Temperatura de Acoplamiento y Condiciones de Operaciones de un Sistema de Enfriamiento-Termosolar

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1 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Fecha de ecepción: Fecha de aceptación: Vol. 4 No. 2 ( Resumen Alexis Acuña Ramíez, Nicolás Velázquez Limón, Jesús Ceezo Román, Fenando Laa Chávez Cento de Estudio de las Enegías Renovables, Instituto de Ingenieía de la UABC Calle de la Nomal s/n, Col. Insugentes Este, Mexicali, B. C., En este atículo se pesenta una metodología paa enconta las condiciones óptimas de opeación y de diseño de un sistema de enfiamiento-temosola, mediante la elección de la tempeatua idónea del geneado paa acopla un aeglo de colectoes solaes del tipo CPC y una unidad de enfiamiento de absoción difusión que emplea la mezcla NH 3 O-He. El estudio está basado en un modelado matemático y un simulado, el cual fue validado con datos expeimentales epotados en la liteatua. El simulado se compone de dos pates; la unidad de enfiamiento y el sistema de colección sola, los cuales fueon codificados en la platafoma EES y Matlab 7.0 espectivamente. En el caso de estudio pesentado, se obtuvo una tempeatua de acoplamiento del geneado de C, dando como esultado una eficiencia de 0.59 paa la unidad de enfiamiento, y una eficiencia 0.60 paa el sistema de colección sola. La eficiencia global del sistema de enfiamiento-temosola esultante es de Abstact Tempeatua de Acoplamiento y Condiciones de Opeaciones de un Sistema de Enfiamiento-Temosola In this aticle it is pesented a methodology to find the optimal opeation and design conditions of a sola cooling system based on choosing the ight tempeatue of the geneato to couple an aay of CPC sola collectos and a diffusion-absoption cooling system that employed the mixtue NH 3 O-He. The study is based on a mathematical model and a simulation, which was validated with expeimental data epoted in the liteatue. The simulato consists of two pats, the cooling unit and the aay of sola collectos, which wee coded on the platfom EES and Matlab 7.0 espectively. Fo the case study pesented it was obtained a design geneato tempeatue of C, esulting in an efficiency of 0.59 fo the cooling unit and 0.60 of efficiency fo the sola collection system. The oveall efficiency of the sola cooling system was Palabas clave: Enfiamiento-temosola, absoción difusión, concentado paabólico compuesto, COP, NH 3 O-He. Nomenclatua A áea (m 2 C concentación geomética Cp Calo específico (J/kgK COP coeficiente de funcionamiento D diámeto (m G iadiación en el plano (W/m 2 h coeficiente de tansfeencia de calo (W/m 2 K h entalpía específica (J/kg k conductividad témica (W/m K L longitud cubieta (m m flujo másico (kg/seg M masa mola (g/mol N númeo de moles (mol P pesión (ba P númeo de Pandtl Q potencia caloífica (kw q calo útil (W S enegía absobida po unidad de áea (W/m 2 adio (m Re númeo de Reynolds T tempeatua ( C W ancho cubieta (m Keywods: Sola cooling system, diffusion absoption, compound paabolic concentato, COP, NH 3 O-He x facción de amoníaco en la mezcla líquida y facción de amoníaco en la mezcla gaseosa V velocidad del viento (m/s Simbolos giegos α absotancia ε emitancia ρ eflectancia σ constante de Stefan-Boltzman (W m 2 K 4 λ tansmitancia Subíndices 1,2,3... Puntos del sistema (Fig. 1 a absobedo a tubo absobedo amb ambiente b adiación diecta c condensado c cubieta conv convección d adiación difusa e evapoado f mezcla de tabajo g geneado Ingenieía Mecánica 051

2 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( g h i l o ad s v Intoducción adiación eflejada po suelo gas inete inteno fase líquida exteno ectificado adiación eflecto cielo fase vapo Un sistema de enfiamiento-temosola es una tecnología que esulta de acopla una unidad de poducción de fío con un sistema de captación sola. Este último es usado como fuente de enegía, ya que binda la cantidad de calo necesaio que pemite opea a la unidad de enfiamiento. Independientemente de la tecnología de captación sola que se elija, debe pesenta las caacteísticas necesaias paa cumpli las necesidades témicas que demande la unidad de enfiamiento. En una evisión del estado del ate de las tecnologías de enfiamiento-temosola pesentada po Y. Hwang et al. (2011, menciona que las necesidades de investigación en las tecnologías de enfiamiento-temosola deben esta encaminadas al desaollo de colectoes solaes avanzados de alta eficiencia y alta tempeatua, y al desaollo de tecnologías de enfiamiento de alta eficiencia activadas a bajas tempeatuas, ambas a un bajo costo. Aunado a esto debe habe un compomiso po busca las mejoes condiciones de opeación que pemitan obtene la máxima eficiencia global del sistema a pesa de tene tecnologías de alta eficiencia de foma individual. Los sistemas de enfiamiento po absoción son unidades que necesitan poca o nula enegía eléctica paa opea, esto los vuelve muy atactivos po el hecho de que pueden se instalados en zonas alejadas a las edes elécticas. Los sistemas se dividen en dos amas; ciclos intemitentes y ciclos continuos; los intemitentes son aquellos donde el fenómeno de poducción de fío no se pesenta al mismo tiempo en que se está suministando calo a la unidad, caso contaio en los continuos, el fenómeno de poducción de fío se da al mismo tiempo que se popociona calo. Dento de los sistemas de absoción continuos se encuentan los sistemas de difusión. Estas tecnologías no necesitan enegía eléctica paa opea pues pesentan la caacteística de no utiliza pates mecánicas. La ciculación de los fluidos que se utilizan, se lleva a cabo po una bomba de bubujas. La tecnología fue pesentada po pimea vez po los ingenieos suecos von Platen y Muntes (1928. El pime indicio de los sistemas de enfiamiento-temosola que se tiene se pesentó a mediados del siglo pasado Chinnappa (1962, a aíz de esto se han elaboado difeentes estudios teóicos y expeimentales de estos sistemas. Con especto a los sistemas expeimentales epotados ecientemente, Ehad et al. (1998 pesentan una máquina de efigeación con enegía sola sin pates móviles que opea con la mezcla NH 3 -SCl 2. La pate pincipal del dispositivo es una unidad de absoción desoción que se monta dento de un colecto sola de concentación. El calo de absoción se tanspota fuea del colecto sola po medio de dos intecambiadoes paa cedelo a la unidad de enfiamiento. La eficiencia global del sistema (que es un indicado diectamente popocional al poducto de la eficiencia de la unidad de fío po la eficiencia del sistema de colección sola que se logó fue ente 0.05 y Esto pincipalmente a que el colecto se encuenta acoplado de foma indiecta. Fue popuesto po Tamainot-Telto y Citoph (1999 un diseño de un CPC (concentado paabólico compuesto paa suminista calo a una unidad de enfiamiento. El aeglo de colectoes se componía de dos CPC con una medida de 2 m de lago y una concentación geomética de El popósito ea alimenta una unidad de 120 W de capacidad en el evapoado, cuya demanda témica en el geneado ea de 500 W. Este diseño se pobó mediante una simulación. No se epota la mezcla utilizada ni las tempeatuas en los componentes de la unidad de enfiamiento, sólo la tempeatua máxima alcanzada en el geneado de 173 C. Rivea y Rivea (2003 pesentaon los esultados de un modelo matemático paa evalua un CPC acoplado a una unidad de enfiamiento intemitente que manejó la mezcla NH 3 -LiNO 3. Los esultados del modelo obtuvieon una eficiencia del colecto ente 0.33 y 0.78 con una tempeatua en el geneado de 120 C y una tempeatua de condensación de 40 C. La eficiencia global del sistema epotada se encuenta ente 0.15 y Oto estudio pesentado po González y Rodíguez (2007, en donde poponen un aeglo de colectoes del tipo CPC utilizado como geneado, en una unidad de enfiamiento intemitente de metanol-cabón activado, obtuvo un coeficiente de opeación de la unidad de fío (denominada en inglés COP, Coefficent of Pefomance de foma expeimental ente y Hay evidencias po pate de Otega et al. (2008 de un modelado teóico de un concentado sola usado como geneado en un sistema de absoción simple. Se señala que fue necesaio una longitud de 25 m del sistema de colectoes paa loga una tempeatua de -10 C en el evapoado y una capacidad 3.8 kw en el mismo. El COP obtenido fue de 0.46 y la eficiencia global del sistema de Estos sistemas empleaon bombas mecánicas de ciculación. Jakob et al. (2007 pesentaon un diseño de una unidad de aie acondicionado po absoción difusión usando la mezcla NH 3 O-He, con una capacidad de enfiamiento de 2.5 kw. La unidad fue constuida y pobada, logando un COP expeimental de El colecto que se utilizó fue un colecto de placa plana acoplado indiectamente, sin embago no se epota infomación efeente a la eficiencia y el áea de captación de este. 052 Mazo 2012, Vol. 4 Acuña Ramíez A., Velázquez Limón N., Ceezo Román J., Laa Chávez F.

3 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( En un estudio del estado del ate de los difeentes sistemas de absoción temosola elaboado po Kim e Infante (2008 señalan que los sistemas epotados hasta la fecha de absoción difusión sola con la mezcla NH 3 O no sobepasan una eficiencia global mayo al 0.25, con una capacidad máxima de 2.5 kw en el evapoado (Gutiéez (1998 y Kunze (2000. Ambos utilizan colectoes solaes planos como geneado. En esumen, los esfuezos de las líneas de investigación de los sistemas de enfiamiento-temosola se han diigido; a mejoa los diseños de los componentes de las unidades, poba nuevos compuestos como mezclas de tabajo, agega aditivos a las mezclas existentes, busca nuevas configuaciones de opeación, enconta las mejoes condiciones de opeación paa las difeentes tecnologías y disminui los costos de la constucción. Hasta ahoa en la liteatua sólo se han pesentado casos de colectoes de placa plana acoplados de foma indiecta a las unidades de enfiamiento de absoción difusión, estos colectoes, al no se concentadoes solaes, no explotan el ecuso sola al máximo en elación al áea de captación que abacan, po ende pesentan baja eficiencia. Cuando se piensa en acopla de foma diecta un aeglo de colectoes con una unidad de enfiamiento debe habe un compomiso de diseño ente ambas tecnologías paa pode enconta las mejoes condiciones opeativas del sistema en geneal. Po tal motivo el estudio que se pesenta tiene como fin mosta una metodología paa elegi la tempeatua de acoplamiento idónea en un sistema de enfiamiento-temosola con el fin de obtene las condiciones óptimas de opeación del sistema y la mayo eficiencia global. El sistema temosola se compone de una unidad de enfiamiento de absoción difusión que emplee la mezcla de tabajo NH 3 O-He, la cual es acoplada en foma diecta a un aeglo de colectoes solaes tipo CPC. El estudio se sustenta en una simulación del sistema de absoción difusión y el aeglo de colectoes acoplados. Confome el colecto capta adiación sola, ésta se iá manifestando como una cantidad de calo tansfeida a la mezcla de tabajo, po consecuente la tempeatua de la mezcla se incementaá hasta llega al punto donde comienza a vapoizase. Aunado al geneado se encuenta la bomba de bubujas. Debido a su geometía, dento de ésta se fomaán bubujas de solución, las cuales comenzaán a ascende dento del tubo. Al final este tayecto, el vapo seá libeado y pasaá al ectificado. Su popósito es elimina la pesencia de la sustancia absobedoa, dejando solamente el efigeante. El vapo de efigeante se tanspota al condensado en donde se somete a un poceso de enfiamiento a tempeatua ambiente y se condensa. El efigeante condensado fluye hacia una tampa hidáulica, en este punto enta en contacto con el gas inete (He. La pesencia de este gas ocasiona que la pesión del efigeante comience a disminui, debido a este fenómeno desciende la tempeatua del efigeante paa posteiomente enta al evapoado donde etia calo. Al sali del evapoado, la mezcla ya en estado gaseoso, se diige hacia el intecambiado EHX (Fig. 1, es ahí donde enta en contacto con el gas inete poveniente del absobedo. El motivo del EHX es disminui la tempeatua del gas inete antes de llega a la tampa hidáulica del evapoado. La mezcla de efigeante y gas inete llegan al absobedo; debido a la afinidad de la sustancia absobedoa po el efigeante este último es absobido, peo el gas inete no lo es. La mezcla efigeante-absobente esultante se diige hacia un intecambiado pevio al geneado, en donde la coiente que poviene del ectificado pobe en efigeante, intecambia calo con la solución ica en efigeante, disminuyendo de esta foma las necesidades de calo en el geneado. Todo este poceso se daá de foma continua, siempe y cuando se tansfiea calo en los difeentes componentes. Descipción del sistema El ciclo de opeación se ve confomado po los siguientes componentes: absobedo, evapoado, condensado, geneado, ectificado y bomba de bubujas. Existen tes cicuitos dento del sistema, el cicuito del efigeante, el cicuito del gas inete y el cicuito de la solución (Fig. 1. Paa téminos de explicación del ciclo temodinámico se comenzaá con el geneado, en este caso un aeglo de colectoes solaes. El sistema de colección sola popuesto se compone de un aeglo de cuato concentadoes solaes del tipo CPC con cubieta, en una áea de 2 m de lago po 1.30 m de ancho, con una altua de 0.29 m po colecto. El tubo absobedo posee un diámeto de m. Cada CPC pesentaba una concentación geomética de 2.63, coespondiente a un ángulo de apetua de 42, esto es esultado de habe tuncado a un 50% de altua un CPC con un ángulo de apetua de 40. El geneado se encuenta cagado con la mezcla de tabajo; un efigeante (NH 3 y una sustancia absobente (H 2 O, esta última con una mayo concentación. Figua 1. Configuación de la unidad de enfiamiento-temosola fomada po la unidad de absoción difusión y el aeglo de colectoes CPC. Ingenieía Mecánica Tempeatua de Acoplamiento y Condiciones de Opeaciones de un Sistema de Enfiamiento-Temosola 053

4 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( Modelo Matemático y Simulación El modelo matemático que se elaboó paa el estudio del CPC se basa en la teoía epotada po vaios autoes (Rabl (1976, Hsieh (1981 y Otega et al. (2008, algunas de las ecuaciones más epesentativas que igen el modelo matemático se pesentan en la tabla 1. Paa su codificación se eligió el pogama MATLAB 7.0, ya que es una platafoma que pemite ealiza secuencias de cálculos matemáticos, siendo posible modela fenómenos físicos en foma de ecuaciones. Como equisito paa constui el simulado es necesaio ingesa las ecuaciones con sus espectivas nomenclatuas y establece los citeios a segui paa la esolución de la secuencia de pasos. El poceso de solución paa el colecto se dividió en subutinas que se esuelven de manea individual, las cuales abacan el análisis geomético, óptico y témico del colecto. Paa el análisis témico el tubo absobedo se dividió en volúmenes de contol (VC, donde en cada uno se evalúa el coeficiente global de tansfeencia de calo hacia al fluido, se calcula la enegía ganada po este y se estima la tempeatua de salida del VC que lleva el fluido. La esolución de cada unos de los VC se lleva de foma iteativa mediante un método numéico paa calcula la tempeatua del tubo absobedo y del fluido, suponiéndose peviamente las tempeatuas de la cubieta, del eflecto y del tubo absobedo. Con base en un balance global de tansfeencia de calo se compueba si las tempeatuas popuestas son las coectas, de lo contaio se poponen otas. El modelo llega a la convegencia cuando el balance de enegía ente las entadas y salidas de calo del colecto obtiene una difeencia meno al 1%. Paa el sistema de enfiamiento el modelo se fundamenta en balances de masa, enegía y movimiento paa cada una de los componentes que intevienen en el sistema de enfiamiento, así como el cálculo de las popiedades del gas inete mediante la Ley de las pesiones paciales (tabla 2. Tabla 1. Ecuaciones empleadas en el modelo matemático del sistema de colección sola CPC. Análisis geomético 13: 1 Concentación geomética del colecto C = sen q Donde q a =ángulo de aceptancia a Ecuaciones paa establece la involuta en plano xy Ecuaciones paa establece la paábola en plano xy x=(senj-jcosj y=(jsenj+cosj 0 j p/2+q max x=(senj-a * cosj y=-(a * senj+cosj π + θ + ϕ ϕ θ A = 2 max cos( max 1+ sen( ϕ θ max con: p/2+q max j 3p/2-q max Longitud del aco hasta punto xy Lac x ' y ' 3p = ( + ( 0 Áeas (cubieta, absobedo y eflecto A c =L*W A a =2p**L L A = w h h w h + w ' 2 h w 2 ' ln ' ' ; π D0 w = senθ 1 2 Análisis óptico [14]: Cantidad de adiación incidente en el tubo absobedo Análisis témico [14]: Tempeatua de fluido Facto de emoción Coeficiente global de pedidas Coeficiente global de tansfeencia de calo hacia dento del fluido Coeficiente de tansfeencia de calo del fluido en una fase Dittus y Boelte [15] Coeficiente de tansfeencia de calo del fluido en dos fases Misha et al. [16] y Rivea y Best [17] T = T T S=G b t c,b,b a a,b +G d t c,d,d a a,d +G g t c,g,g a a,g G b =G b,n *cos(qi; Donde qi=ángulo de incidencia ( f f i amb U l A S c PU L A U mcp F x exp ' + a L f A c S A UL + T a F ' = 1 U L U U h + h h h = + had, a + h + h + h L ( ad, a c conv, a c + ( ad, c s + conv, c amb 1 ( conv, a conv, c ad, c U l a L a = ln hf i k i hl = Re P n k D 1 m hlp = 65hl Bo n = 0. 5 y m = x ll Donde: Bo: Númeo de ebullición, x tt : Paámeto de Lockhat-Matinelli amb 054 Mazo 2012, Vol. 4 Acuña Ramíez A., Velázquez Limón N., Ceezo Román J., Laa Chávez F.

5 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( Tabla 1. Ecuaciones empleadas en el modelo matemático del sistema de colección sola CPC. (continuación Coeficientes de convección y de adiación involucados Hsieh (1981 h Coeficiente de convección de la cubieta al ambiente: ( h V A c conv, c amb = A Coeficiente de adiación de la cubieta al cielo: h = Ac ad, c s c ( T + c Tcielo ( Tc + Tcielo 2 2 ε σ Aa Coeficiente de adiación del eflecto a la cubieta: 2 2 ( Tc + T ( Tc + T had, c s = σ A 1 ε c 1 1 ε A A a + + ε c Fc ε A a Coeficiente de adiación del absobedo a la cubieta: 2 2 T T T T h = σ ( a + c ( a + ad, c s 1 1 Ac + c a 1 ε ε Aa Coeficiente de adiación del absobedo al eflecto: 2 2 σ ( Ta + T ( Ta + T had, a = 1 ε 1 1 ε a A + Fa a ε ε Aa Coeficiente de convección del absovedo al eflecto o cubieta: Ta T c Ta T = hconv a = conv, a c, a El modelo se codificó en la platafoma EES (Engineeing Equation Solve, el cual tiene peestablecido un método numéico paa esolve el modelo planteado. Tanto el pogama de MATLAB 7.0 y EES pemiten establece una conexión paa pode intecambia datos, lo cual hace posible pode esolve el modelo matemático del simulado y popociona los esultados obtenidos al oto simulado paa se empleados como datos de entada. En la figua 2 se pesenta el algoitmo de solución del sistema de enfiamiento-temosola, compuesto po los pocesos más destacados dento de la esolución del modelo matemático de la unidad de enfiamiento y el sistema de captación sola. Resultados y Discución Validación del simulado Paa valida el simulado popuesto se tomó como efeencia el atículo publicado po Jakob et. al (2007, pues este pesenta esultados de una simulación y un estudio expeimental de una unidad de absoción difusión. El simulado se alimentó con las consideaciones que maneja la efeencia, se evaluaon los esultados y posteiomente se llevó a cabo un análisis compaativo. En la tabla 3 se pesentan los valoes numéicos de la enegía caloífica que tansfiee cada uno de los componentes, tanto los epotados po la efeencia, como los obtenidos po el simulado. Oto punto Tabla 2. Ecuaciones empleadas en el modelo matemático de la unidad de enfiamiento de absoción difusión Componentes Balances de enegía Balances globales de masa Balances paciales de masa (NH4 Geneado-Bomba de bubuja (m 2 (h 2 +Q g =(m 3 (h 3 m 2 =m 3 (m 2 (x 2 = (m 3 (y 3 Sepaado (m 3 (h 3 = (Q + (m 4 (h 4 + (m 1 (h 1 m 3 = m 4 + m 1 (m 3 (y 3 = (m 4 (y 4 + (m 1 (x 1 Condesado (m 4 (h 4 = (Q c + (m 5 (h 5 m 4 = m 5 (m 4 (y 4 = (m 5 (x 5 Tampa hidáulica (m 5 (h 5 +(m h12 (h h12 =(m 6 (h 6 +(m h6 (h h6 m 5 = m 6 m h12 =m h6 (m 5 (x 5 = (m 6 (x 6 Evapoado (m 6 (h 6 +(m h6 (h h6 +Q e =(m 7 (h 7 +(m h7 (h h7 m 6 = m 7 m h6 = m h7 (m 6 (x 6 = (m 7 (y 7 Intecambiado #1 (m 7 (h 7 + (m h12 (h h12 + (m h7 (h h7 = (m 8 (h 8 + (m h8 (h h8 + (m h11 (h h11 m 7 = m 8 (m 7 (y 7 = (m 8 (x 8 m h12 + m h7 = m h8 + m h11 Absobedo (m 8 (h 8 + (m h8 (h h8 + (m 9 (h 9 = m 8 + m 9 = m 10 + m 11 (m 8 (x 8 + (m 9 (x 9 = (m 10 (x 10 + (m 9 (m 10 (h 10 + (m h11 (h h11 + Q a m h8 = m h11 (x 9 Intecambiado #2 (m 1 (h 1 +(m 10 (h 10 =(m 9 (h 9 +(m 2 (h 2 m 10 = m 2 m 1 = m 9 Gas inete P h =P g -P e M h = P h / P g m h = (M h (N h (m 1 (x 1 + (m 10 (x 10 = (m 9 (x 9 + (m 2 (x 2 Ingenieía Mecánica Tempeatua de Acoplamiento y Condiciones de Opeaciones de un Sistema de Enfiamiento-Temosola 055

6 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( Figua 2. Algoitmo de solución del modelo matemático del sistema de enfiamiento-temosola fue evalua el compotamiento del simulado de la unidad mediante el efecto que sufe el COP cuando se modifica la tempeatua del geneado dejando fija la capacidad en el evapoado. Se analizaon en conjunto los valoes del simulado popuesto, el simulado efeenciado y el estudio expeimental. El compotamiento del simulado de la unidad se da en foma adecuada, esto se infiee al momento de compaa las tendencia ente el simulado popuesto y los datos expeimentales (Fig. 3, inclusive habiendo en algunos puntos concodancia. En pomedio existe una vaiación ente los esultados del simulado popuesto y el simulado epotado que no sobepasa el 8%. En el caso de los esultados expeimentales la difeencia es meno al 9%. La difeencia ente los simuladoes se debe en gan medida en los valoes de las popiedades temodinámicas de las coientes del sistema; el simulado popuesto utiliza las coelaciones de la mezcla NH 3 O epotadas po Ibahim y Klein (1993 y el estudio efeenciado utiliza las pesentadas po Zigle y Tepp ( Mazo 2012, Vol. 4 Acuña Ramíez A., Velázquez Limón N., Ceezo Román J., Laa Chávez F.

7 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( Tabla 3. Compaación ente simuladoes de cantidades de calo a tansfei po cada componente bajo las mismas condiciones de diseño. Componente Simulado [kw] Jakob et al. [kw] Geneado Rectificado Condensado Evapoado Absobedo COP [-] Figua 3. Compaación ente simulado efeenciado, datos expeimentales de Jakob et al. (2007 y simulado elaboado con las mismas condiciones de diseño (1.3 kw de capacidad del evapoado, tempeatuas de Te= 22.5 C, Tg=140 C, Ta= 29 C y Tc= 32 C, eficiencias de los intecambiadoes #1 y #2, 0.76 y 0.30, espectivamente. El colecto se ubica en la ciudad de Mexicali, México ( N, O con una oientación notesu y una inclinación con pefeencia al veano. Eficiencia global del sistema. El estudio inicia con el cálculo de las popiedades temodinámicas de las coientes de la unidad de enfiamiento. Como punto de diseño se estableció una tempeatua de -10 C en el evapoado. La tempeatua del absobedo y condensado elegida fue de 42 C. En el caso del ectificado se estableció una tempeatua de 60 C. El calo a suminista en el geneado se fijó en 5 kw. Los esultados del simulado muestan que la tempeatua mínima que se necesita en el geneado paa pode opea la unidad de enfiamiento es de 80 C, alcanzando una capacidad figoífica de 0.59 kw témicos. Sin embago, al ealiza un análisis del efecto de la tempeatua del geneado conta el COP de la unidad y su capacidad de enfiamiento, se obsevó cómo a aíz de i elevando la tempeatua del geneado, se incementa de foma exponencial la eficiencia de la unidad y su capacidad (Fig. 4. La eficiencia toma valoes de 0.11 a 0.61 y una capacidad máxima de La explicación de este fenómeno se centa en que al incementa la tempeatua del geneado la concentación de satuación de la mezcla disminuye, en este caso es la concentación pobe que sale del ectificado, esto pemite que se despenda una mayo cantidad de efigeante, po ende hay una mayo capacidad de la unidad. Consideaciones del simulado Las condiciones de diseño y las suposiciones que se manejan en el sistema fueon alimentadas como datos de entada al simulado, donde estas últimas son: El fluido enta al captado sola como líquido sub-enfiado. No se considean pédidas po ficción dento del tubo absobedo, sistema y tubeías. El captado sola posee un sistema de seguimiento po lo cual se considea que siempe se encuenta enfocado. El estudio se ealizó en estado estacionaio. Las popiedades ópticas que fueon consideadas fueon: α a =0.92, λ c =0.95 y ρ =0.87. Se maneja una ε a = 0.38, ε c = 0.94 y ε = Se considea un valo de de 5 (W/m 2 K paa el h conv,-c evaluado po Papas et al. (1987. Las bubujas de vapo y la solución salen del geneado a la misma tempeatua. Se despeció todo cambio en la pesión hidostática. No se considean las caídas de pesión. Las popiedades de la mezcla de gases se calculan con la teoía de gases ideales. El sistema se enfía a tempeatua ambiente. Figua 4. Efecto de la tempeatua de diseño en la eficiencia y la capacidad figoífica de la unidad de enfiamiento con Te= 10 C y Tc= 42 C. Al modifica la tempeatua en el geneado las popiedades temodinámicas de las coientes que inteactúan dento de la unidad cambian. Se obtuvieon los valoes de tempeatua y flujo másico coespondientes a la coiente que enta al aeglo de colectoes solaes (tabla 4, ya que estos son datos de entada paa el simulado del colecto. La concentación de entada no cambia pues esta se calcula con base en la tempeatua en el absobedo. Ingenieía Mecánica Tempeatua de Acoplamiento y Condiciones de Opeaciones de un Sistema de Enfiamiento-Temosola 057

8 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( Tabla 4. Tempeatuas y flujos másicos de la coiente de entada al aeglo de colectoes a difeentes tempeatuas del geneado. Tempeatua de diseño del geneado [ C] Tempeatua de entada a los colectoes [ C] Flujo másico de entada al geneado [kg/seg] En la Figua 6 se muesta una gáfica en la cual se compaa la eficiencia de la unidad de enfiamiento con la eficiencia del colecto sola a difeentes tempeatuas de diseño del geneado. Debido al compotamiento de las tendencias de las eficiencias, hay un punto de intecepción ente ambas. Este es consideado como la tempeatua de acoplamiento, siendo el punto donde se obtiene la máxima eficiencia geneal del sistema de enfiamiento-temosola, la cual es un indicado que se obtiene al multiplica la eficiencia del colecto, po la eficiencia de la unidad de enfiamiento. Paa el sistema popuesto la tempeatua esultante fue de C, en este punto el COP es de 0.59 y la eficiencia del colecto es 0.60, dando como valo la eficiencia global del sistema Una vez alimentado el simulado del aeglo de captadoes solaes con las popiedades temodinámicas de la coiente de entada, se pocedió a evalua su compotamiento. Se estudiaon los efectos de la tempeatua y el flujo másico conta la eficiencia (Fig. 5. Se apecia el efecto de disminución de 0.80 a 0.56 que sufe la eficiencia cuando al mismo tiempo la tempeatua de entada se incementa y el flujo másico se disminuye. Al disminui la cantidad de flujo másico y teniendo en la entada una tempeatua cada vez mayo, da como esultado valoes más altos de la tempeatua del absobedo. Confome la difeencia de tempeatuas ente el tubo absobedo y el ambiente sea mayo las pédidas de calo también incementaan, lo cual ocasiona una disminución de la eficiencia de la captación sola. Figua 6. Efectos de la tempeatua de diseño del geneado conta la eficiencia de colecto y eficiencia de la unidad de enfiamiento. Una vez fijada la tempeatua de diseño del geneado de la unidad es posible obtene los valoes de las popiedades temodinámicas de las coientes que inteactúan dento de la unidad de enfiamiento y las necesidades témicas de los difeentes componentes. Con la obtención de las condiciones de opeación (tabla 5 se concluye la pimea etapa del diseño de la unidad de enfiamiento-temosola. Conclusiones En este atículo se pesentó una metodología paa enconta la tempeatua de acoplamiento ente un aeglo de colectoes solaes del tipo CPC, con una unidad de enfiamiento de absoción difusión que maneja la mezcla NH 3 O-He y con una tempeatua de 10 C en el evapoado paa obtene la mayo eficiencia global. La metodología se basa en un modelado matemático y una simulación. Figua 5. Efectos de la tempeatua y flujo de entada en la eficiencia del aeglo de colectoes con una tempeatua ambiente de 40 C y una adiación de 800 W/m 2. La tempeatua del geneado afecta de foma diecta el COP de la unidad de enfiamiento y la eficiencia del sistema de colección sola, po tal motivo el pime punto de diseño es establece cuál es la tempeatua idónea paa acopla ambas unidades, una vez establecida se obtienen las condiciones de opeación del sistema. Paa la unidad de enfiamiento-temosola popuesta el estudio mostó una tempeatua óptima de acoplamiento de Mazo 2012, Vol Acuña Ramíez A., Velázquez Limón N., Ceezo Román J., Laa Chávez F.

9 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( Tabla 5. Condiciones óptimas de opeación de la unidad de enfiamiento-temosola. Coiente Fluido T [0C] P [ba] x [kg NH 4 /kg liq] m [kg/seg] Calidad 1 NH 3 O NH 3 O NH 3 O NH NH NH NH NH NH 3 O NH 3 O He He He He He Qe=2.98 kw Qc=3.02 kw Qa=4.45 kw Qg=5.00 kw Q=0.60 kw C, teniendo un COP de 0.59 y una eficiencia del colecto de 0.60, paa da como esultado una eficiencia global del sistema de enfiamiento-temosola de 0.35 y una capacidad de 2.95 kw en el evapoado. Refeencias Y. Hwang, R. Rademache, A. Al Alili, I. Kubo, Review of Sola Cooling Technologies, HVAC&R Reseach 14 (2011. B.C. Von Platen, C.G. Muntes. Refigeato. US Patent 1,685,764, J. C. V. Chinnappa, Pefomance of an intemittent efigeato opeated by a flat-plate collecto, Sola Enegy 6 ( A. Ehad, K. Splinde, E. Hahne, Test and simulation of a sola poweed solid soption cooling machine, Intenational Jounal of Refigeation 21 ( Z. Tamainot-Telto, R. E. Citoph, Sola soption efigeato using a CPC collecto, Renewable Enegy 16 ( C. O. Rivea, W. Rivea, Modeling of an intemittent sola absoption efigeation system opeating with ammonialithium nitate mixtue, Sola Enegy Mateials and Sola Cells 76 ( M. I. González, L. R. Rodíguez, Sola poweed adsoption efigeato with CPC collection system: Collecto design and expeimental test, Enegy Convesion and Management 48 ( N. Otega, O. Gacía-Valladaes, R. Best, V. H. Gómez, Two-phase flow modelling of a sola concentato applied as ammonia vapo geneato in an absoption efigeato, Renewable Enegy 33 ( U. Jakob, U. Eicke, D. Schneide, A. H. Taki, M. J. Cook, Simulation and expeimental investigation into diffusion absoption cooling machines fo ai conditioning applications, Applied Themal Engineeing 28 ( D. S. Kim, C. A. Infante Feeia, Sola efigeation options a state-of-the-at eview, Intenational Jounal of Refigeation 31 ( F. Gutiéez, Behaviou of a household absoption diffusion efigeato adapted to autonomous sola opeation, Sola Enegy 40 ( G. Kunze, Efficient sola cooling with an impoved ammonia-absoption system, Renewable Enegy Wold 3 ( A. Rabl, Optical and themal popeties of compound paabolic concentatos, Sola Enegy 18 ( C. K. Hsieh, Themal analysis of CPC collectos, Sola Enegy 27 ( F. Dittus, L. Boelte, Heat Tansfe in Automobile Radiatos of the Tubula Type. Univesity of Califonia Publications in Engineeing, ( Ingenieía Mecánica Tempeatua de Acoplamiento y Condiciones de Opeaciones de un Sistema de Enfiamiento-Temosola 059

10 INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO Vol.4 No.2 ( M. Misha, H. Kana, C. Shama, Heat Tansfe Coefficients in Foced convection Evapotation of Refigeant Mixtues, Lettes in Heat and Mass Tansfe 8 ( W. Rivea, R. Best, Boiling heat tansfe coefficients inside a vetical smooth tube fo wate/ammonia and ammonia lithium nitate mixtues. Intenational Jounal of Heat and Mass Tansfe 42 ( B. Ziegle, Ch. Tepp, Equation of state fo ammonia-wate mixtues, Intenational Jounal of Refigeation 7 ( D. Papas, B. Noton, P. Melidis, S. Pobet, Convective heat tansfes within ai spaces of compound paabolic concentating sola-enegy collectos, Applied Enegy 28 (1987 O. M. Ibahim, S. A. Klein, Themodynamic Popeties of Ammonia-Wate Mixtues, ASHRAE Tansactions CH ( Mazo 2012, Vol Acuña Ramíez A., Velázquez Limón N., Ceezo Román J., Laa Chávez F.

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