INFORME. Dpto. Termodinámica Aplicada. Valencia 22 de Julio de Informe 1

Transcripción

1 INFORME Del grupo FREDSOL de la UPV (Dpto. Termodámica Aplicada) sobre el nuevo sistema de protección de puertas de carga/descarga de la empresa ALAPONT. para los muelles de productos refrigerados, congelados, pescados y verduras. El forme se centra en los aspectos de ahorro energético del nuevo sistema y da órdenes de magnitud sobre el ahorro económico esperado y sobre la reducción de las emisiones de CO2 fósil. Dpto. Termodámica Aplicada. Valencia 22 de Julio de Informe 1

2 INDICE 1. ÁMBITO DEL ESTUDIO MODELO MATEMÁTICO RESULTADOS DE LAS MEDICIONES RESULTADOS REFERENCIAS Ámbito del estudio El estudio se ha centrado en la demanda de energía anual provocada por las puertas de atraque de los camiones en los muelles de productos: - refrigerados, congelados, pescado fresco y carnes a una temperatura de consigna entre 0 y 5 [ºC] - por otro los muelles de fruta y verdura a temperatura de entre 10 y 12 [ºC] - y por último los de productos secos a 24 [ºC]. (Datos facilitados por CLIENTE FINAL). Por demanda de energía anual se entiende la cantidad de energía que hay que extraer de la zona de los muelles para mantener éstos en sus condiciones de consigna (Tseca[ºC]). No se ha tenido en cuenta los casos vernales, en los que el exterior pudiera estar más frío que el muelle. Más concretamente se ha analizado las diferencias entre las necesidades provocadas por las puertas convencionales actualmente staladas y un nuevo diseño stalado para las pruebas de comparación, en un muelle de productos refrigerados del centro logístico que posee CLIENTE FINAL. No se entra en valoraciones de potencia máxima necesaria para mantener las condiciones del muelle, tan sólo en la cantidad de energía a extraer. Tampoco se ha entrado en detalle sobre el consumo de energía eléctrica de los equipos para extraer dicha energía. Esto requeriría otro estudio aparte. S embargo tenta dar una aproximación razonable sobre su orden de magnitud, en base a varias hipótesis que se comentan al fal. Informe 2

3 Como más tarde se argumentará con las mediciones, la diferencia esencial en los elementos que provocan demanda de energía de los equipos de frío del muelle entre ambas puertas es la debida a entrada de aire caliente y húmedo del exterior. Los resultados mostrarán la cantidad de energía térmica total y qué parte de ese total es latente ( debida a la necesidad de extraer la humedad que entró) y que parte es sensible ( debida a la necesidad de reducir la temperatura del muelle). El estudio no entra a valorar diferencias entre las puertas de otra índole. Por ejemplo: - Tiempo y/o comodidad para la operación de carga/descarga. - Mayor o menor riesgo de la rotura de la cadena de frío de los productos. - Higiene. - Etc El presente estudio debe considerarse como una aproximación a los valores esperados de demanda. Los años meterorológicos utilizados son años tipo o años medios ni los más fríos ni los más calurosos. Son los años usados en la certificación energética de edificios por los programas LIDER y CALENER oficiales del Misterio de Industria, Comercio y Turismo. Los autores de este estudio, desean llamar la atención también sobre el hecho de que cualquier resultado del presente estudio aplicado a una escala dustrial grande tiene un poder amplificador muy importante. Por eso los resultados no deberían tomarse como predicciones determistas, so como valores estimados u ordenes de magnitud de un resultado medio probable. Informe 3

4 2. Descripción de la operación de carga/descarga en ambas puertas En las puertas convencionales la operación de carga y descarga procede según los siguientes pasos: 1. El camión se posiciona con su parte trasera hacia la puerta a cierta distancia de ésta. 2. El conductor baja y abre en el exterior las puertas del camión por completo. En este momento el aire caliente entra en el camión rellenando el volumen no ocupado por la carga. 3. El conductor sube al camión, lo aproxima a la puerta del muelle hasta hacer tope con él. 4. El conductor baja de nuevo, entra en el muelle y abre la puerta del muelle. 5. Pone la pasarela y se realiza la operación carga/descarga. 6. El conductor cierra la puerta del muelle, sale y sube al camión. 7. Mueve el camión hacia delante un poco y baja. 8. Cierra la puerta del camión y parte hacia su desto. La nueva puerta requiere los siguientes pasos: 1. El camión se posiciona con su parte trasera hacia la puerta y se acerca a la puerta hasta hacer tope con ella. 2. El conductor baja y entra en el muelle. 3. Abre la puerta del muelle y después, dentro del muelle abre la puerta del camión. 4. Pone la pasarela y se realiza la operación carga/descarga. 5. Cierra la puerta del camión y después la del muelle. 6. Sale, sube al camión y parte hacia el desto. Desde el punto de vista energético la diferencia entre las dos estriba en: 1. Cantidad de aire caliente que entra en el camión al usar la puerta convencional que no lo hace con la nueva. 2. Cantidad de aire caliente que entra durante la operación de carga/descarga y que en la literatura se llama grado o eficiencia de la protección de la puerta, se representa con el símbolo E. 3. Consumo del ventilador del abrigo de protección de la nueva puerta durante la operación de carga/descarga. Informe 4

5 3. Modelo matemático Básicamente se trata de un fenómeno de filtración de aire debida a lo que en la literatura anglosajona llaman cold air stack effect. La figura tenta explicar el efecto. Imagínese que un cildro lleno de aire frío ( más denso y por lo tanto con más peso) se troduce en un ambiente caliente ( aire menos denso y por lo tanto más ligero) con la boca del cildro hacia arriba. Justo a la altura de la boca la presión es la misma fuera y dentro. S embargo a cada lado del cildro ( por fuera y por dentro de éste) las presiones son diferentes debido a la diferencia de densidad del aire (dentro y fuera). Dentro el aire pesa más y la presión es mayor que la exterior. Si en la parte ferior del cildro se abriera un orificio el aire caliente entraría por arriba y el aire frío saldría por abajo movido par esa diferencia de presiones ( como ilustra la figura). Este es el afecto de apilación stack del aire frío y es lo que ocurre cuando se abre la puerta de una cámara frigorífica a un ambiente más cálido. El fenómeno ha sido bastante estudiado en relación a cámaras frigoríficas. Por ejemplo la universidad de Bristol (en UK) (ver [1]) hizo estudios exhaustivos y detallados sobre el volumen de aire frío que sale de una cámara. Plano neutro Informe 5

6 Existen varias correlaciones semi-empíricas que se han ido ajustando a los experimentos; Tamm [2], Fritzsche and Lilienblum [3], Gosney and Olama [4]. La universidad de Bristol, el Cemagref (L stitut de recherche en sciences et technologies pour l'environnement de Francia) y el ASHRAE americano han convenido que actualmente la correlacion más exacta es la de Gosney y Olama: Presión terior cildro Frio Caliente Presión en el exterior del cildro Plano neutro. Igualdad de presiones Presión neta hacia el exterior (1) Q.221AgH out / out Q[m 3 /s] A[m 2 ] H[m] g[m/s 2 ].r[kg as/m 3 ].rout[kg as/m 3 ] caudal de aire frío tercambiado Sección de la puerta Altura de la puerta Aceleración de la gravedad Densidad del aire frío. Kg de aire seco por metro cúbico Densidad del aire caliente. Kg de aire seco por metro cúbico La ventaja de esta ecuación frente a las anteriores es que tiene en cuenta la contracción de la corriente de aire caliente al enfriarse cuando entra en la cámara y se ajusta más a los resultados medidos y calculados mediante métodos más detallados, esto es CFD (Computational Fluid Dynamics). La ecuación anterior se puede transformar en potencia calorífica con la ecuación; (2) Pot[ kw ] Q h out h Dónde: Hout [kj/kg as] h [kj/kg as] Entalpía específica del aire húmedo caliente (por kg aire seco) Entalpía específica del aire húmedo frío (por kg aire seco) Esta ecuación representa la cantidad máxima de potencia necesaria si toda la sección de la puerta estuviera abierta. ASHRAE propone usar este valor como un valor superior y corregirlo en función de las protecciones como: Informe 6

7 (3) Pot [ kw ] Q h h 1 E out Dónde E es la eficiencia de la protección. Un valor de 1 significa que no se filtra nada. Un valor E de 0 significa que se comporta como una puerta totalmente abierta. Estudios recientes [5] hechos en Nueva Zelanda con gas trazador dican que la puerta del muelle tapada simplemente con la caja del camión y s nguna otra protección ofrece un valor de E del 40% ( ó 0.4). Las lonas flexibles de plástico, como las que poseen los muelles convencionales visitados, ofrecen un E del entre el 60 y el 80%. En otras palabras dejan pasar al terior del orden de un 20%-40% del caudal máximo calculado con la ecuación de Gosney y Olama. Esto concuerda con los resultados encontrados en las mediciones de este estudio y que se comentan en las siguientes secciones. La cantidad de energía que entra en el muelle debida a los aspectos diferenciales entre las dos puertas (convencional y nueva): 1. Cantidad de energía asociada a la masa de aire que llena el volumen no ocupado por la carga del camión (expresado como el factor de carga). Ecamión kj ] VolumenCamión (1 f ) h h [ c arg a 2. Cantidad de aire filtrado durante la operación de carga/descarga E f iltración[ kj] Q h h 1 E t Q Q h h 1 E out t * h out h 1 E t operacion out operacion _ pasarela out out operacion _ c arg a / desc arg a a. E * es el valor de la eficiencia de las protecciones ponderada por el tiempo que dura cada tipo de protección ( con y s la pasarela echada). Durante las medidas se observó que cuando la rampa - entre el muelle y el camión- no estaba echada, la sección de paso era considerablemente mayor. Esta circunstancia duró apenas 30 segundos y rebaja la protección alrededor de un 3%. Nota: t operación es el tiempo de la operación de carga y descarga en segundos. 3. También entra una cierta cantidad de energía por radiación. S embargo ambas puertas muestran unas temperaturas del mismo orden de magnitud durante la operación por lo tanto la diferencia entre ambas es mínima. En cualquier caso como se verá en las fotografías frarrojas en prcipio la nueva puerta evita algo más esta entrada de energía. 4. Hasta aquí las ecuaciones son las mismas para ambas puertas. Para la nueva puerta habría que tenerse presente adicionalmente el consumo del ventilador que mantiene el abrigo protector hchado durante la operación. Eventilador[ kj ] Potencia _ ventilador( kw ) t operación Informe 7

8 En defitiva la demanda de energía térmica por unidad de operación (carga/descarga) que pide la puerta convencional frente a la nueva se podría estimar como: E[ kj] Ecamión E f iltración( convencional) E f iltración( nueva) Teniendo en cuenta que a la energía eléctrica consumida y usada para compensar ésta diferencia entre las cargas térmicas debidas a la diferente protección de ambas puertas, habría que restar la energía eléctrica que consume el ventilador (de una potencia de 1 [kw]) que mantiene hchado el abrigo de la nueva puerta durante la carga/descarga. Nota: salvo el ventilador, todos los demás térmos dependen de las condiciones exteriores de temperatura seca y humedad y éstas van cambiando con la hora del día. Por ello el cálculo debe hacerse para cada hora, pues los datos climáticos disponibles poseen esa frecuencia. El cálculo se realizará siempre y cuando la densidad del aire exterior sea ferior a la del aire terior (la del muelle). Informe 8

9 4. Mediciones Las mediciones realizadas el viernes 2 de Julio de 9 a 10:30 se resumen en: 1. Condiciones exteriores a. Tseca y Humedad 2. Condiciones teriores a. Tseca y Humedad 3. Velocidad del aire en la sección ferior de las puertas convencionales. 4. Fotografías para el cálculo de las secciones de salida del aire. 5. Termografía frarroja de las puertas. El objetivo de las mediciones tuvo dos vertientes: 1. Corroborar las hipótesis de partida. 2. Estimar el grado de protección ofrecido por la puerta convencional y la nueva. 4.1 Resultados de las mediciones Condiciones exteriores: Los valores medidos fueron: Tseca= 27 [ºC] Hr=53 [%] Condiciones teriores: La condición de consigna del muelle es Tseca=4.5 [ºC]. No existe control de humedad en el muelle de refrigerados. Durante las mediciones hay que destacar lo siguiente. Los sensores de temperatura y humedad terior cambiaban fuertemente durante la operación de carga/descarga del camión al usar la puerta convencional. Así la temperatura subía hasta aproximadamente los 6.5 [ºC] y la humedad relativa desde un 68% hasta un 78%. Cuando de nuevo se cerraba la puerta del muelle los equipos ternos restablecían la temperatura de consigna del muelle entre unos 5 a 10 mutos. Los datos anteriores nos permiten estimar las condiciones higrométricas del aire dentro y fuera; densidad y entalpía, fundamentalmente que son usadas para el cálculo del caudal máximo con la fórmula de Gosney Y Olama. Medidas de velocidad del aire y fotografías para el cálculo de las secciones de salida del aire frío: Se midió la velocidad del aire en la sección ferior de las puertas convencionales, tanto por el exterior como por el terior: Informe 9

10 Medición de velocidad por el exterior Sección sobre la que se hizo las medidas de velocidad del aire frío a la salida La velocidad resultó oscilar entre los 2.5 y 3 [m/s]. Utilizando herramientas de CAD y en base a las fotografías se estimó la sección de salida: La medición dio como resultado que en cada lado la sección era de: Secciones medidas a los lados de la parte ferior= =0.196 [ m2 ] *2 lados= [m2] Informe 10

11 Si se multiplica por una velocidad de 2.5-3[m/s] da un caudal volumétrico de salida entre: [m 3 /s] ó [m 3 /h] Cuando la pasarela se retira la sección llega a ser de 0.48 [m 2 ] aproximadamente. Nota: La puerta convencional presenta a la vista muchas más aberturas como muestran las fotos. Las aberturas son debidas tanto a desajustes en el contacto del protector con la caja del camión como a la rendija que deja la visagra de la misma puerta del camión. S embargo, no se ha calculado dicha sección por la razón siguiente. La ecuación de Gosney y Olama asume que el aire entra por la mitad superior y sale por la mitad ferior (en un hueco totalmente abierto). En un caso práctico con el camión y con protecciones es muy difícil saber la sección de salida del aire con exactitud. No obstante el aire fluye por dónde hay menos resistencia hidráulica y dado que la sección ferior es tan grande prácticamente toda la masa de aire que sale del muelle lo hace por ahí y por lo tanto una masa igual está entrando por la parte superior a través de todas las rendijas. Esta hipótesis es conservadora, pues la sección de salida si se tienen en cuenta estos huelgos- será mayor que la utilizada en los cálculos, dando un grado de protección cluso algo ligeramente ferior al estimado en este estudio. Informe 11

12 Bisagra puerta camión Huelgos laterales Al comparar estas mediciones sobre el caudal que sale y la fórmula de Gosney y Olama usando las condiciones medidas de Tseca y humedad relativa Hr en el exterior y en el muelle, se obtuvo que la eficiencia de la protección que ofrece la puerta convencional debe estar alrededor de E=0.67 ( ó un 67%, el resto, un 33% del valor máximo de Gosney, es aire frío que sale del muelle). Para obtenerlo este valor experimentalmente basta con despejar el valor de E de la fórmula siguiente utilizando los datos medidos: Q estimado _ real Esto es: E out AgH / out 0.221A gh 0.5 Q estimado _ real out / Obviamente este valor fluctúa con la precisión en las medidas, s embargo concuerdan bastante bien con los resultados del Instituto de Energia de Nueva Zelanda que daba un grado de protección del orden del 60-80%. Hay que tener presente que este valor de 67% es el valor E * ponderado, esto es, teniendo presente adicionalmente la pérdida de protección ocasionada por la sección abierta de la pasarela que se ha estimado que penaliza la protección en un 3%. En el caso de la puerta nueva, no se apreció ni a simple vista ni con la termografía frarroja zonas por dónde se filtrara el aire. El 100% de protección no existe y la literatura anglosajona dica que este tipo de puertas presentan un grado de protección de entre el 96-98%. out E Informe 12

13 Detalle de la nueva puerta desde el exterior Detalle de la nueva puerta, desde el terior Termografía frarroja de las puertas : A Informe 13

14 B Las fotografías (A) representan la imagen en el frarrojo y en el visible respectivamente de la nueva puerta, mientras que las (B) son las imágenes para la puerta convencional. Es importante aclarar que las zonas ilumadas dican presencia de energía radiante (calor radiado en el frarrojo). NO INDICAN TEMPERATURA. Es posible observar una zona muy caliente y que aparezca oscura oscura en la fotografía frarroja. Eso es debido a que su emisividad es baja, como ocurre por ejemplo con los metales. S embargo, dado que casi todo lo que se vé está hecho de plástico o tiene ptura plástica, su emisividad es parecida y se ajusta a la emisividad a la que fue tarado el sensor de radiación (ε=0.9), de forma que la escala de temperaturas asociada a dicho tarado también da una idea aproximada de las temperaturas.(nota: la temperatura que figura en la parte superior izquierda es la temperatura que tiene el punto marcado con una cruz siempre que la emisividad de aquello a lo que apunta, sea la que figura debajo en este caso 0.9-). De las fotografías se aprecia que la apertura de las puertas del camión en el terior del muelle en el caso de la nueva puerta ayuda en algo a evitar esa entrada radiante,en contraposición al caso de la puerta convencional. La parte superior se mantiene en ambos casos en condiciones parecidas. Informe 14

15 C El plástico protector en su parte ferior alcanza los 15 [ºC] en la puerta convencional debido a la salida de aire frío (ver C) desde el muelle. D En la parte superior de la puerta nueva (ver D) la temperatura de la protección era de unos 20 [ºC] ( fuera Ts_ext=27[ºC]) y en la convencional (ver E) también era de ese orden. Esto es lógico pues las protecciones se encuentran en el exterior. Se aprecia, no obstante, que la fotografía frarroja de la nueva puerta (fotos-d) tiene un claro contraste entre la zona caliente (color claro) y la fría (zona oscura de la caja del camión), mientras que la puerta convencional (fotos-e) muestra una zona difumada, justo dónde se encuentra el huelgo de la protección y la caja del camión. Eso dica una entrada de aire caliente. E Informe 15

16 5. Resultados Para el detalle de los resultados ver el anexo de cálculos. Simplemente dicar lo siguiente: 1. Los resultados deben tomarse como valores esperados o bien como un orden de magnitud. Se basan en ficheros climatológicos de un año medio usado para la certificación energética de edificios y proceden del Misterio de Industria, Energía y Comercio. 2. Los resultados generales muestran las diferencias entre una puerta convencional y la nueva y se han dividido en: 2.1 Energía demandada (MJ). (ENERGÍA) 2.2 Coste (Euros). (ECONOMÍA) 2.3 Emisiones (toneladas de CO2 fósil al año) (MEDIO AMBIENTE). 3. Energía demandada es la energía que entra en el muelle, bien en forma de temperatura (sensible) es aire más caliente- bien en forma de vapor de agua (latente)- es aire con mayor humedad que el muelle. Por lo tanto es energía que debe ser extraída del muelle para manterner sus condiciones. Los equipos deshumectadores sólo ven la parte latente. Los equipos de evaporadores sólo ven la parte sensible, aunque también se llevan algo de la parte latente. La proporción de carga latente que se llevan los evaporadores depende de la temperatura del refrigerante dentro del evaporador. La parte de latente que se llevan podría estar alrededor del % del latente total. Así el consumo de frío de los evaporadores debe corporar la carga sensible y parte de la latente. Para saber qué parte exactamente (20, 30, 40 % etc ) habría que hacer un estudio aparte. Aquí se ha asumido un 40%. En los cálculos se muestra el valor total (toda la carga sensible y latente) para mantener el muelle en unas ciertas condiciones de temperatura seca y humedad. 4. Para obtener el coste se ha asumido un COP ( energía extraída partido por la energía eléctrica sumistrada) medio estacional de 2. ATENCIÓN: Esto es para el sistema de evaporadores exclusivamente. En el caso de los deshumectadores con desecantes, la eficiencia de los deshumectadores extraída del catálogo sumistrado por ALAPONT es Esto significa que para extraer la carga latente Qlat se usa Welec=Qlat/0.813 unidades de energía eléctrica. S embargo el aire deshumectado se retroduce en el muelle y ahora está más seco y más caliente, esto es, prácticamente con la misma entalpía. Por lo tanto, el Informe 16

17 deshumectador ha convertido la carga latente en carga sensible (Qlat >> Qsen), pero sigue siendo carga para los evaporadores. Por lo tanto el trabajo consumido para esta extraer esta carga será Welec=Qlat/2 a la cual debe añadirse la extracción la la carga sensible normal Welec=Qsen/2. Falmente el valor de demanda de energía se divide por 2 para obtener un valor de energía eléctrica consumida Welec por los compresores del sistema de refrigeración y se multiplica por el coste del kwh eléctrico, que se asumió de acuerdo con dicaciones de CLIENTE FINAL- de 10 céntimos/kwh eléctrico. 5. Las emisiones de CO2 fósil al año que se evitan con la nueva puerta se han obtenido usado el factor de 649 gr de CO2 / kwh eléctrico, publicado por el IDAE para su uso en la certificación energética de edificios. Aunque pensamos que su valor real podría estar alrededor de la mitad (350 gr). 6. Referencias [1] Experimental verification of analytical and CFD predictions of filtration through cold store entrances A.M. Fostera*, M.J. Swaa, R. Barrettb S.J. Jamesa a FRPERC, University of Bristol, Churchill Buildg, Langford, Bristol, BS40 5DU, UK, Tel: +44 (0) Fax: +44 (0) , b Department of Aeronautical Engeerg, University of Bristol, Queens Buildg, University Walk, Bristol, BS8 1TR, UK, Tel: +44 (0) *Correspondg author, a.m.foster@bristol.ac.uk [2] - Tamm W., Kalterveluste durch kuhlraumoffnungen. Kaltetechnik- Klimatisierung, 1966, Vol. 189, p [3] - Fritzsche C.,Lilienblum W., Neue messengun zur bestimmung der kalterluste an kuhlraumturen. Kaltetechniik-Klimatiserung, 1968, Vol. 20, p [4] - Gosney WB., Olama HAL. Heat and enthalpy gas through cold room doorways. Proc Inst of Refrig., 1975, Vol. 72, p [5] Air filtration through loadg dock truck-trailer doors, National Energy Research, New Zealand Informe 17