PLANTA PILOTO EXPERIMENTAL DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN A GAS NATURAL COLOMBIANO

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1 PLANTA PILOTO EXPERIMENTAL DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN A GAS NATURAL COLOMBIANO Autores: Sarria López, B. Fajardo Cuadro,J; Meza Blanco, J; Abuchar Curi,A. Universidad Tecnológica de Bolívar, Colombia. RESUMEN La tecnología de climatización por absorción a gas natural es objeto de investigación en diversas partes del mundo, destacándose un grupo de universidades de Estados Unidos, Inglaterra, España, México, etc. Estas investigaciones se realizan con el propósito de mejorar los procesos que intervienen en la tecnología mencionada y para profundizar en el nivel de conocimiento de la misma. Además, el empleo de esta tecnología, en comparación con la tecnología de climatización por compresión, reduce los costos energéticos y el nivel de impacto ambiental, para idéntica capacidad. Los sectores tales como el hotelero, industrial y residencial de Cartagena y de la Costa, demandan una elevada carga de climatización, que se pudiera satisfacer utilizando la tecnología de absorción a gas natural en lugar de la tecnología por compresión, con las ventajas económicas y ambientales, que ello implicaría. El objetivo de este trabajo es debatir el diseño y alcance de un proyecto de investigación el cual tiene como objetivo general Optimizar el comportamiento energético, económico y ambiental del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural, para las condiciones especificas de Colombia. Se ha concebido una Planta Piloto Experimental a partir de una instalación existente que tiene una capacidad de 100 TR, que garantiza el confort de 20 aulas y el auditorio de la Universidad Tecnológica de Bolívar, Colombia. La realización de ensayos experimentales en la Planta Piloto mencionada, en unión a la Simulación Computacional, posibilitarán obtener criterios técnicos innovadores sobre el proceso, el diseño y los parámetros de operación de los distintos componentes de los Sistemas de Climatización en general y en particular del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural.

2 INTRODUCCIÓN: El objetivo general del proyecto es el siguiente: Optimizar el comportamiento energético, económico y ambiental del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural, para las condiciones especificas de Colombia OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Equipar, instrumentar y poner en explotación La planta Piloto Experimental del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural (SRAGN) 2. Desarrollar un Software para la Gestión de la Explotación On-Line del SRAGN que realizará: el monitoreo y control operacional; brindará consejos para la operación eficiente; brindará reportes y análisis de indicadores de la calidad de la operación del sistema; indicará la programación del uso de los locales como resultado del análisis energético y económico. 3. Perfeccionar los procesos involucrados en la producción de frio (Climatización) por absorción a gas natural, Optimizando la explotación del SRAGN y estableciendo el rango de valores en los cuales deben permanecer los parámetros de explotación más significativos para garantizar el confort higro-térmico. 4. Realizar estudios de Simulación para fortalecer el nivel de conocimiento acerca del comportamiento de la planta de climatización, en las condiciones reales de la región, y de esa manera obtener criterios para mejorar alternativas operacionales de la climatización, así como juicios sobre el diseño del SRAGN. 5. Mediante estudios de simulación realizar la evaluación preliminar de la Producción Centralizada de Climatizacion Residencial, empleando la tecnología de Refrigeración por Absorción a gas Natural. 6. Elaborar un Programa Académico, que combine la investigación y la docencia, con el propósito de utilizar las instalaciones de la planta piloto experimental en la capacitación técnica del personal que trabaja en las empresas de climatización y del gas natural de Cartagena. Igualmente, utilizar la planta piloto en la formación de los recursos humanos que cursan maestrías, especialidades, diplomados, siendo flexible para su adecuación a estudiantes de pregrado.

3 7. Difundir y aportar argumentos técnicos sobre las bondades de la refrigeración por absorción que posibiliten generalizar este sistema en el sector hotelero, industrial y residencial, dadas las condiciones climáticas de Cartagena y las disponibilidades de gas natural en Colombia. DESARROLLO: METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Para el cumplimiento de los objetivos del proyecto se ejecutarán las siguientes fases metodológicas: Revisión bibliográfica: Se recopilará y procesará información acerca de los siguientes temas: Proceso de Refrigeración por Absorción a Gas Natural. Proceso de combustión; transferencia de calor y masa. Climatización; calidad del confort higro-térmico. Indicadores económicos, ambientales y sociales de la climatización. Modelación matematica de procesos térmicos y Métodos de optimización. Diseño de experimentos y procesamiento de los datos obtenidos durante la ejecución de los ensayos experimentales. Simulación computacional. Métodos de análisis termoeconómicos. Captación, transmisión y almacenamiento, en tiempo real on-line-, de las señales correspondientes a los parámetros de operación que se controlarán. Ingeniería de software y gestión operacional mediante el uso de la computación. Instrumentación y puesta en marcha de la Planta Piloto Experimental de Refrigeración por Absorción a Gas Natural colombiano. En esta etapa se realizará la adecuación a Planta Piloto Experimental del Sistema de Climatización, de 100 toneladas, existente en la universidad tecnológica de Bolívar. Con tal propósito se realizarán varias tareas entre las que se encuentran: Selección de los locales que serán objetos de control de la calidad del confort higro-térmico. Selección de las variables a medir y de los puntos donde se realizarán las mediciones. Selección y montaje de los instrumentos de medición. Selección y montaje de los dispositivos y accesorios necesarios para el monitoreo on-lin del funcionamiento del sistema.

4 Selección de los puntos donde se realizarán las lecturas de las condiciones atmosféricas, así como de la emisión de gases de combustión contaminantes. Puesta en marcha de la planta y análisis comparativo de los parámetros obtenidos por medición con los indicados por el fabricante y los ajustados durante la prueba de aceptación y calidad, ejecutada al sistema. Elaboración del plan experimental, que servirá de guía durante la ejecución de los ensayos en la Planta Piloto. Elaboración del Software mediante el cual se realizará el monitoreo y control operacional en tiempo real, y que además emitirá un grupo de consejos técnicos para la operación eficiente. Esta etapa incluye: Elaboración y programación de las diferentes metodologías de cálculo, las cuales se aplicarán para evaluar el comportamiento de los procesos que intervienen en la climatización, mediante el sistema de absorción con gas natural. El diseño modular del software. La concepción de los datos de salida del programa: tablas, gráficos, consejos, etc. Evaluación en continuo en la Planta Piloto Experimental por Absorción a Gas Natural Los ensayos experimentales se realizarán cumpliendo el diseño metodológico establecido para ello. Durante estos ensayos se asegurará que la Planta Piloto opere a las diferentes cargas (capacidad de climatización) seleccionadas. Los datos experimentales se someterán a un procesamiento y análisis estadístico, utilizando para ello el programa profesional que se decida a tal efecto. Del análisis de losa resultados experimentales y del procesamiento matemático se obtendrán: Los modelos matemáticos, que se utilizarán para la posterior optimización del sistema. Los rangos de los parámetros de explotación en los cuales los indicadores energéticos, económicos y ambientales resultan más idóneos.

5 Simulación computacional del proceso de climatización. Se desarrollará una herramienta que posibilite evaluar cómo sería el desempeño del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural, si este trabajara para las condiciones existentes en el sector hotelero, industrial y residencial de Cartagena. La combinación de estudios por simulación con cálculos de capacidad de refrigeración, será el procedimiento que se utilizará para evaluar preliminarmente la producción centralizada de climatización residencial empleando el sistema de refrigeración por absorción a gas natural. Elaboración del Informe final. En el informe técnico final se incluirá los resultados más significativos de los ensayos experimentales realizados en la Planta Piloto, incluyendo una valoración detallada del cumplimiento de los objetivos, resultados e impactos planificados en el proyecto RESULTADOS/PRODUCTOS ESPERADOS Con el desarrollo y cumplimiento de los objetivos específicos del proyecto se alcanzarán los resultados que a continuación se detallan: Generación de conocimientos 1. La instrumentación y puesta en marcha de La Planta Piloto Experimental del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural (SRAGN) materializará un resultado muy destacado de este proyecto y con ello la Universidad Tecnológica de Bolívar y Colombia, dispondrán de este tipo de instalación ubicándose en situación similar a prestigiosas universidades e instituciones del mundo que realizan investigaciones de punta específicamente en los SRAGN. Esta Planta Piloto sería la primera de su tipo que se pondrá a disposición de la comunidad científica. 2. El desarrollo de las investigaciones en esta Temática del SRAGN, que se está imponiendo en el Mercado Internacional, producirá un grupo de resultados e impactos que están dirigidos hacia el mejoramiento de los procesos de transferencia de calor y masa, la combustión, así como del impacto ambiental, todos asociados a la generación y utilización del confort higro-térmico que el sistema de absorción a gas natural ofrece. Este mejoramiento tiene su carácter original e innovador, materializado en: El modelo termoeconomico adecuado y aplicado con creatividad a los procesos internos del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural (SRAGN).

6 El programa de computación para la Gestión, Monitoreo y Control On-Line, de la planta piloto SRAGN. El rango de operación de los parámetros fundamentales, para los gastos mínimos. 3. Se producirá un modelo matemático multivariable obtenido experimentalmente y que servirá de base para la optimización operacional. 4. El Fortalecimientos de las Alianzas Científicas entre los Grupos ejecutores del proyecto, conjugándose sinergicamente las líneas de investigación siguientes: GRUPO LÍNEA DE INVESTIGACIÓN EOLITO Eficiencia Energética y Uso Racional de la Energía; Fuentes Alternativas y Mecánica de los Fluidos Aplicada. GAICO Control de Sistemas Industriales; Modelación y Simulación de Sistemas y Diseño de Sistemas Electrónico. GIPC Productividad; Gestión y Diseño de Productos y de la Calidad GRITAS Redes Telemáticas; Ingeniería de Software; Programación y Compiladores e Inteligencia Artificial. La creación de una nueva Línea de Investigación Robusta en la temática de la Climatización se sustenta en el aporte creativo e innovador de los investigadores y estudiantes de las diferentes líneas de referencia, aplicando y profundizando en el conocimiento mediante la aplicación del carácter rector de la transdisciplinareidad. 5 El Aporte a la Consolidación de un Área Estratégica dado por el hecho de que la Refrigeración por Absorción a Gas Natural en la actualidad es objeto de estudio y de perfeccionamiento por sus ventajas energéticas y ambientales y por esta razón en varios países se desarrollan investigaciones de punta en busca del perfeccionamiento del sistema, para lo cual disponen de instalaciones experimentales de refrigeración por Absorción. Los resultados alcanzados en los ensayos experimentales de la Planta Piloto de este proyecto tendrán un elevado grado de competitividad nacional e internacional púes estarán apoyados en métodos modernos de análisis termoeconómicos del uso racional de la energía, en la

7 gestión de la calidad de la operación On-Line y en la modelación y simulación del sistema. 6. El desarrollo de la Planta Piloto, el mejoramiento de los procesos y el desarrollo de software constituyen de por sí áreas estratégicas en le desarrollo científico de Colombia y en particular para la Universidad Tecnológica de Bolívar, debido al enorme entorno Hotelero e Industrial de la ciudad de Cartagena y de la costa, región donde la Climatización tiene una prioridad máxima, lo cual justifica aún más la ejecución del presente proyecto. Fortalecimiento de la capacidad científica nacional Los resultados del proyecto que constituyen aportes al fortalecimiento de la capacidad nacional de investigación estarán dados por: La simulación de las condiciones ambientales y de las capacidades de climatización demandadas en el sector industrial, comercial y residencial, a partir de lo cual se pueda validar lo ventajoso del SRAGN con respecto al Sistema de Climatización por compresión. La puesta en marcha de la Planta Piloto para los estudios de climatización, similar en cuanto a su concepción y diseño experimental a las existentes en países como Estados Unidos, Inglaterra, España, México, etc. La realización de dos tesis de Grado en la carrera de Ingeniería Mecánica. La realización de una Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica, con énfasis en Eficiencia Energética. Fortalecimiento de la cooperación científica entre los Grupos EOLITO, GAICO, GRITAS y GIPC. La capacitación técnica a especialistas de las empresas de climatización y de gas natural. Apropiación social del conocimiento Publicación de artículos en revistas internacionales o nacionales indexadas por COLCIENCIAS; estas publicaciones estarán orientadas hacia los siguientes aspectos: Rendimiento energético del SRAGN; Simulación y Modelación; Diseño y procesamiento de los experimentos; ingeniería del software para la gestión de la explotación. Organización y desarrollo de seminarios de Capacitación a técnicos y especialistas de las empresas de climatización y de gas natural. Charlas a estudiantes de diferentes ingenierías.

8 Presentación de trabajos en eventos. IDENTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA INNOVACIÓN PROPUESTA 1. La ejecución de este proyecto de investigación posibilitará disponer de una Planta piloto experimental sobre Refrigeración por Absorción a Gas Natural que sería la primera de su tipo en Colombia. Esto abre y sustenta una Nueva Línea de Investigación muy fuerte e importante para la TECNOLÖGICA, para Cartagena y para la toda la Región de la Costa. La Universidad Tecnológica de Bolívar integraría el grupo de universidades que a nivel mundial realizan investigaciones sobre el Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural (SRAGN), en instalaciones similares. La realización de ensayos experimentales en la Planta Piloto mencionada, en unión a la Simulación Computacional, posibilitarán obtener criterios técnicos innovadores sobre el proceso, diseño y los parámetros de operación de los distintos componentes de los Sistemas de Climatización en general y en particular del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural. 2. El software para la Gestión de la Explotación On Line del SRAGN es un resultado innovador muy importante de la investigación y constituye el principal Know-How generado en el presente proyecto. A partir de la experiencia y conocimientos que se adquieran, se podrán generara otros programas de computo para sectores tales como hoteles, hospitales y empresas, donde resulta muy valioso e importante el monitoreo y control operacional de los sistemas de climatización. 3. El mejoramiento de los procesos que intervienen en la producción de la Climatización, como resultado de la evaluación termoeconómica aplicada en el análisis de la eficiencia y los costos de las corrientes internas y de los productos del SRAGN. La metodología para la evaluación energética, económica y ambiental del SRAGN, en su conjunto, constituirá un resultado innovador del proyecto pues incluirá la calidad del confort y además, el comportamiento de cada uno de los subsistemas de la absorción a gas natural colombiano. 4. El modelo matemático multivariable que se obtendrá a partir del procesamiento estadístico de los datos obtenidos en los ensayos experimentales realizados en la Planta Piloto. Este modelo se utilizará para realizar la Optimización de la explotación y servirá de base para determinación del rango de valores en que deben mantenerse los principales parámetros operacionales.

9 CONCLUSIONES: IMPACTOS ESPERADOS Impactos científicos y tecnológicos del proyecto en las entidades participantes Formación de recursos humanos en investigación, nuevas tecnologías y en gestión tecnológica Dos estudiantes de Ingeniería Mecánica desarrollarán su Tesis de Grado en temas aplicados a la Planta Piloto, en lo referente a los parámetros operacionales del SRAGN y a la aplicación del sistema híbrido de energía: gas natural y energía solar. El desarrollo de una Tesis de Maestría en Ingeniería, con énfasis en eficiencia energética, basada en los ensayos experimentales ejecutados indagando el uso racional y eficiente de la energía en estos sistemas de climatización. Mediante la realización de seminarios y/o cursos de capacitación a los técnicos de las empresas que comercializan y utilizan equipos y componentes de climatización, así como a especialistas de las empresas del gas natural. Registro y documentación técnica del Know-How El software para la Gestión de la Explotación On-Line del Sistema de Refrigeración por Absorción a Gas Natural producirá un fuerte impactos tecnológico y constituye el principal Know-How generado con la ejecución de este proyecto. c). Consolidación de capacidades para realizar actividades de I&D en la entidad La dotación de la Planta Piloto Experimental de Refrigeración por Absorción a Gas Natural será la PRIMERA de su tipo en Colombia El fortalecimiento de las alianzas de investigación entre cuatro Grupos Científicos - EOLITO, GIPC, GRITAS y GAICO en una línea de investigación robusta, en la temática de la refrigeración por absorción a gas natural. d) Mejoramiento en la oferta de servicios tecnológicos

10 Los investigadores, técnicos y especialistas participantes en las investigaciones a través de los grupos ejecutores del proyecto, profundizarán y ampliarán en el nivel de conocimiento sobre el SRAGN y sobre la climatización en general, con lo cual se ampliará las ofertas de servicios a Hoteles, Hospitales, empresas y otras entidades de Cartagena que emplean la Climatización. Impactos sobre la productividad y competitividad a) Mejoramiento de la productividad El mejoramiento de los procesos que se manifiestan en la producción de la climatización ( Transferencia de calor y Masa, Combustión del Gas Natural, Impacto Ambiental, etc) unido a la profundización del conocimiento, podrá actuar favorablemente para eliminar las incertidumbres existentes sobre la refrigeración por absorción a gas natural y se mejoraría la productividad de esta Tecnología en el supuesto caso que en el futuro se generalice en Cartagena y en otras regiones de la costa y de Colombia. b) Regiones y comunidades beneficiadas por el proyecto Las refrigeración por absorción a gas natural se puede aplicar a los sectores residenciales, hoteleros, empresariales y de servicios, de amplias regiones y comunidades de Cartagena y de la Costa, puesto que el costo y el impacto ambiental del confort producido con esta tecnología en mucho menor que cuando se utiliza la climatización por compresión. Impactos sobre el medio ambiente y la sociedad De generalizarse la climatización producida mediante la tecnología de absorción a gas natural se producirá: 1. Una reducción del consumo de energía eléctrica para satisfacer la calidad del confort por climatización 2. Una reducción en el consumo de recursos naturales y de combustible fósiles. 3. Una reducción en la generación de emisiones gaseosas, vertimientos y residuos sólidos.

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