis de la instalación 5.1. Introducción Durante los meses de Julio y Agosto de 2011 la instalación de refrigeración solar estuvo en funcionamiento. En este periodo se realizó un seguimiento de la instalación a la vez que se obtuvieron los registros de las variables que gobiernan el sistema. Por problemas técnicos, no se obtuvo un número amplio de días con posibilidad de estudio durante el periodo estacionario. La principal meta del presente apartado es la de comparar los días válidos obtenidos en 2011 con los de años anteriores (2007, 2008 y 2009). Como se verá a continuación, se han obtenido unos resultados, parcialmente diferentes a los de otros veranos. 5.2. Comparativa del funcionamiento de la instalación en 2011 con años anteriores Para poder realizar la comparativa, se irán mostrando un conjunto de gráficos de TIPO 4. En todos ellos se ha realizado una diferenciación según el sistema de disipación utilizado, pudiendo darse los siguientes casos:  Sistema de disipación con aerotermo  Sistema de disipación geotérmico con 49 l/min de caudal de pozo  Sistema de disipación geotérmico con 95 l/min de caudal de pozo 5.2.1. Caudales En 2011, el sistema de disipación utilizado fue el geotérmico con un caudal de pozo de 95 l/min. Durante parte del verano de 2009, también se utilizó este sistema de evacuación de calor. La lógica invita a comparar los nuevos datos, con los obtenidos en 2009 para el mismo sistema de disipación. No obstante, hay que tener en cuenta que los tres caudales de agua de la enfriadora difieren de un año para otro. En la siguiente tabla se recogen los caudales medios para aquellos días en los que se usó el mismo sistema de refrigeración (geotérmica 95 l/min). Año Qdisipación (l/min) Qgenerador (l/min) Qfancoils (l/min) 2009 33,373 17,258 21,178 2011 27,530 16,187 22,784 Tabla 5.1 Caudales de Rotártica con disipación geotérmica 95 l/min. Valores medios 5. Análisis de la instalación _______________________________________________________________________ 38 La instalación que se está estudiando no es un banco de pruebas en el cual se mantienen constantes los parámetros de la instalación que se consideran oportunos, variando únicamente las variables que interesa estudiar. Al tratarse de una instalación real, el comportamiento de la misma y el de todos sus parámetros varía casi diariamente. Es por ello que a la hora de analizar la instalación no se debe estudiar una pareja de variables de forma individual y obviar el resto de parámetros. Por ello, a partir de ahora, habrá que tener en cuenta las siguientes consideraciones acerca de los caudales:  El caudal de disipación es un 17,3% menor que hace dos años.  El caudal del generador también ha disminuido aunque no de manera tan notoria como el de disipación, tan sólo un 6,2%.  El caudal de refrigeración es el único que ha aumentado en un 7,6%. 5.2.2. COP vs W disipación En la Figura 5.1 se representa la dependencia existente entre COP de nuestra máquina y la potencia que se disipa en el ciclo de absorción. Se muestra la evidencia de que el COP de la máquina depende en gran medida de la cantidad de calor que nuestro sistema disipativo sea capaz de evacuar. A mayor calor disipado al entorno, mejor COP se obtiene de la máquina enfriadora, tanto para el sistema de disipación con aerotermo como para el sistema de disipación geotérmico. Comparando los registros de 2009 y 2011 para el mismo sistema de disipación (geotérmico 95 l/min), podemos concluir lo siguiente: Figura 5.1 Valores estacionarios del COP frente a la potencia de disipación 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 8 10 12 14 16 18 COP Wdis (kW) Aerotermo Geo 49 l/min Geo 95 l/min 2009 Geo 95 l/min 2011 Aerotermo Geo 49 l/min Geo 95 l/min 5. Análisis de la instalación _______________________________________________________________________ 39  Los niveles de potencia obtenidos en el último periodo estival son notablemente inferiores. Se puede encontrar una explicación a este resultado, basándose en los datos registrados. Durante ambos veranos, el salto de temperaturas que tuvo lugar en el grupo absorbedor/condensador fue muy similar, rondando los 5.4 ºC. Sin embargo, como ya se ha comentado, el caudal de disipación en 2011 fue un 17,3% menor. Ante la misma variación de temperaturas, se alcanzará mayor nivel de potencia cuando más caudal circule por el circuito de disipación; en nuestro caso en 2009.  A pesar de obtener niveles de potencia diferentes, la línea verde muestra como los COP`s obtenidos durante ambos veranos siguen la misma tendencia. A mayor capacidad disipativa, mayor rendimiento se obtiene de la máquina enfriadora. 5.2.3. COP vs W refrigeración En la Figura 5.2 se encuentra representado el COP de la instalación frente a la potencia de refrigeración. De antemano cabe esperar que el COP aumente con la energía intercambiada en el evaporador, puesto que ambas variables son directamente proporcionales según la definición del COP: La tendencia es la misma para los tres sistemas de refrigeración. Focalizando la atención en el sistema de disipación geotérmico (95 l/min), se puede observar lo Figura 5.2 Valores estacionarios del COP frente a la potencia de refrigeración 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 COP Wref (kW) Aerotermo Geo 49 l/min Geo 95 l/min 2009 Geo 95 l/min 2011 Aerotermo Geo 45 l/min Geo 95 l/min 5. Análisis de la instalación _______________________________________________________________________ 40 siguiente. Nuevamente, los datos obtenidos en 2009 y 2011 están alineados y sin mucha dispersión con respecto a su línea de tendencia (línea verde). Y de nuevo son los datos de este último año los que presentan niveles de potencia inferiores, más propios de un caudal de pozo de 49 l/min. No por haber un 7,6% más de caudal en el circuito de fancoils en 2011, la potencia intercambiada en el evaporador va a aumentar con respecto a la de 2009. Sería de esta manera en el supuesto que los caudales de generador y disipación también hubieran acompañado esta tendencia, es decir hubieran crecido de la misma manera. Al haber tenido menor caudal de generador se ha perdido parte del calor que acciona el ciclo de absorción y al tener también menor caudal de disipación no somos capaces de evacuar la misma potencia. Por estas razones el ciclo de absorción en 2011 no funciona a los niveles de potencia de 2009. Consecuencia de esto es que la diferencia de temperaturas existente entre la entrada y salida del evaporador ha disminuido este último año para compensar el efecto de aumento de caudal. 5.2.4. W refrigeración vs W generador En la Figura 5.3 se representa la potencia útil de refrigeración frente a la potencia intercambiada en el generador. El propósito de este apartado es el de destacar la importancia que la potencia del generador tiene en el resultado último de la instalación, que es la producción de frío. Figura 5.3 Valores estacionarios de la potencia de refrigeración frente a la potencia del generador 0 1 2 3 4 5 6 7 6 7 8 9 10 11 Wref (kW) Wgen (kW) Aerotermo Geo 49 l/min Geo 95 l/min 2009 Geo 95 l/min 2011 Aerotermo Geo 49 l/min Geo 95 l/min 5. Análisis de la instalación _______________________________________________________________________ 41 En apartados anteriores se ha hecho hincapié en el papel que la evacuación de calor tiene en el rendimiento de la máquina. Pero lógicamente, si no se está aportando energía a través del circuito secundario es irrelevante que el sistema de evacuación de calor esté capacitado para disipar al entorno grandes cantidades de energía. Dicho esto, la relación existente entre ambas variables es la misma para los distintos sistemas de disipación. Cuanto mayor es la potencia proveniente del campo de colectores solares, más frío se estará produciendo en el ciclo de absorción. Valores por encima de la línea de tendencia, corresponden con aquellos días en los cuales se disipó mayor cantidad de calor. Mientras que valores por debajo, corresponden con aquellos días en los cuales la disipación de energía al entorno se produjo con mayor dificultad. Centrando la atención en el sistema de disipación geotérmico (95 l/min), se observa cómo los valores de este último año están en niveles inferiores de potencia, por haber trabajado con caudales menores que los de diseño. A pesar de esto, nuevamente los datos de 2009 y 2011 están alineados y siguiendo la misma línea de tendencia. 5.2.5. COP vs Tª ambiente En la Figura 5.4 está representada la dependencia existente entre el COP de la enfriadora y la temperatura ambiente exterior. En este caso, es necesario realizar un análisis diferente según el sistema de disipación utilizado.  Sistema de disipación con aerotermo: Una temperatura ambiente elevada penaliza el funcionamiento de la enfriadora y por ende el COP de la misma. Figura 5.4 Valores estacionarios del COP frente a la temperatura ambiente 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 23 25 27 29 31 33 35 37 39 COP Tª amb (ºC) Aerotermo Geo 49 l/min Geo 95 l/min 2009 Geo 95 l/min 2011 Aerotermo Geo 49 l/min Geo 95 l/min 5. Análisis de la instalación _______________________________________________________________________ 48 5.3. Conclusiones Problemática de una instalación real La instalación que se está estudiando no es un banco de pruebas en el que se pueda fijar el valor de las variables que se consideren oportunas. Las variables que gobiernan la instalación varían diariamente. Esto complica el análisis de los resultados, ya que es necesario realizarlo de manera global, poniendo especial atención en las comparaciones realizadas. Disminución de los caudales durante el último año Durante 2011 la instalación de refrigeración solar trabajó con el sistema disipativo geotérmico y un caudal de pozo de 95 l/min. Durante ese periodo los caudales de la enfriadora estuvieron por debajo de las condiciones de diseño. Esta es la principal razón por la que los niveles de potencia intercambiada en los tres circuitos de la enfriadora estuvieron por debajo de lo esperado, si comparamos con los resultados del año 2009. Importancia del equilibrio entre las potencias intercambiadas en Rotártica Las tres potencias intercambiadas en el ciclo de absorción deben estar en equilibrio para que el funcionamiento de la máquina no se vea afectado. Si existe un nivel suficiente de energía solar captada pero no se consigue disipar el calor generado al entorno, la potencia de refrigeración se verá afectada. De la misma manera, si la capacidad disipativa del sistema es suficiente pero no hay una oferta solar estable, la potencia útil de refrigeración se verá también penalizada. COP de Rotártica Se han presentado una serie de gráficos TIPO 4 donde se observan las relaciones que alguna de las variables más relevantes en la instalación tienen sobre el COP de Rotártica. Para el sistema de disipación geotérmico con caudal de pozo de 95 l/min se han obtenido las siguientes correlaciones: En ellas se comprueba la poca influencia que Tamb o Teg tienen sobre el rendimiento de la enfriadora vista la pendiente calculada de las rectas. 5. Análisis de la instalación _______________________________________________________________________ 49 Margen de maniobra amplio en disipación La potencia intercambiada en el generador depende mayoritariamente de la oferta solar disponible, eventualidad sobre la cual no podemos actuar. Por el contrario, en el circuito de disipación sí que existe mayor posibilidad de maniobra. Empezando por la elección del tipo de sistema disipativo a utilizar. Con aerotermo, el funcionamiento depende fuertemente de la temperatura ambiente exterior. Con sistema geotérmico, se establece un punto de operación independiente de la temperatura ambiente. Dependiendo de la temperatura exterior se recomienda la utilización de un sistema de disipación u otro. En un principio y partiendo de los datos obtenidos, se ha estimado que la temperatura ambiente que marca la frontera entre la utilización de uno u otro sistema de disipación sea de 30 ºC. Se propone continuar con la obtención de datos en años posteriores con objeto de obtener dicho valor con mayor precisión. Otro posible estudio posterior es el de implementar la instalación para que el autómata derive el agua de disipación a uno u otro sistema en función de la temperatura ambiente exterior. De esta manera, se podría observar el funcionamiento de la instalación a nivel global así como analizar los posibles efectos transitorios producidos por el cambio de sistema disipativo. Relevancia del caudal proveniente del aljibe El caudal de aljibe de agua es una variable clave para la disipación geotérmica. Se ha trabajado con dos caudales diferentes dando mejor resultado el caudal de 95 l/min. Con un caudal más alto, se aumenta la capacidad disipativa del sistema a la vez que aumenta la cuota de calor cedido al terreno con respecto a la total. En este aspecto se podría realizar un estudio de sensibilidad con objeto de obtener el caudal de pozo que optimice el sistema de disipación. 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica _______________________________________________________________________ 51 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica Se ha realizado un estudio comparativo del arranque de Rotártica con los dos sistemas de disipación presentes en la instalación. Para ello, se han escogido una serie de días en los que se ha considerado un arranque estándar y en los cuales la enfriadora arrancó sin problemas. Estos días nos servirán a modo de ejemplo para explicar en los siguientes apartados consideraciones acerca del arranque. Del funcionamiento con aerotermo se han escogido los siguientes días:  11/09/2009  21/09/2009  22/09/2009  23/09/2009 Por otra parte, con disipación geotérmica los días escogidos son los siguientes:  04/07/2011  05/07/2011  06/07/2011  09/08/2011 6.1. Descripción temporal del arranque de la unidad Rotártica La Figura 6.1 muestra, en la evolución de las temperaturas de Rotártica, un zoom más cercano del arranque. Con el apoyo de esta imagen se va a explicar de manera cualitativa las principales fases o eventos significativos de los que consta dicho periodo. Figura 6.1 Fases de las temperaturas de Rotártica durante el arranque 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica _______________________________________________________________________ 52 Para entender el arranque de Rotártica, es necesario conocer previamente la secuencia de accionamiento de bombas y válvulas de la instalación.  Inicialmente, no circula caudal por ningún circuito de la instalación. Cuando la temperatura del campo solar (SE-16) alcanza los 80 ºC más un diferencial de 6 ºC, la bomba del circuito primario se activa, impulsando el fluido calo-portador.  Posteriormente, cuando la temperatura de entrada al intercambiador primariosecundario (SC-01) alcanza los 80 ºC se pone en funcionamiento la bomba del secundario. Al mismo tiempo las bombas de los circuitos de disipación y refrigeración comienzan también a impulsar agua. Pese a haber caudal por los tres circuitos de la enfriadora, los circuitos termodinámicos de la misma están puenteados.  Cuando la temperatura de entrada al generador (Teg) alcanza los 80 ºC, ya se ha alcanzado la temperatura suficiente como para que el ciclo de absorción arranque. Por ello, se desactivan los bypasses de los tres circuitos de Rotártica. Se ha separado el arranque en tres fases diferentes como se observa en la Figura 6.1. Fase 1 Tras el arranque de los caudales, las temperaturas de entrada y salida del generador (Teg y Tsg) se disparan. Durante esta fase, ambas lecturas son idénticas puesto que al no haber temperatura suficiente en el generador, el ciclo de absorción no es capaz de arrancar y por tanto no se intercambia energía en el generador. Además, es durante ésta primera fase cuando la enfriadora está puenteada por lo que entrada y salida del generador coinciden. Las temperaturas del generador, tras un tiempo medio de 17 minutos, alcanzan valores cercanos a los 80 ºC. Las otras cuatro temperaturas permanecen invariantes puesto que, aunque Rotártica ha arrancado, todavía no lo ha hecho el ciclo de absorción. Fase 2 Cuando se alcanzan los 80 ºC en el generador, ya hay temperatura suficiente como para que el ciclo de absorción se inicie. Por ello, Teg y Tsg comienzan a separarse y por tanto a intercambiar energía en el generador. Tras ello, se produce una caída de ambas temperaturas del generador para volver a tener posteriormente otra subida y otra recaída. Estos incrementos y decrementos de temperatura en el generador son debidos a las propias reacciones de absorción que se producen dentro del ciclo. Respecto a las otras cuatro temperaturas, también se observa como cuando las dos temperaturas del generador comienzan a separarse, las demás hacen lo mismo, siguiendo la misma pauta día tras día durante todos los arranques analizados. Es lógico que todas las temperaturas tiendan a separarse a la vez ya que el balance global de energía en el ciclo de absorción debe ser nulo. 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica _______________________________________________________________________ 53 Fase 3 Tras estas dos primeras oscilaciones, las temperaturas del generador se estabilizan alcanzando valores de funcionamiento. El final de esta fase coincide con el inicio de la fase estacionaria definida en el apartado 3.2.3 donde la máquina tiene un funcionamiento estable. Nótese que la gráfica mostrada en este apartado corresponde a un día en el cual el sistema disipativo utilizado fue el geotérmico. No obstante, no se observan diferencias significativas cualitativamente hablando en la evolución temporal de las temperaturas cuando el sistema utilizado es el de aerotermo. En el Anexo C se encuentran para consulta, las gráficas de los otros días estudiados. 6.2. Temperaturas máximas de entrada al generador Como ya se ha adelantado, la temperatura de entrada al generador sufre un primer pico tras el arranque de la máquina. En la siguiente tabla se observan las temperaturas máximas de entrada al generador para los días analizados: Fecha 11/09/2009 21/09/2009 22/09/2009 23/09/2009 Media Teg Aerotermo (ºC) 81,917 82,500 82,021 82,393 82,208 Tabla 6.1 Temperaturas máximas de entrada al generador. Aerotermo Fecha 04/07/2011 05/07/2011 06/07/2011 09/08/2011 Media Teg Geotérmica (ºC) 80,286 81,375 82,407 80,243 81,078 Tabla 6.2 Temperaturas máximas de entrada al generador. Geotérmica Todas las temperaturas registran valores cercanos a los 80 ºC. Esto es debido al hecho de que la consigna que se le ha impuesto a Rotártica para que arranque y habilite por tanto la entrada de caudales ha sido que Teg fuese de 80 ºC. No parece haber diferencias significativas entre el arranque con aerotermo y el arranque con disipación geotérmica. 6.3. Comparativa. Arranque nublado frente arranque estándar A continuación se va a comparar el arranque de la instalación en un día nublado frente al arranque en las mismas condiciones de un día soleado.  La Figura 6.2 corresponde a un día en el que estuvo lloviendo a primeras horas del día y durante la tarde hubo periodos de nubes. Esto dio lugar a una oferta solar inestable. 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica _______________________________________________________________________ 54  La Figura 6.3 corresponde a un día soleado con una radiación registrada dentro de los valores habituales para la época del año en la que se produjo. Se puede observar cómo tras los dos valles típicos en las temperaturas del generador de un arranque estándar, sólo en la primera de las gráficas se observan unas oscilaciones que se amortiguan en el tiempo. Esto provoca que la máquina tarde más en alcanzar el estacionario. Además, parte de las oscilaciones están dentro del propio periodo estacionario haciendo que los parámetros de funcionamiento dentro de él sean menos estables. El origen de esta inestabilidad en el funcionamiento proviene de la radiación solar incidente. Se han incluido las Figuras 6.4 y 6.5 donde se representan tanto las temperaturas del generador como las temperaturas registradas por las sondas que caracterizan el campo solar. Figura 6.3 Evolución temporal de las temperaturas de Rotártica. Día soleado 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 T (ºC) Tiempo (horas) Tse Tee Tea Tsa Teg Tsg Figura 6.2 Evolución temporal de las temperaturas de Rotártica. Día nublado 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 T (ºC) Tiempo (horas) Tse Tee Tea Tsa Teg Tsg 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica _______________________________________________________________________ 55 Para el arranque del día soleado (Figura 6.5), las temperaturas obtenidas con las sondas siguen el mismo patrón:  La sonda SE-16 que mide la temperatura de los colectores solares tiende a crecer aunque de forma lenta, debido a la estabilidad en la oferta solar y a la hora del día en la que nos encontramos.  La sonda SE-07 mide la temperatura del fluido calo-portador a la salida de los colectores solares. Esta tiene un crecimiento más acusado puesto que la mezcla del primario está recibiendo por primera vez en el día la energía captada en los colectores. Cuando se inicia el proceso de absorción, es decir, cuando las temperaturas del generador empiezan a separase, la sonda SE-07 sufre una bajada brusca de temperatura como consecuencia de este arranque. Figura 6.5 Temperaturas del primario y secundario durante el arranque. Día soleado 20 40 60 80 100 120 140 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 T (ºC) Tiempo (horas) Teg Tsg Tsolar SE-16 SE-07 Figura 6.4 Temperaturas del primario y secundario durante el arranque. Día nublado 20 40 60 80 100 120 140 14:00 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 T (ºC) Tiempo (horas) Teg Tsg Tsolar SE-16 SE-07 6. Estudio del arranque de la unidad Rotártica _______________________________________________________________________ 56 Por el contrario, para el arranque del día de lluvia y parcialmente nublado (Figura 6.4) las temperaturas no siguen un patrón determinado. Las nubes provocan que la radiación solar no incida de manera regular. Esto repercute en la lectura de las sondas del campo solar, registrando valores inestables y oscilantes. Como consecuencia, la energía solar disponible en el primario varía, reflejándose en las temperaturas del generador y por consiguiente en el funcionamiento de la enfriadora. 6.4. Tiempos de respuesta. Aerotermo frente a geotérmica Como ya se adelantó en el apartado 6.1. tanto con la utilización del sistema geotérmico como con la utilización del aire como medio disipativo, no se encuentran diferencias apreciables en la evolución de las temperaturas de la enfriadora en el arranque. Sin embargo, sí parece haber cierta diferencia en los tiempos de respuesta obtenidos con uno u otro sistema de disipación. Definimos tiempo de respuesta como el tiempo transcurrido desde que los tres caudales de la enfriadora son distintos de cero hasta que comienza el periodo estacionario definido en el apartado 3.2.3. A continuación se han calculado para los días válidos recopilados desde 2007, los tiempos de respuesta promedio, diferenciando según el sistema de evacuación de calor utilizado. Sistema disipativo Tiempo medio respuesta (min) Aerotermo 100,8 Geotérmica 139,9  Geotérmica 49 l/min  158,1  Geotérmica 95 l/min  110,3 6.3 Tiempos medios de arranque de Rotártica Dependiendo del sistema disipativo utilizado, la instalación tarda más o menos tiempo en alcanzar el periodo estacionario. El sistema es unos 40 minutos más lento si la evacuación de calor se realiza mediante la utilización del aljibe de agua que utilizando el aerotermo. No obstante, si se separan los tiempos obtenidos con disipación geotérmica en función del caudal de pozo, observamos grandes diferencias. Cuando se utiliza un caudal de pozo de 95 l/min nos acercamos a valores “más rápidos” y más cercanos a los del aerotermo. Sin embargo, con la utilización de un caudal de pozo de 49 l/min, el arranque dura prácticamente una hora más que con la utilización de aerotermo. Nuevamente, el contar en la instalación con mayor capacidad disipativa es una ventaja. El hecho de evacuar mayor cantidad de calor al entorno supone alcanzar antes el periodo estacionario alargando la duración del mismo y por tanto repercutiendo beneficiosamente en el funcionamiento global de la instalación. 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos principales _______________________________________________________________________ 57 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos principales Durante el funcionamiento de una instalación pueden ocurrir fallos de control que provoquen comportamientos inesperados. Alguno de estos fallos puede ser provocado por problemas en el suministro eléctrico, sobretensiones, disparos de interruptores automáticos… Según cuál sea el problema puede verse afectada toda la instalación o sólo parte de ella. En nuestra instalación, los principales elementos afectados por este tipo de fallos son las bombas, las cuales dejan de funcionar. Si la magnitud del fallo afecta a toda la instalación, esta se para siendo necesario un proceso de re-arranque de la misma en el momento que se soluciona el problema. Si el fallo afecta solamente a alguno de los elementos de la instalación, la situación es diferente. Mientras que parte de la instalación no funciona, el resto continúa trabajando, provocando situaciones diferentes a las observadas en un régimen estacionario. Con el propósito de analizar estos comportamientos anómalos se decidió forzar alguno de estos errores, para posteriormente recoger y analizar los resultados. El análisis de los mismos ha servido para entender mejor el funcionamiento de Rotártica y del resto de la instalación ante posibles errores en el control. 7.1. Supresión de caudal de disipación y de generador Durante las últimas horas de funcionamiento de la instalación se procedió a eliminar los caudales de disipación y generador, dejando únicamente circulación de agua por el circuito de refrigeración. La lista siguiente muestra aquellos días en los que en algún momento la máquina funcionó bajo estas circunstancias:  04/07/2011  05/07/2011  11/07/2011 A continuación se presentan dos gráficas en las que se muestra respectivamente la evolución temporal de los caudales y de las temperaturas para el día 5 de Julio. En ellas, se han remarcado los datos correspondientes al periodo de tiempo que se va a estudiar, dejando el resto de datos en color gris. Las gráficas correspondientes a los otros días muestran un comportamiento muy similar y se pueden consultar en el Anexo C. 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos principales _______________________________________________________________________ 64 La bomba es de la marca Grundfos modelo UPS 32-80 de tres velocidades. En nuestra instalación la bomba trabaja en segunda velocidad. Su curva característica es la mostrada en la Figura 7.6, obtenida del catálogo del fabricante. El último elemento del circuito es la tubería de sección circular que modelizaremos suponiendo que sólo existen pérdidas lineales. La expresión de las pérdidas lineales en un conducto de sección circular se rige por la siguiente expresión: donde “f” es el factor de fricción de la tubería el cual depende de la rugosidad relativa y el número de Reynolds, “L” y “D” son longitud y diámetro de la tubería respectivamente y el último término es el mismo que el de la Ecuación 7.1. Como no se prevén cambios importantes en el número de Reynolds y las dimensiones de la instalación no varían, también podemos reescribir las pérdidas lineales según la Ecuación 7.2. En resumidas cuentas, se puede realizar una primera aproximación del modelo de circuito hidráulico agrupando todas las pérdidas presentes en la instalación, puesto que todas ellas son proporcionales al cuadrado del caudal circulante. Únicamente se hará una diferenciación entre generador y el resto del circuito tal y como muestra la Figura 7.7. Figura 7.7 Esquema hidráulico del circuito secundario Figura 7.6 Curvas características de la bomba del circuito secundario 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos principales _______________________________________________________________________ 65 En la Tabla 7.1 se muestran los caudales que estaba impulsando la bomba antes y después del bloqueo en el generador. Gracias a la curva de la bomba, se ha determinado cuales han sido las alturas de presión que la bomba estaba impulsando para cada caudal. Día Hora Qi (m3/h) Qf (m3/h) hi (m.c.a.) hf (m.c.a.) 06/07/2011 16:27 1,01 1,30 6,29 5,24 07/07/2011 16:00 1,04 1,34 6,25 5,10 07/07/2011 17:39 0,98 1,24 6,34 5,50 11/07/2011 12:30 0,93 1,18 6,37 5.85 09/08/2011 15:26 0,82 0,97 6,62 6,35 16/08/2011 16:26 1,01 1,28 6,29 5,25 Tabla 7.1 Caudales y alturas de presión de la bomba del secundario antes y después del bloqueo De esta manera se puede obtener qué constante adimensional de pérdidas existe en el generador. Antes de producirse el bloqueo de la máquina, el balance de alturas de presión en el circuito secundario es el siguiente: Tras la condición de bloqueo, se produce el bypass del generador y por tanto en el balance ya no están presentes esas pérdidas asociadas a él. Si se aplican estos dos balances a cada uno de los días estudiados, obtenemos la constante de pérdidas del generador. Dicha constante no es adimensional si no que tiene unidades de m-5hora2. Para adimensionalizarla hay que multiplicar por el siguiente factor: Día K generador [m-5hora2] K generador [adim] 06/07/2011 3,07 504 07/07/2011 2,94 483 07/07/2011 3,02 497 11/07/2011 3,16 520 09/08/2011 3,10 509 16/08/2011 2,96 487 Media 3,04 500 Tabla 7.2 Constante adimensional de pérdidas del generador 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos principales _______________________________________________________________________ 66 7.3. Oscilación en la impulsión del circuito secundario por error de vibración En este apartado se va a estudiar otro posible fallo de control. El día 7 de Julio se procedió a variar el caudal del generador entre 0 y 10 l/min asemejándose a una función cuadrada. De esta manera la instalación trabaja con caudales oscilantes de manera similar a como lo haría si se produjese un error de vibración. Conviene recordar que los cuatro principales componentes de la máquina de absorción giran solidariamente a un eje, el cual produce una vibración recogida por un sensor. Dicho sensor manda una señal de error al ordenador de Rotártica si la lectura supera un valor umbral y la enfriadora deja de trabajar de manera estable. En la Figura 7.8 se muestra la evolución temporal de los tres caudales que circulan por la máquina de absorción. Asimismo, en la Figura 7.9 se muestra una ampliación del caudal del generador para un periodo de cinco minutos. Figura 7.9 Zoom del caudal del generador 07/07/2011 0 2 4 6 8 10 12 12:35 12:36 12:37 12:38 12:39 12:40 Q (l/min) Tiempo (horas) q_generador Figura 7.8 Evolución temporal de los caudales de Rotártica. 07/07/2011 0 5 10 15 20 25 30 35 40 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 Q (l/min) Tiempo (horas) q_aerotermo q_generador q_fancoils 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos principales _______________________________________________________________________ 67 De la misma manera, en la Figura 7.10 se hace lo propio con las temperaturas de entrada y salida de los tres circuitos de la enfriadora y en la Figura 7.11 una ampliación para el mismo periodo anterior. Figura 7.11 Zoom de las temperaturas de Rotártica. 07/07/2011 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 12:35 12:36 12:37 12:38 12:39 12:40 T (ºC) Tiempo (horas) Tse Tee Tea Tsa Teg Tsg Figura 7.10 Evolución temporal de las temperaturas de Rotártica. 07/07/2011 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 T (ºC) Tiempo (horas) Tse Tee Tea Tsa Teg Tsg 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos principales _______________________________________________________________________ 68 El caudal del generador tiene una evolución cíclica con un periodo aproximadamente igual a 120 segundos. Las temperaturas de los circuitos de la enfriadora también siguen la misma evolución (cíclica) manteniendo el periodo de 120 segundos. En aquellos momentos en los cuales existe un caudal mayor en el generador, el ciclo de absorción funciona en unos niveles de potencia mayores. Como respuesta, los saltos de temperatura producidos entre la entrada y la salida de los tres circuitos serán mayores. Por el contrario, cuando el caudal del generador sea mínimo, los saltos de temperatura en los circuitos serán menores y la enfriadora trabajará en niveles de potencia más bajos. Como era de esperar, las temperaturas del generador son las más afectadas por la fluctuación del caudal. El salto de temperaturas típico en el generador es de 6,3 ºC. En el periodo a estudiar, los saltos van desde 0 ºC hasta 19,7 ºC; es decir, un decremento porcentual del 100% y un incremento porcentual del 311%. Sin embargo, la oscilación para los circuitos de disipación y refrigeración no pasa del 38% y del 26% respectivamente. Temperaturas del generador Los picos de máximo caudal coinciden con los saltos de temperaturas más grandes del generador. De esta manera, cuando circula caudal por el generador, las temperaturas de entrada y salida están separadas, mientras que cuando el caudal se hace nulo, las temperaturas tienden al mismo valor. Esta relación entre caudal y salto de temperaturas existe, aunque no de manera instantánea. Existe un desfase de unos 20 segundos entre el pico máximo de caudal y la posterior respuesta de las temperaturas. Este desfase es producido por las inercias existentes en el propio ciclo de absorción. Es importante destacar que sólo Tsg es la temperatura que tiene un carácter oscilante. Teg depende del fenómeno de transferencia de calor que se está produciendo en el intercambiador de calor primario-secundario, es decir de la cantidad de energía captada en el campo solar sobre la cual no se ha ejercido ninguna influencia. Tsg sin embargo depende de la transferencia de calor producida en el generador, la cual sí se ve afectada por las variaciones introducidas en el caudal del generador. Temperaturas del grupo absorbedor/condensador Las dos temperaturas del circuito de disipación también son sensibles a las fluctuaciones del caudal en el generador, aunque no de forma tan significativa. Nuevamente se puede asociar el momento de caudal máximo en el generador con el salto de temperaturas más amplio, ya que es entonces cuando se trabaja con potencias más altas en los tres circuitos. 7. Análisis de la instalación ante fallos de impulsión en los circuitos principales _______________________________________________________________________ 69 También existe desfase entre el pico máximo de caudal y la respuesta de las temperaturas. Esta vez algo es algo mayor, de unos 25 segundos. La explicación al desfase producido se encuentra nuevamente en las grandes inercias existentes en el ciclo de absorción. Temperaturas del evaporador Como ya se ha comentado las temperaturas de entrada y salida del evaporador, son las menos afectadas con un 26% de fluctuación con respecto al valor medio. Los valores de caudal máximo coinciden en el tiempo con las mayores diferencias entre las temperaturas de entrada y salida, intercambiando así mayor energía en el evaporador. También en esta ocasión el desfase medido es de unos 25 segundos. 8. Conclusiones Generales y líneas de futuro _______________________________________________________________________ 71 8. Conclusiones generales y líneas de futuro Este último capítulo da cierre al proyecto. En él se recogen las principales conclusiones obtenidas a lo largo de toda la memoria. Las razones en las que se basan estas conclusiones han sido explicadas y documentadas a lo largo de la misma. Gracias a haber trabajado en la instalación durante los últimos meses, se han encontrado algunos problemas de funcionamiento. Por ello, se detallan mejoras o arreglos a acometer sobre la instalación con objeto de que durante el siguiente proyecto de investigación, la instalación funcione a pleno rendimiento. Asimismo se plantean una serie de líneas de trabajo todavía por explotar, las cuales se consideran de interés bien por ser campos en los que todavía no se ha investigado o bien porque se considera necesaria una profundización. 8.1. Conclusiones generales 1. Los caudales obtenidos durante el tiempo que la instalación estuvo funcionando fueron inferiores a los de años anteriores, siendo valores cercanos a los mínimos recomendados por el fabricante de Rotártica. Como consecuencia, los niveles de potencia con los que la enfriadora trabajó fueron también menores como refleja la Tabla 8.1. Disipación Wgenerador (kW) Wdisipación (kW) Wrefrigeración (kW) COP Geo 95 l/min (2009) 7,61 4,18 12,25 0,523 Geo 95 l/min (2011) 6,87 3,58 10,55 0,496 Tabla 8.1 Valores medios de funcionamiento 2. La utilización de un foco isotermo como el aljibe de agua para la disipación de calor fija un punto de operación constante de la enfriadora, sin depender a partir de ahora de la temperatura ambiente exterior. 3. Para obtener potencia de refrigeración mediante el ciclo de absorción tan necesario es disponer de energía solar como tener capacidad para evacuar el calor que se genera en el propio ciclo. La disminución en cualquiera de estas dos últimas potencias (generación y disipación) repercute en el resultado final de la potencia de refrigeración. 4. La utilización de un caudal de pozo mayor mejora la disipación de calor al exterior. Por un lado, se consigue disipar mayor cantidad de energía y por otro aumentar la cuota de calor disipado al terreno respecto a la total. 8. Conclusiones Generales y líneas de futuro _______________________________________________________________________ 72 5. Durante el arranque, la evolución de las temperaturas no varía dependiendo del sistema de disipación utilizado, siguiendo día tras día la misma pauta. Sin embargo, con la utilización del aerotermo el arranque es más rápido que con el sistema geotérmico. También en esta ocasión, un caudal de pozo mayor mejora los tiempos de arranque. 6. En días nublados la máquina arranca pero de manera inestable. Esta inestabilidad afecta también al periodo estacionario. 7. Posibles problemas de control que deriven en problemas de impulsión producen la parada brusca del ciclo de absorción y el consiguiente bloqueo de la enfriadora. El bloqueo consiste en el aislamiento de aquellos circuitos termodinámicos de Rotártica por los cuales continúa circulando caudal mediante un bypass. 8. Problemas de vibración que deriven en fluctuaciones de los caudales de la enfriadora producen variaciones en las temperaturas del ciclo, obteniéndose valores oscilantes de potencias y rendimientos, pero sin llegarse a producir la parada del ciclo. 8.2. Líneas de futuro Bien por el paso del tiempo o bien por el uso, todas las instalaciones sufren deterioros o averías. La instalación con la que se está trabajando no es una excepción. Con objeto de que todos los equipamientos se encuentren en perfectas condiciones para funcionar durante los próximos años se sugieren varias acciones a considerar antes de poner en marcha de nuevo la instalación. 1. Aislar térmicamente todos los elementos y tuberías de los circuitos primario y secundario. En la actualidad existen tramos de tubería sin cubrir con aislamiento. De esta manera se evitarían pérdidas de calor durante el transporte energético. 2. Limpiar regularmente la superficie de los colectores solares para aumentar el rendimiento de los mismos. 3. Volver a comprobar que al menos las sondas más relevantes de la instalación ofrecen una lectura precisa, siguiendo el procedimiento del Anexo B. 4. Vaciar y llenar los tres circuitos de Rotártica. Se teme que pueda haber pequeñas bolsas de aire que puedan afectar al funcionamiento de la instalación y en algún momento puntual a las lecturas de los caudalímetros. Tras ello, hacer circular el agua por el interior de las tuberías y realizar un seguimiento de las pérdidas de presión en los circuitos. 5. Desmontar y revisar las bombas de la instalación, especialmente la bomba del circuito secundario. Se cree que esta última es la que pueda estar más deteriorada con el paso del tiempo puesto que su temperatura de trabajo (alrededor de 80 ºC) es mayor que la de las demás bombas. En caso de ser así, se podría intercambiar con la otra bomba de idénticas características situada también en el circuito 8. Conclusiones Generales y líneas de futuro _______________________________________________________________________ 73 secundario y encargada de bombear el agua desde el acumulador hasta el generador. Actualmente y dado el carácter experimental de la instalación esta segunda bomba no ha sido utilizada encontrándose por tanto, en perfectas condiciones. Si no se observa el problema de las pérdidas de presión y las bombas están en perfectas condiciones se podría disponer de una instalación con capacidad para alcanzar caudales notablemente superiores a los obtenidos durante el último verano, los cuales estuvieron cercanos a los mínimos recomendados por el fabricante. Por otro lado, contar con una instalación de refrigeración solar la cual posea un sistema híbrido de disipación de calor ofrece muchas posibilidades de estudio. Aquí se plantean alguna de ellas. 1. En este momento para el sistema de disipación con aerotermo se han recogido 49 días completos en los que la instalación funcionó sin contratiempos abarcando rangos amplios de caudal y potencia. Sin embargo, con el sistema de disipación geotérmico todavía no se ha conseguido obtener el mismo número de días. Por ello, se considera necesario continuar con la recogida de datos utilizando el sistema geotérmico como sistema de disipación de calor. De esta manera se puede ampliar el conjunto de valores estacionarios para dicho sistema de disipación. Cuanto mayor sea el número de valores adquiridos mayor validez adquirirán las conclusiones derivadas de los mismos. De esta manera, los nuevos gráficos de TIPO 4 contarán con mayor cantidad de valores y por tanto, las líneas de tendencia obtenidas serán más fiables. Uno de los objetivos de este planteamiento es el poder redefinir la consigna de temperatura ambiente exterior determinada en el apartado 5.2.5 para la alternancia de uno u otro sistema de disipación. 2. Aprovechando el carácter híbrido del sistema disipativo, puede ser interesante el modificar el actual control de la instalación para que se utilice uno u otro sistema en función de la temperatura ambiente exterior. Actualmente la instalación trabaja con un único sistema disipativo independientemente de la temperatura ambiente. Implementando dicho cambio, el control mandaría una señal a la válvula que deriva el agua procedente del evaporador a uno u otro sistema. Con los resultados obtenidos se podrían estudiar los efectos transitorios que acarrea el cambio en la forma de evacuar el calor, así como cuantificar la mejoría obtenida en el COP de la instalación tras el cambio. 3. A día de hoy, la instalación sólo ha funcionado en dos escenarios posibles con respecto al caudal de pozo utilizado; 49 l/min o 95 l/min. Se propone realizar un estudio de sensibilidad a dicha variable. De esta manera se podría obtener el caudal de pozo óptimo a partir del cual un aumento del mismo no suponga una mejora en el funcionamiento del sistema de disipación. Para poder modificar el