Aplicación en Microsoft Excel para Análisis de Datos Experimentales en una Instalación de Compresión de Vapor.

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1 Aplicación en Microsoft Excel para Análisis de Datos Experimentales en una Instalación de Compresión de Vapor. Juan Manuel Mendoza Miranda 1, Adrián Mota Babiloni 2, Joaquín Navarro Esbrí 2, Juan Manuel Belman Flores 1, Ángel Barragán Cervera 2 1 Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de Guanajuato. Carr. Salamanca-Valle de Santiago Km Km. Comunidad de Palo Blanco, C.P Salamanca, Guanajuato. México. 2 Grupo ISTENER. Departamento de Ingeniería Mecánica y Construcción. Universidad Jaume I. Av. Vicent Sos Baynat S/N Castellón de la Plana. España. Tel: , Fax: navarroj@emc.uji.es Palabras clave: Refrigeración, Microsoft Excel, educación, análisis, simulación. Resumen En el presente artículo se presenta una aplicación informática para el análisis de datos obtenidos de una instalación de compresión de vapor monitorizada. Para el desarrollo de esta herramienta se utiliza el entorno Excel haciendo uso de librerías dinámicas para el cálculo de propiedades termofísicas de los fluidos de trabajo. Esta aplicación permite analizar el comportamiento energético de la instalación de forma automática a partir de los datos experimentales obtenidos. Esta aplicación también se propone para uso docente a través de ensayos obtenidos en el laboratorio. En la instalación de producción de frío, se tiene un total de 30 variables monitorizadas cada 0.5 segundos (presiones, temperaturas, flujo másico, flujos volumétricos, etc.) tanto del circuito de refrigeración como de los circuitos secundarios (simulación de carga y disipación). Debido a la gran cantidad de datos que se llegan a obtener para las diversas condiciones de trabajo, se desarrolla la aplicación con el uso del programa Microsoft Excel que dispone de programación en Visual Basic para Aplicaciones (VBA) y la conexión con las librerías dinámicas del REFPROP para la evaluación de propiedades termofísicas de los refrigerantes. El resultado de este trabajo es una herramienta útil tanto para el investigador, en la validación de los experimentos llevados a cabo en la instalación de producción de frío; así como para la docencia, como un medio de enseñanza en el área de refrigeración experimental mediante la simulación de adquisición de datos Introducción Hoy en día, la disponibilidad de un amplio rango de herramientas computacionales ha tenido un gran impacto sobre la manera en que los problemas de ingeniería son planteados y resueltos [1]. En las dos últimas décadas [2], Excel ha sido ampliamente utilizado para la solución de problemas de ingeniería cuando no se dispone de alguna otra herramienta para realizar análisis y simulación sin requerir una gran cantidad de recursos computacionales [3]. El uso de esta herramienta computacional no solo se utiliza para casos teóricos [1-6], sino que también se aplican en diseño e investigación en donde se monitorizan y analizan una gran cantidad de datos [7-9]. En el campo de la refrigeración, la búsqueda y evaluación experimental de refrigerantes alternativos tiene un papel muy importante. Durante la etapa experimental en instalaciones de producción de frío monitorizadas, se genera una gran cantidad de información la cual es analizada para la determinación del desempeño energético bajo diversas condiciones de funcionamiento. El propósito de este trabajo es el desarrollo de una aplicación en el entorno Microsoft Excel aprovechando sus características y potencial gráfico así como la flexibilidad que ofrece la programación en Visual Basic para Aplicaciones (VBA) y la conexión con las librerías dinámicas del REFPROP, utilizadas para la evaluación de las propiedades termofísicas de los fluidos refrigerantes ensayados. Resultando así una herramienta de fácil manejo con una importante disminución en el tiempo utilizado en el análisis de los datos experimentales. 1. Desarrollo de la aplicación 1.1 Descripción de la instalación La aplicación para el análisis de datos desarrollada en el presente trabajo se ha personalizado para un banco de ensayos monitorizado, basada en una instalación de compresión simple (figura 1). Dicho banco de ensayos consiste en un circuito de compresión de vapor simple y dos circuitos secundarios usados para simular diversas condiciones de carga de refrigeración y de condensación. La instalación experimental se encuentra totalmente instrumentada para la medición de parámetros de interés como presiones, temperaturas, flujos volumétricos, etc. que son relevantes en el estudio del comportamiento energético obtenido para diversos fluidos frigorígenos compatibles con la instalación. La figura 2, muestra un esquema de la instalación experimental y la ubicación de los sensores descritos en la tabla 1.

2 Juan Manuel Mendoza Miranda, Adrián Mota Babiloni, Joaquín Navarro Esbrí, Juan Manuel Belman Flores, Ángel Barragán Cervera Figura 1. Instalación experimental de compresión de vapor. Figura 2. Esquema de la ubicación de los sensores de medición. Los datos registrados por los sensores durante el funcionamiento de la instalación, pasan a través de un programa de adquisición y se guardan en ficheros de texto para su posterior análisis. Sensores de temperatura Transductores de Presión T1 Descarga de compresor p1 Descarga del compresor T2 Entrada al condensador p2 Entrada al condensador T3 Salida del condensador p3 Condensación T4 Entrada a la válvula de expansión p4 Entrada a la válvula de expansión T5 Entrada al evaporador p5 Entrada al evaporador T6 Salida del evaporador p6 Salida del evaporador T7 Entrada líquido int. intermedio p7 Intercambiador intermedio T8 Salida líquido int. intermedio p8 Aspiración del compresor T9 Aspiración de compresor Medidores de Caudal T10 Entrada vapor int. intermedio q1 Glicol en evaporador T11 Salida vapor int. intermedio q2 Agua en condensador T12 Entrada de agua al condensador m1 Refrigerante T13 Salida de agua del condensador otros T14 Entrada de glicol al evaporador pot1 Potencia del compresor T15 Salida de glicol del evaporador n Velocidad de giro del compresor Tabla 1. Listado de sensores de la máquina de compresión de vapor.

3 1.2 Características de la Aplicación La aplicación aprovecha las características que Excel ofrece para la exportación de datos externos e incorporar las librerías dinámicas del REFPROP para el cálculo de las propiedades termofísicas tanto de refrigerantes puros como mezclas, facilitando los cálculos del desempeño energético de la instalación. Esta aplicación está diseñada de forma que el usuario solo necesita proporcionar el fichero de datos externos y completar un pequeño registro para identificar la prueba analizada así como el tipo de refrigerante que se utiliza en la obtención de los datos experimentales. La figura 3 muestra un esquema simple de la interacción del REFPROP y VBA en el entorno Excel en donde se muestra las entradas de alimentación y el producto obtenido, esto es, el análisis energético del ciclo bajo las condiciones establecidas. Los datos externos se suministran utilizando la función de "obtener datos externos" disponible dentro de las funciones características de Excel, la cual se ha automatizado mediante programación VBA de manera tal que esta función esté disponible al pulsar un botón. El registro de la prueba se ha realizado utilizando exclusivamente programación en VBA. Figura 3. Esquema simple de la aplicación. 2. Resultados La figura 4 presenta la pantalla principal de la aplicación, en donde se puede apreciar un panel de navegación en la parte superior que permite el desplazamiento entre las diferentes hojas de cálculo que componen la aplicación. En esta misma pantalla principal se muestran dos botones etiquetados como "Análisis" y "Simulación". El botón bajo la leyenda "análisis" permite realizar un análisis instantáneo de datos, mientras que el botón "simulación" se utiliza para simular la evolución de los datos a través del tiempo. Al oprimir el botón de análisis o el botón de simulación, se abrirá la ventana que aparece en la figura 5. En esta ventana es necesario ingresar la fecha en la cual se realiza el análisis y escribir el nombre del refrigerante utilizado para el cálculo de las propiedades termodinámicas. Esta ventana a su vez contiene dos botones, en los cuales se solicita información sobre el tipo de válvula de expansión y si en la prueba analizada se utiliza intercambiador de calor intermedio.

4 Juan Manuel Mendoza Miranda, Adrián Mota Babiloni, Joaquín Navarro Esbrí, Juan Manuel Belman Flores, Ángel Barragán Cervera Figura 4. Pantalla principal de la aplicación. Figura 5. Ventana de registro. La figura 6 presenta las ventanas desplegadas para el registro del tipo de válvula de expansión a utilizar. La figura 6a da la opción para escoger entre la válvula electrónica y la termostática. La ventana de la figura 6b se despliega en el caso de elegir la válvula termostática y se selecciona el tipo de orificio con el que se trabaja en la instalación durante los ensayos.

5 a) Figura 6. Ventanas desplegadas por la opción válvula de expansión. a) Selección del tipo de válvula, b) selección del orificio. Finalmente, para completar el registro es necesario identificar si la prueba se ha realizado utilizando intercambiador intermedio. La ventana de la figura 7 es desplegada al activar el botón etiquetado como "Intercambiador". Esta ventana contiene dos opciones: con intercambiador o sin intercambiador intermedio, elegir una u otra opción afectará de manera significativa el resultado obtenido al igual que lo hace el tipo de refrigerante, pues el incluir o no intercambiador de calor intermedio (IIR) influirá en el grado de subenfriamiento calculado por la aplicación. b) Figura 7. Ventana desplegada por la opción "Intercambiador". Una vez completado el registro de la prueba, automáticamente se abrirá el buscador de archivos a importar hacia la aplicación, figura 8. En esta parte se debe ubicar el archivo con los datos obtenidos de la instalación a analizar. Una vez cargado el archivo, la aplicación indicará el número de datos analizados, como lo muestra la figura 9.

6 Juan Manuel Mendoza Miranda, Adrián Mota Babiloni, Joaquín Navarro Esbrí, Juan Manuel Belman Flores, Ángel Barragán Cervera Figura 8. Selección del archivo que contiene los datos a importar a la aplicación Figura 9. Indicación del número de datos analizados por la aplicación. Al desplazarnos por la aplicación con el botón indicado como tabla de datos, se encuentra una tabla dinámica en la cual se incrustan los datos importados, figura 10. Este tipo de tabla se ajusta automáticamente a la cantidad de datos obtenidos y los cálculos realizados. En la parte superior de la tabla dinámica se encuentran los valores promedio para cada una de las variables importadas.

7 Figura 10. Tabla de datos externos. La figura 11 muestra la pantalla que se despliega cuando se oprime el botón "Diagrama P-H". Como se observa, la información contenida en esta pantalla hace referencia a los estados termodinámicos del ciclo de compresión de vapor así como su representación en un diagrama presión entalpía Figura 11. Información mostrada al oprimir el botón "diagrama P-H". Continuando con la navegación entre la aplicación, la información que se muestra al oprimir el botón "esquema de la instalación" es un diagrama de la instalación de compresión de vapor que muestra los valores promedio de las variables más relevantes.

8 Juan Manuel Mendoza Miranda, Adrián Mota Babiloni, Joaquín Navarro Esbrí, Juan Manuel Belman Flores, Ángel Barragán Cervera Figura 12. Esquema de la instalación contenida en la aplicación Excel. Para la visualización de la variación de los parámetros medidos, la aplicación presenta las gráficas de la figura 13 al oprimir el botón "gráficas" que se encuentra en todas las pantallas de la aplicación. Las gráficas generadas muestran los valores medidos así como líneas que delimitan su variación máxima que pueden tener estas variables. Esta sección de la aplicación muestra claramente la estabilidad de los datos obtenidos. Figura 13. Representación gráfica de los datos medidos y su rango máximo de variación. Finalmente, la ventana desplegada al oprimir el botón "Cálculos" es la mostrada en la figura 14. En esta ventana se muestran las propiedades de los fluidos secundarios, información acerca del compresor así como las cargas térmicas disipadas en el condensador y el evaporador entre otros datos de interés tales como el coeficiente de operación, grado de subenfriamiento, etc.

9 Figura 14. Cálculos energéticos. Conclusiones La aplicación desarrollada en el presente trabajo simplifica el análisis a realizarse post adquisición de datos y se reduce la cantidad de tiempo dedicado al análisis. Esta aplicación tiene la ventaja de ser utilizado en cualquier equipo de cómputo, por lo que se tiene una reducción en el coste que ocasiona el adquirir una licencia para varios equipos de un software más especializado en análisis de datos. Dada la opción de simulación de toma de datos, esta aplicación se puede utilizar en la enseñanza, puesto que los alumnos visualizarán la evolución de las variables de interés de una instalación de producción de frío en el caso que el grupo sea muy grande o que la máquina no esté disponible por mantenimiento. Referencias [1] Ken R. Morrison. Modelling and computation techniques for fluids mechanics experiments. Int. J. Engng Ed. Vol. 17, No. 3, pp [2] S. A. Oke. Spreadsheets Applications in Engineering Education: A review. Int. J. Engng Ed. Vol. 20, No.6, pp [3] M. C. Court. The impact of using excel macros for teaching simulation input and output analysis. Int. J. Engng Ed. Vol. 20, No.6, pp [4] E. G. John. Simplified curve fitting using spreadsheets add-ins. Int. J. Engng Ed. Vol. 14, No.5, pp [5] Ali El-Hajj, Karim Y. Kabalan. The use of spreadsheets to calculate the convolution sum of two finite sequences. Int. J. Engng Ed. Vol. 20, No.5, pp [6] Omar A. Iglesias, J. Pastor, A. Henseler, R. Bertolini, J. D. Soto And C. N. Paniagua. Spreadsheet use in conceptual design of chemical processes. Int. J. Engng Ed. Vol. 20, No.6, pp [7] Kabileshkumar G. Cheetancheri, Harry H. Cheng. Spreadsheet-based interactive design and analysis of mechanisms using Excel and Ch. Advances in Engineering Software 2009; 40: [8] Andrew J. Locock. An Excel spreadsheet to recast analyses of garnet into end-member components, and a synopsis of the crystal chemestry of natural silicate garnets. Computers and Geosciences 2008; 34: [9] Nourdine Aliane. Data acquisition and real-time control using spreadsheets:interfacing Excel with external hardware.isa Transactions 2010; 49: [10] Walkenbach, John. Excel 2007 Bible. Wiley Publishing, Inc., Indianapolis, [11] Walkenbach, John. Excel 2007 power programming with VBA, Wiley & Sons, [12] E.W. Lemmon, M.O. McLinden. (2002), M.L. NIST Standard Reference Database 23, v.7.0. [13] J. Navarro-Esbrí, D. Giniestar, J.M. Belman, V. Milián, G. Verdú. Application of a lumped model for predicting energy performance of a variable-speed vapour compression system. Applied Thermal Engineering 2010; 30: