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Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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3. Capítulo 3: Análisis energético de la planta.
Este capítulo desarrolla la realización del balance de potencias existente en todos los elementos de la
planta. La Figura 42 muestra un esquema de las diferentes potencias y su distribución existente en la
planta en estudio así como de las principales perdidas que se producen. Para realizar dicho balance se
comenzará por la realización del balance en los elementos principales y situando las pérdidas
producidas en cada uno de ellos. Además del balance de potencias se podrá determinar los balances
de energía existentes utilizando la integración de la potencia.
Una vez mostrado los balances necesarios en cada sector de la planta, se procederá a realizar un
modelado teórico del balance energético de la planta mediante el programa EES, en dicho balance se
podrá mostrar las evaluaciones de distintos parámetros como temperaturas, caudales, COP que
finalmente serán comparados con los resultados experimentales obtenidos mediante la evaluación y
recopilación de datos de la planta realizados por el departamento de termotecnia en años previos.
Se debe comentar que el balance energético tanto el modelo en EES como el experimental se va a
realizar sin poder tener en cuenta la incorporación del acumulador, que si se muestra al realizar el
análisis energético mediante ecuaciones teóricas. Ello es debido a que en la situación actual de la
planta aún no se ha podido recopilar datos esclarecedores del funcionamiento del acumulador.
Tras el estudio teórico de las ecuaciones, el modelado teórico y la evaluación experimental, se
extrapolarán los resultados para la obtención de las conclusiones obtenidas del proyecto. A
continuación desarrollaremos el cálculo de cada una de estas potencias y pérdidas para cada circuito,
es decir para el circuito solar, circuito de condensación y el circuito del colector de frío. Así como el
balance total en la MADE.
Nota: Se recomienda ver en primer lugar el glosario de términos.
3.1. Evaluación energética teórica de los elementos principales.
3.1.1. Circuito solar.
- Potencia radiante (
Potencia solar que incide sobre los espejos del captador Fresnel. Se determina:
(Ecuación 1)
Siendo:
Radiación normal directa medida en el instante de cálculo. Medida por el Pirheliómetro.
Superficie útil de captación: .
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Figura 42. Balance energético
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- Potencia radiante incidente ( )
Potencia real que se encuentra disponible, esta depende del sistema de control, puesto que este actúa
para desenfocar una serie de espejos si la temperatura de salida excede de la máxima permitida
(180ºC).
(Ecuación 2)
Siendo:
Factor de enfoque, porcentaje de espejos correctamente orientados hacia el tubo absorbedor.
Figura 43. Esquema circuito solar
- Potencia absorbida (
Potencia que finalmente se intercambia con el fluido que circula por los tubos absorbedores. Se
determina:
(Ecuación 3)
(Ecuación 4)
Siendo:
Caudal volumétrico de la corriente que atraviesa el captador. Caudalímetro QS2
Caudal másico de la corriente que atraviesa el captador.
Temperatura de entrada del captador Fresnel. Sensor TS4
Temperatura de salida del captador Fresnel. Sensor TS3
Densidad del agua media del circuito solar:
Calor específico a presión constante, valor medio del circuito solar:
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- Potencia del acumulador (
Potencia almacenada en el acumulador de cambio de fase del circuito solar. Se determina:
(Ecuación 5)
(Ecuación 6)
Siendo:
Caudal volumétrico de la corriente que atraviesa el acumulador. Caudalímetro QS3.
Caudal másico de la corriente que atraviesa el acumulador.
Temperatura de entrada del acumulador de cambio de fase. Sensor TS6
Temperatura de salida del acumulador de cambio de fase. Sensor TS5
Densidad del agua media del acumulador:
Calor específico a presión constante, valor medio del acumulador:
- Potencia cedida a la MADE por el circuito (
Potencia calorífica que el agua del circuito solar aporta a la MADE. Se determina:
(Ecuación 7)
(Ecuación 8)
Siendo:
Caudal volumétrico que atraviesa la MADE por parte del circuito solar. Caudalímetro QS1.
Caudal másico de la corriente que atraviesa la MADE por la parte del circuito solar.
Temperatura de entrada a la MADE. Sensor TS1
Temperatura de salida a la MADE. Sensor TS0
Densidad del agua media del circuito solar:
Calor específico a presión constante, valor medio circuito solar:
- Pérdidas por desenfoque (
Pérdidas de potencia asociadas a la fracción de espejos desenfocados. Se determinan:
(Ecuación 9)
Al calcular se comete un error de cálculo ya que se cometió calculando .
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- Pérdidas en el captador (
El total de pérdidas que se producen en el captador. Se determinan:
(Ecuación 10)
Al calcular se comete un error de cálculo ya que se cometió calculando .
- Pérdidas ópticas y térmicas (
Las perdidas ópticas y térmicas son las perdidas existentes en el captador. Las térmicas son debidas a
la diferencia de temperatura entre el fluido que circula por el captador y la temperatura ambiente y
las ópticas son debidas a la geometría del equipo y la posición relativa de los espejos respecto al Sol.
(Ecuación 11)
3.1.2. Circuito de condensación.
En la Figura 44 se muestra el esquema de principio del circuito de condensación de la instalación.
- Potencia disipada por el condensador (
Potencia calorífica disipada en el condensador de la MADE. Se determina:
(Ecuación 12)
(Ecuación 13)
Siendo:
Caudal volumétrico que atraviesa el condensador de la MADE. Caudalímetro QB1.
Caudal másico que atraviesa el condensador de la MADE.
Temperatura de entrada a la MADE por el circuito de condensación. Sensor TB1
Temperatura de salida a la MADE por el circuito de condensación. Sensor TB2
Densidad del agua media del circuito de condensación:
Calor específico a presión constante, valor medio del circuito de condensación:
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Figura 44. Esquema circuito de condensación
3.1.3. Circuito de frio
En la Figura 45 se muestra el esquema de principio del circuito de frío de la instalación.
Figura 45. Esquema circuito de frío
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- Potencia frigorífica producida por la MADE (
Potencia frigorífica aportada por la MADE al circuito de frio. Se expresa:
(Ecuación 14)
(Ecuación 15)
Siendo:
Caudal volumétrico que atraviesa el evaporador de la MADE. Caudalímetro QF1.
Caudal másico de la corriente que atraviesa el evaporador de la MADE.
Temperatura de entrada a la MADE por el circuito de frío. Sensor TF1
Temperatura de salida a la MADE por el circuito de frío. Sensor TF2
Densidad del agua media del circuito de frío:
Calor específico a presión constante, valor medio del circuito de frío:
- Potencia frigorífica aportada a la ESI (
Potencia frigorífica aportada por la instalación a los colectores de frío de la ESI. Se determina:
(Ecuación 16)
(Ecuación 17)
Siendo:
Caudal volumétrico que llega al colector de frío. Caudalímetro QF2.
Caudal másico que llega al colector de frío.
Temperatura de entrada de los colectores de frío. Sensor TF3
Temperatura de salida a los colectores de frío. Sensor TF4
Densidad del agua media del circuito de frío:
Calor específico a presión constante, valor medio del circuito de frío:
- Pérdidas en el circuito de frío (
Pérdidas producidas en las tuberías del circuito de frío. Se determinan:
(Ecuación 18)
Posiciones intermedias de la válvula de tres vías del circuito de frío falsean esta medida.
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3.1.4. Balance en la MADE
- Potencia de combustión (
Potencia producida por la combustión de gas natural. Se calcula mediante la siguiente expresión:
(Ecuación 19)
(Ecuación 20)
Siendo:
Caudal volumétrico de gas natural. Volumen acumulado de gas natural.
Poder calorífico inferior del gas natural:
.
- Potencia en el generador de alta temperatura (
Potencia total disponible en el generador de alta temperatura para el funcionamiento de la MADE. Se
determina:
(Ecuación 21)
- Potencia no útil (
Potencia calorífica no aprovechada por la MADE. Se determina:
(Ecuación 22)
- Balance general
El balance general en la MADE, determina que la energía de condensación, viene de la suma de las
energías en el generador y la energía de refrigeración producida.
(Ecuación 23)
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- Pérdidas en la MADE (
Se determinan descontando a la potencia no útil, la potencia disipada por el condensador de la
MADE:
(Ecuación 24)
- Pérdidas por la envolvente (
Pérdidas radiante-convectivas causadas por la diferencia de temperatura entre la MADE y el
ambiente que la rodea. Se determinan:
(Ecuación 25)
- Pérdidas en los gases de escape (
Las perdidas en los gases de escape dependerán del tipo de combustible en este caso dependerá del
tipo de Gas natural suministrado, es decir la procedencia del mismo. Conociendo las temperaturas de
entrada de agua del campo solar y dado que la temperatura necesaria de salida viene determinada por
las características de la máquina, podemos estimar las pérdidas en el escape conociendo los
siguientes parámetros:
(Ecuación 20)
C
A
L
D
E
R
A
Figura 46. Balance en a caldera.
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(Ecuación 26)
(Ecuación 27)
Siendo:
Caudal másico de la corriente que atraviesa la MADE por la parte del circuito solar.
Temperatura de entrada a la MADE. Sensor TS1
Temperatura impuesta de entrada al generador de alta temperatura. (Salida de caldera)
Calor específico a presión constante, valor medio circuito solar:
Se puede realizar una estimación si no se posee los datos anteriores, mediante la medición del CO2
de salida y obteniendo una constante que determina las pérdidas en función de la temperatura de
escape y la temperatura exterior.
(Ecuación 28)
Siendo:
Temperatura de escape de la caldera, Sensor interno.
Temperatura exterior. Sensor de temperatura exterior.
Concentración de CO2 en el escape. Sonda de CO2 propia de Gas Natural.
Contador de gas natural.
3.1.5. Evaluación de consumos energéticos de elementos auxiliares.
3.1.5.1. Perdidas en Tuberías.
Las tuberías se encuentran aisladas, sin embargo ello no impide la existencia de un flujo térmico
intercambiado con el ambiente, dichas pérdidas se pueden dividir en función del tramo, puesto que la
temperatura a la cual circula el flujo por el conducto depende de cada zona. Se determinan:
Potencia térmica que la tubería del circuito solar intercambia con el ambiente.
Pérdidas de la tubería que conecta la salida del captador con la entrada a la MADE.
Pérdidas de la tubería que conecta la salida de la MADE con la entrada al captador.
El caudal que atraviesa la MADE por el circuito solar no siempre coincide con el caudal que circula
por el colector y por las tuberías ( )
(Ecuación 29)
(Ecuación 30)
(Ecuación 31)
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(Ecuación 32)
3.1.6. Indicadores de la eficiencia energética
A continuación se calculan algunos indicadores de eficiencia energética del proceso de refrigeración
solar.
- Rendimiento energético del captador solar Fresnel
(Ecuación 33)
- Rendimiento energético de la tubería del circuito solar
(Ecuación 34)
- COP de la máquina de absorción
(Ecuación 35)
- Rendimiento energético global
(Ecuación 36)
3.2. Modelo Teórico del balance energético.
En este apartado se va a evaluar las diferentes variaciones que se producen en la planta realizando un
balance energético de la planta mediante la computación de las ecuaciones anteriormente descritas en
el punto 3.1. Vamos a partir de los siguientes datos (ver Tabla 26):
Una vez determinados los parámetros de partida, para evaluar la planta a funcionamiento nominal, se
podrá determinar los parámetros deseados como son las diferentes potencias térmicas y los valores
de eficiencia de la planta. Los resultados obtenidos tras la simulación para el punto de
funcionamiento deseado resultan ser los mostrados en la Tabla 27. En ellos se observa como la
potencia absorbida por el líquido circulante por los tubos (Agua), es considerablemente inferior a la
potencia incidente sobre la superficie de espejos, ello se debe como vimos en el punto 3.1 a las
perdidas ópticas, a las perdidas térmicas y a las perdidas por desenfoque.
Dicho desenfoque puede venir provocado por una desalineación de los espejos respecto al tubo
absorbedor, o por propia conveniencia en la cual los espejos se hayan desorientado para evitar enviar
excesiva radiación al tubo absorbedor. Ello puede deberse a que la temperatura del líquido
circulante, es excesiva y existe riesgo de evaporización del agua. Dicha evaporización del agua es
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inaceptable puesto que los tubos están diseñados para agua líquida y el aumento de volumen
específico del gas podría producir la explosión de las instalaciones.
Caudales
Caudal Condensación 36.6 m3/h
Caudal Captación 8 m3/h
Caudal Evaporación 30 m3/h
Temperaturas
T salida del captador 180 ºC
T salida del evaporador 12 ºC
T entrada al condensador 30 ºC
Otros datos
Gasto de GN 0 Nm3/h
Factor de espejos 100%
Área captación 352 m2
Densidad agua de captación 900 Kg/m3
Densidad agua fría 980 Kg/m3
Densidad agua condensador 1000 Kg/m3
PCI GN 10.467 KWh/Nm3
Perdidas tubo solar 0.95
Índice de capación 60 %
Radiación 1000 W/m2
Tabla 26. Datos de partida para simulación 1
Sin embargo para este primer caso estudiado, hemos tomado las condiciones de diseño para realizar
este balance de la planta, por ello hemos supuesto que el 100% de los espejos esta direccionado
sobre la superficie de absorción siendo del 60% la potencia absorbida respecto a la incidente. Como
era de esperar para estas condiciones de operación el COP de la planta está en torno al 1.2 típico de
una máquina de absorción de doble efecto, mientras que los saltos térmicos en condensador y campo
solar son 5 y 14º respectivamente para los caudales de diseño.
En la Tabla 27, como se ha comentado con anterioridad se observa los distintos valores que toman
las potencias, se comprueba que estamos en una situación nominal del trabajo de la máquina de
absorción, se ha supuesto que dicha situación se produce en un día de características favorables, es
decir un día en el cual la radiación directa es de 1000 W/m2. Para la modelización del sistema se ha
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realizado una serie de supuestos, como son la consideración que el porcentaje de potencia absorbida
respecto a la incidente es del 40 %, y que las temperaturas de salida del condensador y captador son
constantes. Ahora vamos a proceder a determinar la evaluación de los parámetros más característicos
de operación al variar diferentes parámetros funcionales de la planta como son: La radiación directa,
el porcentaje de espejos enfocados y la cantidad de GN quemado.
Potencias
Potencia incidente 352 Kw
Potencia de radiación 352 Kw
Potencia absorbida 132 Kw
Potencia circuito solar 125.4 Kw
Potencia en el generador 125.4 Kw
Potencia frigorífica 158.3 Kw
Potencia del GN 0 Kw
Potencia del condensador 283.7 Kw
Parámetros
COP 1,263
Rendimiento de captación 0,374
Rendimiento del generador 0,4498
Rend. tubería circuito solar 0,95
Temperaturas
T entrada al captador 165 ºC
T salida del captador 180 ºC
T entrada al condensador 30 ºC
T salida del condensador 36.81 ºC
T entrada al evaporador 12 ºC
T salida del evaporador 7.462 ºC
Tabla 27. Resultados de la simulación 1
3.2.1. Variación de la radiación directa.
La variación de la radiación directa es igual en el fondo teórico a la variación de los espejos. Los
valores fijos tomados para esta simulación son los siguientes:
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Caudales Caudal Condensación 36.6 m3/h
Caudal Captación 8 m3/h
Temperaturas
T salida del condensador 37 ºC
T salida del captador 180 ºC
T salida del evaporador 7 ºC
T entrada al evaporador 12 ºC
Caldera GN quemado 0 Nm3/s
Tabla 28. Datos de partida (caso 1)
Para esta caracterización hemos evaluado la planta sin utilización en ningún momento de aporte de
gas natural variando la radiación incidente desde 1000 W/m2 hasta 100 W/m2, variación equivalente
a 100% hasta 10% de espejos enfocados. Tras la simulación del modelo se obtienen las siguientes
soluciones:
Gráfico 1. Evolución de las Potencias de la planta (caso 1)
En el Gráfico 1, se observa la evolución de las diferentes potencias (Kw) existentes en la planta en
función de la radiación incidente existente (W/m2). Como se puede observar, se produce un aumento
prácticamente lineal para las potencias al aumentar la radiación incidente, en el caso de la potencia
incidente (Q_inc) es asumible directamente, para la potencia absorbida por el campo solar (Q_sol),
se presupone asumiendo que las perdidas por desprendimiento, y las perdidas térmicas y ópticas,
aumentarán linealmente y proporcional al hacerlo la radiación y la potencia incidente y absorbida.
Por su parte la potencia de condensación y frigorífica también aumentarán prácticamente lineales
existiendo una pequeña curvatura para radiaciones menores al depender del COP de la máquina de
absorción como veremos a continuación.
0
100
200
300
400
0 200 400 600 800 1000
Q_inc
Q_sol
Q_cond
Q_F
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Gráfico 2. Evolución del COP de la planta (caso 1)
En el Gráfico 2, se ha representado la evolución del COP para la variación de radiación, sin embargo
se debe tener en cuenta que se trata de un modelo teórico y que se consideran constantes la
temperatura de salida del campo solar. Del Gráfico 2 se puede deducir que la planta debe operar para
valores de radiación superiores a 300 W/m2, en caso contrario no existe suficiente radiación para
operar en modo solar solamente y necesitará aportación de gas, estos casos combinados se estudiarán
más adelante en este mismo punto.
Gráfico 3. Evolución de la temperatura del captador (caso 1)
Gráfico 4. Evolución de la temperatura de condensación (caso 1)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000
COP_f
160
165
170
175
180
185
0 200 400 600 800 1000
T_captsal
T_captent
25
30
35
40
0 200 400 600 800 1000 1200
T_condsal
T_condent
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Los Gráfico 3 y Gráfico 4 muestran la evolución de las temperaturas (ºC) de entrada al captador y al
condensador respectivamente, como se puede observar, al mantener el caudal constante y aumentar
la radiación se produce un aumento del salto térmico existente en el captador y en el condensador al
poder absorberse una cantidad mayor de energía.
Otra forma de haber realizado el estudio teórico se basaría en mantener los saltos térmicos constantes
en el proceso y variar el caudal bombeado.
Temperaturas
T salida del condensador 37 ºC
T entrada al condensador 30 ºC
T salida del captador 180 ºC
T entrada al captador 163.4 ºC
T salida del evaporador 7 ºC
T entrada al evaporador 12 ºC
Caldera GN quemado 0 Nm3/s
Tabla 29. Datos de partida (caso 1) para saltos constantes.
Si procedemos de esta forma se obtienen las variaciones de caudal mostradas en el Gráfico 5.
Gráfico 5. Evolución de los caudales (caso 1) a saltos constantes
Del Gráfico 5 se obtiene al igual que ocurría con el Gráfico 2 que el modelo teórico no es válido para
baja radiación puesto que como observamos, se produciría un caudal evaporativo negativo, lo cual se
podría extraditar en que se absorbería potencia en la MADE en lugar de aportarla. Se puede observar
como el caudal para 1000 W/m2 de radiación corresponde para el caudal de diseño, mientras que la
evolución de los caudales de condensación y evaporación son más pronunciadas que las del captador,
esto es debido a que el salto térmico es mayor en el captador. Se puede observar, como la tendencia
es prácticamente lineal.
-10
0
10
20
30
40
0 200 400 600 800 1000
m_capt
m_cond
m_evap
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3.2.2. Variación de la cantidad de GN quemado.
La variación del GN quemado afecta directamente a la temperatura del agua introducida en el
generador de alta temperatura de la máquina de absorción, el quemador como vimos en la parte de
máquina de absorción en la descripción de la planta (punto 2.4.), se utiliza como caldera auxiliar para
realizar el aporte necesario en caso de que el sistema de captación no sea capaz de llevar a la
temperatura de diseño (180 ºC) a el agua que circula por dichos captadores. Los valores fijos
tomados para esta simulación son los siguientes:
Temperaturas
T salida del condensador 37 ºC
T Entrada al generador 180 ºC
T salida del evaporador 7 ºC
T entrada al evaporador 12 ºC
T entrada al captador 163.4 ºC
Radiación directa Radiación 500 W/m2
Tabla 30. Datos de partida (caso 2)
Para esta caracterización hemos evaluado la planta suponiendo una radiación directa incidente de
500 W/m2, variación la cantidad de Gas natural quemado en la caldera auxiliar entre 0 y 2 Nm3/s.
Tras la simulación del modelo se obtienen las siguientes soluciones:
Gráfico 6. Evolución de las Potencias de la planta (caso 2)
En el Gráfico 6, se observa la evolución de las diferentes potencias (Kw) existentes en la planta en
función de la cantidad de Gas natural quemado en la caldera auxiliar (Nm3/s). Como se puede
observar, se produce un aumento prácticamente lineal para las potencias frigorífica y de
condensación, sin embargo como es previsible las potencias de absorción y de incidencia
0
100
200
300
400
500
600
700
0 0,5 1 1,5 2
Q_inc
Q_abs
Q_cond
Q_F
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permanecen constantes al no influir el calor generado en la caldera auxiliar en la energía captada por
el sistema de captación.
Gráfico 7. Evolución del COP de la planta (caso 2)
En el Gráfico 7, se ha representado la evolución del COP para la variación de GN quemado. Como
se puede ver en el gráfico, a mayor cantidad de GN quemado disminuye el COP de la planta, esto es
razonado si consideramos que el rendimiento típico de una caldera de gas natural ronda un 90% por
ello era de prever esta disminución en el COP al introducirse energía procedente de la caldera
auxiliar. Sin embargo parece chocar en dicho razonamiento el hecho de que se produzca un aumento
en la primera potencia inicial quemada, ello se debe a que se ha realizado un modelo considerando
variable el caudal y fijando las temperaturas de entrada y salida del captador, por ello y considerando
que con una radiación de 500 W/m2 no estamos en condiciones de diseño, esta primera energía
quemada ha servido para aumentar el caudal que llega al generador más cercano al de diseño (8
m3/h), esto se puede observar en Gráfico 9.
Gráfico 8. Evolución de la temperatura del captador (caso 2)
En el Gráfico 8, se ha mostrado la evolución de las temperaturas del captador, como se puede
observar, la temperatura de entrada al captador se había fijado la de diseño, y la que ha variado es la
temperatura de entrada. Dicha variación viene determinada por la cantidad de Gas Natural quemado,
1,05
1,1
1,15
1,2
1,25
1,3
0 0,5 1 1,5 2
COP_f
160
165
170
175
180
185
0 0,5 1 1,5 2
T_captent
T_captsal
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para aumentar la temperatura del caudal entrante al generador desde la temperatura de salida de
captadores hasta la temperatura del generador (Fijada a la Tdiseño 180º).
Gráfico 9. Evolución de los caudales de la planta (caso 2)
Por último, en este Gráfico 9, se ha representado la evolución de los caudales, como era de esperar
los 3 caudales han aumentado conforme aumentaba el GN quemado. Siendo como podemos observar
los valores más similares a los caudales de diseño para la cantidad de 0.28 Nm3/s quemados de GN.
Tanto de este Gráfico 9 como de la evolución del COP expuesta en el Gráfico 7, podemos concluir
que deberíamos comprobar si este sistema de control de caudales es el más indicado para controlar la
planta. Por ello como vimos en el caso anterior, se puede utilizar otro método de control basado en
definir los caudales como los caudales de diseño y que varíen las temperaturas (Datos de partida
Tabla 31). Si procedemos de este modo obtenemos las siguientes modificaciones del modelo teórico.
Temperaturas
T salida del condensador 37 ºC
T Entrada al generador 180 ºC
T entrada al evaporador 12 ºC
Caudales
Caudal captadores 8 m3/h
Caudal condensación 36.6 m3/h
Caudal de evaporación 30 m3/h
Radiación directa Radiación 500 W/m2
Tabla 31. Datos de partida (caso 2) para caudales constantes.
En este caso 2, lo respectivo a los caudales no varía respecto al caso 1, sin embargo en el Gráfico 10,
podemos observar que esto no ocurre con la viariación del COP que pese a seguir un patron de
descenso similar al caso 1 este se produce de una manera mas atenuada, así como el aumento para
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,5 1 1,5 2
m_capt
m_cond
m_evap
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valores menores de quema de GN. Esto es principalmente ocasionado al variar el salto térmico
necesario por el campo solar en la MADE, así como los saltos en el condensador y el evaporador,
por ello del balance en la caldera se consigue un mejor aporte del calor y una menor pendiente de
caida del COP respecto al GN quemado.
Gráfico 10. Evolución del COP (caso 2)
En el Gráfico 11, se observa la evolución de la temperatura en el captador solar, obviamente al ser la
potencia absorbida constante y al no fijarse la temperatura de entrada al captador, siendo el caudal
constante, de ello se obtiene que se mantiene el salto térmico constante, siendo la variación entre la
entrada y la salida idéntica, dicha variación viene disminuida por la imposición de aumentar el GN
quemado por lo que no es necesario llevar hasta los 180ºC el caudal de entrada a la MADE
utilizando solamente el campo de captación. Hay que recordar que esto es un modelo teórico
simplificado puesto que damos por hecho que con esa radiación el campo solar ha sido capaz de
llevar a esa temperatura al agua para realizar el ciclo, este hecho es cuestionable en la realidad.
Gráfico 11. Evolución de la Temperatura del captador (caso 2)
1,05
1,1
1,15
1,2
1,25
1,3
0 0,5 1 1,5 2
COP_f
COP_f
120
130
140
150
160
170
180
190
0 0,5 1 1,5 2
T_captent
T_captsal
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Por último en el Gráfico 12, se puede observar la evolución de la temperatura de salida del
evaporador, como podemos observar, cuando no existe GN quemado, el salto térmico es de 2ºC sin
embargo se observa que en el modelo teórico desciende acercándose a 0ºC lo cual no es posible
puesto que congelaría el agua y produciría la rotura de la instalación, por ello podemos considerar el
modelo teórico válido para valores quemados de GN inferiores a 1.5 Nm3/s.
Gráfico 12. Evolución de la Temperatura del evaporador (caso 2)
3.2.3. Estudio teórico considerando la posibilidad de variación del GN y la radiación.
Para finalizar con el estudio teórico, se ha realizado una simulación de la evolución de los
parámetros para toda la casuística posible de casos de operación en función de la radiación y del gas
natural quemados. Se ha estudiado la evolución del COP (Gráfico 13) la evolución de la potencia en
el generador (Gráfico 14), la evolución de la potencia frigorífica (Gráfico 15) y por último la
evolución del salto térmico en captador (Gráfico 16). Estas tablas y gráficos obtenidos nos servirán
de utilidad para en el punto 3.3, realizar una comparación entre el estudio teórico y los datos
experimentales obtenidos en la planta experimental. Las tablas se encuentran en el anexo 5.1.3.
En el Gráfico 13, se muestra más claramente la disminución que sufre el COP para valores bajos de
radiación y valores bajos de GN quemado, muestra que el COP cae fuertemente cuando no existe
suficiente potencia enviada al generador. Siendo prácticamente plano en el resto de la simulación
para valores medios altos de radiación y/o GN quemados.
Era de esperar que para valores de GN = 0 Nm3/s el COP máximo se produjera para la mayor
radiación sin embargo ello no es así puesto que hemos fijado temperaturas y no caudales, por tanto
no se encuentra en el punto de diseño, siendo este valor máximo para una radiación en torno a 500
W/m2 y un GN quemado = 0 Nm3/s.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 0,5 1 1,5 2
T_evapent
T_evapsal
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
74
Julio Martí Romero
Gráfico 13. Evolución COP (caso 3)
En el Gráfico 14 y el Gráfico 15 se observa la evolución de la potencia en el generador y la potencia
frigorífica respectivamente, como podemos observar sus evoluciones son muy similares puesto que
el único vector que los diferencia es el COP mostrado anteriormente (Gráfico 13), por tanto
simplemente se produce una pequeña curvatura para valores bajos en el caso de la potencia
frigorífica siendo plana para el resto de valores , por su parte la potencia en el generador es lineal en
ambos sentidos.
Gráfico 14. Evolución de Qg (caso 3)
0
0.5
1
1.5 200400
600800
1000
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
Radiación directa (W/m2)
Evolución del COP
GN quemado (Nm3/s)
0
0.5
11.5 200
400600
8001000
0
50
100
150
200
250
300
350
Radiación directa (W/m2)
Evolución de la potencia en el generador (Kw)
GN quemado (Nm3/s)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
75
Julio Martí Romero
Gráfico 15. Evolución de Qf (caso 3)
Finalmente en el Gráfico 16, se muestra la evolución del salto térmico en los captadores, como se
puede observar es más pronunciado para la variación de radiación directa como era previsible que
con la cantidad de GN quemado, esto hubiera sido constante en este último caso si hubiéramos fijado
el caudal de una forma constante, en la planta real esto es posible puesto que posee una válvula de
tres vías que permite recircular el caudal de salida de la MADE hacia los captadores de nuevo a la
entrada de la MADE sin pasar por dichos captadores. Dicho caudal recirculado se envía directamente
a la MADE para pasar por la caldera auxiliar.
Gráfico 16. Evolución salto térmico captadores (Tcaptsal-Tcaptent)
0
0.5
1
1.5 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
50
100
150
200
250
300
350
Radiación directa (W/m2)
Evolución de la Potencia Frigorifica (Kw)
GN quemado (Nm3/s)
00.5
11.5 200
400600
8001000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Radiación directa (W/m2)
Evolución del salto termico en el captador (ºC)
GN quemado (Nm3/s)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
76
Julio Martí Romero
3.3. Estudio experimental del funcionamiento de la planta.
En este capítulo se va a realizar un estudio experimental mediante los datos recogidos en la planta en
distintos periodos de tiempos. La planta no ha podido estar en pleno funcionamiento durante un largo
periodo de tiempo consecutivo, siempre debido a diversas averías que se han producido, las cuales
no son motivo de estudio de este proyecto. Se va a analizar el funcionamiento de dos periodos
diferentes de funcionamiento, uno en el cual la planta funcionaba como maquina de refrigeración y
otro en el cual servía de calefacción.
3.3.1. Modo Refrigeración
Para el modo de refrigeración vamos a tomar el periodo de 12 días del mes de Junio de 2009.
JUNIO 2009
Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30
Tabla 32. Días de Estudio de la Planta en modo refrigeración.
Como se observa en la Tabla 32, para la realización del estudio experimental se ha dispuesto de
datos de funcionamiento de hace 3 años, esto es debido a que la planta se ha actualizado con la
incorporación del acumulador de cambio de fase que describimos en el punto 2.4, y en la actualidad
todavía no se ha podido recopilar datos de dicho funcionamiento con el acumulador instalado. Para
definir el balance energético completo de la planta actual sería necesario incorporar dicho elemento,
aunque esto deberá ser el tema de otro proyecto posterior al presente.
Para realizar este estudio experimental se procederá a ir definiendo cada uno de los días, de forma
independiente, realizando un análisis tanto instantáneo, horario y del día completo, así como
periodos sin radiación para observar la evolución de la temperatura del agua existente en los
circuitos. Para realizar este estudio experimental nos basamos en los datos experimentales recogidos
por los sensores de la planta y por el tratamiento que se realiza sobre ellos mediante diferentes
macros de Excel desarrolladas por Juan Rafael López en su labor dentro del departamento de
termotecnia.
En primer lugar se va a comenzar con el estudio de los días 12 días de operación más próximos del
mes de Junio, para ello se comenzará mostrando la Tabla 33 en la cual se muestran el balance de
energía diario para la sucesión de días operativos en estudio del año 2009. La potencia de
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
77
Julio Martí Romero
refrigeración de alguno de los días es estimada, debido a un error en el caudalímetro del circuito de
frío de la planta.
Potencia(KWh)\Día 9 10 11 12 16 17 23 24 25 26 29 30
Q radiante: 2362 2233 2121 2428 2282 2305 2583 2622 2489 1887 2605 2040
Q absorbida: 640 577 505 585 556 523 770 782 634 409 679 353
Q cedida a MADE : 370 405 294 423 428 385 651 663 538 240 664 188
Pérdidas en tuberías: 269 172 211 162 128 138 120 119 96 168 15 165
Q de combustión: 30 55 21 48 165 120 266 251 615 955 1092 360
Q en el generador: 401 460 315 471 593 505 917 914 1153 1195 1755 548
Q refrigeración: 348 370 242 421 468 402 710 708 667 650 750 302
Q condensación: 405 450 214 519 634 474 1177 1178 1484 1252 1672 440
COP 0,87 0,80 0,77 0,89 0,79 0,80 0,77 0,77 0,58 0,41 0,43 0,55
Tabla 33. Resultado Balance energético mes de Junio.
En el Gráfico 17, se ha mostrado los valores de energía cedida a la MADE por el circuito solar y por
la caldera auxiliar, obteniéndose como suma de ambas la energía diaria existente en el generador.
Dichos valores se han obtenido para el día completo de funcionamiento.
Gráfico 17. Evolución energías diarias (Junio 2009)
En segundo lugar, en el Gráfico 18, se ha representado el COP diario obtenido en la planta, como se
puede observar, los valores diarios no se aproximan en ningún momento a los valores de diseño de la
planta, ello es debido a que los días son estudiados en un rango de operación amplio, es decir desde
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
9 14 19 24 29
Energía cedida a la MADE (kWh): Energía de combustión (kWh):
Energía en el generador (kWh):
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
78
Julio Martí Romero
bajas horas de la mañana en las cuales la radiación directa sobre la superficie es baja e igualmente a
altas horas, teniendo en cuenta la energía del calentamiento de las tuberías debido a las perdidas
nocturnas.
Gráfico 18. COP (Junio 2009)
Finalmente en el Gráfico 19, se muestra la energía utilizada para la MADE respecto a la energía
radiada sobre la superficie en las horas de funcionamiento de la planta. Hay que tener en cuenta que
en este aspecto, entran tanto datos referente a perdidas, como desenfoque de espejos para controlar la
planta. Para más detalle del proceso desde la energía radiante hasta la energía cedida a la MADE, se
puede observar la Figura 42.
Gráfico 19. Evolución energías diarias 2 (Junio 2009)
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
9 14 19 24 29
Energía de refrigeración (kWh): Energía en el generador (kWh): COP
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
9 14 19 24 29
Energía radiante (kWh): Energía cedida a la MADE (kWh):
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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Se va a comenzar por orden cronológico a estudiar la planta y analizar los resultados anteriormente
mostrados de una forma diaria.
9 Junio 2009
En este primer caso, por ser el primer día estudiado, se va a estudiar detenidamente cada parte de la
planta cómo evoluciona. Aunque también se debe tener en cuenta que la planta llevaba sin funcionar
desde los 10 días anteriores, por tanto, las primeras horas solamente se utilizan para calentar el agua
de las tuberías del circuito solar desde una temperatura inicial inferior a un día típico, y si se realiza
una simulación completa del día. Se procede a mostrar la evolución del día detalladamente.
Gráfico 20. Temperatura en captador (9 Junio)
En este Gráfico 20, se observa la evolución de la temperatura de entrada y salida del captador, así
como la temperatura del generador de alta temperatura (HTG). En la gráfica, se puede observar cómo
se va aumentando en las primeras horas del día, es decir con los primeros rayos del sol, la
temperatura de circulación por los captadores. Siendo a las 12:33 el punto el cual alcanza por
primera vez una temperatura cercana a los 180ºC concretamente 172 ºC. El siguiente descenso que se
produce es debido a que se conecta la máquina, es decir, se comienza a producir frío y a ceder
potencia al generador de la MADE, de ahí que se reduzca la temperatura de entrada a los captadores
con la consecuente caída de temperatura de salida, que en pocos minutos se recupera y vuelve a
llegar al máximo, en este instante, es el único momento del día en el que se ayuda con la caldera
auxiliar. Una vez transcurrido este periodo de estabilización entramos en el periodo normal de
producción, que se establece entre las 14:00 y las 18:00. Este periodo es característico por el
continuo reajuste que el sistema de control de la planta debe realizar sobre el porcentaje de espejos
enfocados, para evitar que la temperatura que circula por las tuberías supere el máximo permitido
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20
40
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100
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140
160
180
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7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
T sal Capt T ent Capt (ºC) T HTG
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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para garantizar el estado liquido del agua, que para la presión de 13 bar, es de 180ºC para estar
seguro de que no evapora. Dicho periodo puede observarse en el Gráfico 21.
Gráfico 21. % espejos orientados (9 Junio)
Finalmente para acabar de describir el balance energético en el captador, podemos observar la
evolución de las potencias incidentes, absorbidas y cedidas a la MADE. Como se puede observar, no
se realiza cesión de potencia a la MADE hasta superadas las 12:30, siendo prácticamente similar la
curva de esa hora en adelante a la curva de potencia absorbida. El contorno superior de la potencia
incidente es la potencia radiante incidente sobre los espejos, mientras que la curva de potencia
incidente en sí es dicha potencia radiante teniendo en cuenta el desenfoque de los espejos y las
perdidas ópticas. Esto se observa en el Gráfico 22.
Gráfico 22. Potencias en el sistema de captación (9 Junio)
Una vez descrito la zona del captador, nos introducimos en la MADE, se va a determinar la potencia
frigorífica de la planta. Para ello, en primer lugar hay que determinar la potencia que el circuito solar
transfiere a la MADE, hay que recordar, como vimos en la Figura 33, que para la conexión del
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50
100
150
200
7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
% espejos T sal cap (ºC)
0
100
200
300
400
500
7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
P ced a MADE (kW) P abs (kW) P inc (kW)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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sistema de captación a la MADE, existía una válvula de 3 vías, que permitía recircular la totalidad o
parte del caudal del circuito solar para no pasar por la MADE, ello nos lleva a que las temperaturas
del Gráfico 23 no sean las mismas a las del Gráfico 20.Como se puede observar en el Gráfico 23, son
algo inferiores a las del circuito del captador. Al igual que en este caso con el circuito solar, esta
circunstancia también se dará en el resto de circuitos, por ello el articulo se referirá a temperaturas
del circuito y a temperaturas de entrada o salida del circuito correspondiente a la MADE.
Gráfico 23. Temperatura Circuito solar a la MADE.
Ahora a pesar de que nos encontramos en un primer día de evaluaciones de la planta se muestra una
primera complicación para el día de estudio, un error en el caudalímetro del circuito de frío nos deja
sin su lectura y por tanto sin poder determinar la potencia frigorífica, uno de los parámetros más
relevantes de la planta.
Ello nos lleva a realizar una estimación de dicho caudal que se puede observar en el Gráfico 24, y de
esta forma podemos determinar una estimación de la potencia frigorífica, que se encuentra reflejada
en el Gráfico 25 junto a la potencia cedida a la MADE. Durante el análisis experimental nos
encontraremos varios casos similares al actual, puesto que existe gran cantidad de sensores en la
planta y algunos producen errores o medidas inapropiadas, para lo primero, partiremos de valores
usuales para resolverlos y aproximarlos, y para los segundos, el programa de macros de Excel
elaborado, permite filtrar dichos errores.
No solo el caudal del circuito de frío es el determinante de la potencia frigorífica, también debemos
realizar el seguimiento de la temperatura de entrada y salida a la MADE por dicho circuito de frío,
dicho seguimiento se puede observar en el Gráfico 26.
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7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
T sal MADE solar (ºC) T ent MADE solar (ºC)
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Gráfico 24. Caudal frío estimado MADE (9 Junio)
Gráfico 25. Potencia Frigorífica estimada (9 Junio)
Gráfico 26. Temperaturas circuito frío a MADE (9 Junio)
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7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
Caudal colector frio (m3/h) Q MADE EST (m3/h)
Q MADE (m3/h) Posición 3 vías cto. frio (%)
0
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300
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7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
P ref EST(kW) P ced a MADE (kW)
5
6
7
8
9
10
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7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
T cesión frio (ºC) T ent MADE frio (ºC) T sal MADE frio (ºC)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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En el Gráfico 27, se representa la potencia en el generador, además se ha incluido la potencia de
combustión, como se definió en la parte teórica, la potencia en el generador vendrá definida de la
suma de la potencia aportada por el circuito de captación más la obtenida mediante la caldera
auxiliar existente en la máquina de absorción.
Gráfico 27. Potencias en la MADE
Para finalizar la representación de gráficas de evolución instantánea en la planta del 9 de junio, se
representa la evolución en el circuito de condensación, en primer lugar (Gráfico 28) se ha mostrado
el caudal que recorre la MADE perteneciente al circuito de condensación y la posición en la cual se
sitúa la válvula de 3 vías existente en dicho circuito, y en segundo lugar (Gráfico 29) se muestra la
evolución de las temperaturas del circuito de condensación. Como se estudio en el balance teórico, la
potencia de condensación debe incorporar el calor del generador y el de refrigeración. Dicho calor se
evacuará por los colectores hacia el colector de agua bruta del anillo de la cartuja.
Gráfico 28. Caudal circuito de condensación (9 Junio)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
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P gen (kW) P comb (kW)
0
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40
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120
0
10
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7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
Caudal MADE cto. condensación (m3/h) Posición 3 vías cto. condensación (%)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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Gráfico 29. Temperaturas circuito de condensación (9 Junio)
Una vez observadas todas las evoluciones diarias del 9 de Junio vamos a determinar los valores
experimentales obtenidos de los parámetros, en la Tabla 34 podemos observar el balance de energías
para el 9 de junio completo, es decir el estudio engloba las horas 8:00 a 20:00.
Energía radiante (kWh): 2362,16
Energía absorbida (kWh): 639,88
Energía cedida a la MADE (kWh): 370,45
Pérdidas en la tubería (kWh): 269,44
Energía de combustión (kWh): 30,38
Energía en el generador (kWh): 400,83
Energía de refrigeración (kWh): 347.8
Energía de condensación (kWh): 745,04
COP 0.86
Tabla 34. Resultados del balance energético (9 Junio) Día completo
Para analizar los resultados de la Tabla 34, debemos empezar observando que la energía absorbida es
considerablemente inferior a la radiante que se radia sobre la superficie de los espejos, ello es debido
a las perdidas existentes que ya han sido definidas en el punto 3.1, además del hecho de que el
porcentaje de espejos orientados no ha sido constantemente del 100%. Por otro lado, la energía
cedida a la MADE, también es muy inferior a la absorbida, ello es debido a que dentro de este
25
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35
7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
T ent MADE cond (ºC) T sal MADE cond (ºC)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
85
Julio Martí Romero
periodo, se ha estado precalentando las tuberías del circuito solar, por ello durante las primeras horas
del día, gran parte de esa energía se ha perdido en el calentamiento de las tuberías y en forma de
pérdidas de conducción a través de dichas tuberías. Esto podemos ver que ha sido un factor
importante en el día de estudio, observando el valor de pérdidas en la tubería (269 kWh). Ya
conocemos que la energía en el generador, viene determinada de la suma de las energías
proporcionadas por la combustión y por el quemador de Gas Natural. Por tanto ya solamente nos
quedan los tres términos de energía que caracterizan la planta, la energía en el generador, la energía
de refrigeración ya la energía de condensación. De estos valores obtenemos que el COP de la planta
durante el día 9 de Junio es de un 0.86, un buen valor, como se confirmará a lo largo del estudio
experimental, que sin embargo parece lejano al valor de funcionamiento de diseño de la máquina de
absorción, aunque hay que comprender que dichas circunstancias se dan teóricamente pero en la
práctica se materializan durante un periodo de tiempo corto para todas las horas de un día.
Una vez observado el funcionamiento para el día completo, vamos a realizar un breve paréntesis para
obtener los resultados existentes entre un periodo de tiempo menor, en el cual la planta ha estado
produciendo de una forma más continuada y cercana a la producción teórica. Para ello hemos
tomado el periodo de tiempo comprendido entre 13:30 y las 15:00. Ello reporta los siguientes
resultados:
Energía radiante (kWh): 377,4
Energía absorbida (kWh): 103,3
Energía cedida a la MADE (kWh): 70,4
Pérdidas en la tubería (kWh): 32,9
Energía de combustión (kWh): 0,0
Energía en el generador (kWh): 70,4
Energía de refrigeración (kWh): 69,5
Energía de condensación (kWh): 136,1
COP 0.99
Tabla 35. Resultados del balance energético (9 Junio) 13:30-15:00
En este periodo, no ha existido en ningún momento combustión de GN y cómo podemos observar el
COP de la planta se ve aumentado en varios puntos, alcanzando un valor prácticamente unidad, aún
así se debe recordar que hay distancia con el COP de diseño (1.38).
Para completar el estudio energético experimental del día 9 de Junio de 2009 solamente vamos a
añadir una referencia instantánea de producción, para ello tomaremos dos lecturas instantáneas y se
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
86
Julio Martí Romero
podría comparar con el modelo teórico más aproximado al momento de funcionamiento existente.
Para la comparación hemos elegido:
HORA 13:47:00 14:01:00
Potencia incidente (kW): 356,58 147,84
Potencia absorbida (kW): 91,00 213,95
Potencia cedida a la MADE (kW): 330,38 0,00
Potencia perdida en la tubería (kW): -239,37 213,95
Potencia de combustión (kW): 0,00 0,00
Potencia en el generador (kW): 330,38 0,00
Potencia de refrigeración (kW): 35,92 0,00
Potencia de condensación (kW): 76,75 42,37
COP est 0,11 ∞
Tabla 36. Resultados del balance energético (9 Junio) Instantáneo
Si se realiza el estudio en 2 instantes concretos de la instalación, se pueden observar unos resultados
un tanto confusos (Tabla 36), como por ejemplo unas pérdidas en las tuberías negativas, esto ocurre
por problemas meramente matemáticos, puesto que se produce un desfase temporal debido a las
inercias térmicas de los elementos. Por ello esta evaluación instantánea no será salvo excepciones un
buen método de evaluación energética de la planta.
En este caso se ve perjudicado en exceso con el hecho de no poseer la medición real del caudal de
colector de frío, lo que hace más difícil establecer parámetros más exactos. Durante la evaluación
normal de la planta, se produce cada cierto tiempo un reajuste del funcionamiento de la MADE, por
el cual se corta la válvula de 3 vías de entrada del circuito solar para provocar la recirculación de
dicho caudal y de esta forma lograr aumentar la temperatura de entrada a la MADE por parte del
circuitos solar, esta ejecución provoca un descenso de la temperatura medida por los sensores del
circuito solar de la MADE, mientras que aumenta la temperatura por el circuito solar, ello se puede
observar de forma clara en la Gráfico 30.
Como se observa en la figura, en el momento de apertura de válvulas, la Temperatura de entrada a la
MADE se iguala a la Temperatura de salida de captadores, mientras que la temperatura de entrada a
captadores se asemeja a la temperatura de salida de la MADE, en el gráfico también queda patente la
inercia del sistema, puesto que se observan picos de temperatura cada cierto tiempo, concretamente
el periodo en el circuito solar es de 4 minutos y medio.
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
87
Julio Martí Romero
Gráfico 30. Temperaturas circuito solar (9 Junio)
Como conclusión del estudio de este día se podría decir, que no ha sido un mal día de
funcionamiento de la planta, puesto que pese a no haber tenido muchas horas a pleno
funcionamiento, y ha haber tenido que precalentar las tuberías del circuito solar, se ha producido la
cantidad de 348 KWh para el día completo, y en las horas centrales entre 13:30 y las 15:00, un total
de 69,5 KWh. Aún así está lejos de esos 174 Kw de potencia nominal.
10 Junio 2009
De ahora en adelante, los parámetros de cada día completo están mostrados en la Tabla 33, y se irá
comentando los parámetros característicos de cada uno de los días, así como sus gráficas que
representen esos momentos.
En la Tabla 37, se ha mostrado los valores de producción para el día contemplado tanto para el día
completo como para las horas centrales, de esta forma hemos comprobado como en este preciso
instante la planta estaba produciendo mucha menos energía en este periodo que su correspondiente
en el día completo, además de que en una parte central de día como son estas horas, y sin existir
combustión auxiliar, el COP, haya caído en relación al día completo, ello es debido a que como se
observa en el Gráfico 31, la potencia cedida a la MADE, depende del caudal del circuito solar por la
MADE, y este está regulado por la válvula de 3 vías que regula la recirculación por el campo de
captación solar, y en este caso, esta válvula solamente abre el paso en periodos de 5 min cada 30 min
aproximadamente. Por ello de aquí en adelante solamente consideraremos días completos, salvo
casos excepcionales de días más ó menos estabilizados.
100
110
120
130
140
150
160
170
180
13:26:24 13:40:48 13:55:12 14:09:36 14:24:00 14:38:24 14:52:48 15:07:12
T sal MADE solar (ºC) T ent MADE solar (ºC)
Temperatura salida captador cto. solar (ºC) Temperatura entrada captador cto. solar (ºC)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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Julio Martí Romero
Día Completo Horas centrales (13:30 – 15:00)
Energía radiante (kWh): 2362,2 Energía radiante (kWh): 294,0
Energía absorbida (kWh): 639,9 Energía absorbida (kWh): 87,8
Energía cedida a la MADE (kWh): 370,4 Energía cedida a la MADE (kWh): 65,3
Pérdidas en la tubería (kWh): 269,4 Pérdidas en la tubería (kWh): 22,5
Energía de combustión (kWh): 30,4 Energía de combustión (kWh): 0,0
Energía en el generador (kWh): 400,8 Energía en el generador (kWh): 65,3
Energía de refrigeración (kWh): 347,8 Energía de refrigeración (kWh): 49,9
Energía de condensación (kWh): 745,1 Energía de condensación (kWh): 111,6
COP 0,9 COP 0,76
Tabla 37. Resultados del balance energético (10 Junio)
Gráfico 31. Potencia cedida a la MADE (10 Junio)
La ejecución del 10 de Junio es muy similar a la del 9 de Junio estudiado con anterioridad en el resto
de aspectos, por ello no mostramos ninguna gráfica de evaluación debido a sus similitudes.
11 y 12 de Junio 2009
Para los días 11 y 12 de junio no se modifica el patrón de funcionamiento de la planta resultando
muy similares a los días anteriormente representados.
0
100
200
300
400
500
600
12:00:00 12:40:19 13:20:38 14:00:58 14:41:17 15:21:36 16:01:55 16:42:14
P ced a MADE (kW) Potencia radiante
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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16 y 17 de Junio 2009
El día 16 se produce un funcionamiento diferente al estudiado anteriormente, durante las horas de la
mañana no se alcanza la temperatura óptima de 180 ºC en el circuito solar en la hora de arranque de
la máquina de absorción (12:00), lo que nos lleva a necesitar la combustión en la caldera auxiliar.
Para ello, se van a mostrar las gráficas que lo confirman.
El Gráfico 32, muestra que la temperatura al iniciarse la máquina de absorción no estaba en 180 ºC,
es más, estaba muy lejos de ese valor, se encontraba a 130 ºC, por ello, para mantener la potencia y
la temperatura en el generador, se produjo la combustión de gas natural en la caldera auxiliar, esto se
puede observar en el Gráfico 34. El motivo principal de que esto ocurriera es la falta de radiación
directa en las correspondientes horas de la mañana, es decir, entre las 9 y las 10 de la mañana se
produce un descenso en la radiación solar que provoca esta necesidad de quemar gas natural.
Gráfico 32. Temperatura salida del captador y % de espejos (16 Junio)
Gráfico 33. Potencias (16 Junio)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
8:24:00 9:50:24 11:16:48 12:43:12 14:09:36 15:36:00 17:02:24 18:28:48 19:55:12
% espejos T sal cap (ºC)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
8:24:00 9:50:24 11:16:48 12:43:12 14:09:36 15:36:00 17:02:24 18:28:48 19:55:12
P ced a MADE (kW) P abs (kW) P inc (kW)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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Gráfico 34. Potencia combustión (16 Junio)
El día 17 de Junio, es muy similar al 16, solamente que el periodo de combustión es menor, puesto
que la radiación directa registrada es algo superior en las horas matinales, sin llegar a ser la
suficiente.
Del 23 al 30 de Junio 2009
En estos días que se va a estudiar ahora, se va a producir un mayor aporte de energía frigorífica, para
ello se va a proceder a utilizar la combustión de GN en la caldera auxiliar, no solo durante los
instantes necesarios como en días anteriores, sino como un aporte extra durante todo el día. Ello nos
va a conllevar descender un poco los COP diarios. Concretamente se va a pasar de unos valores de
400 KWh diarios de producción de frio a unos 700 KWh, es decir, se va a trabajar produciendo
aproximadamente el doble de frío a costa de la utilización de GN, y de su correspondiente descenso
de COP, que va a pasar de unos valores aproximados de 0.8-0.9 a 0.6-0.7 en estos días. Por ello, la
producción de energía correspondiente al generador va a estar determinada como muestra el
siguiente Gráfico 35.
Exceptuando esta gráfica (Gráfico 35), el resto del estudio es muy similar al aquí obtenido, por ello
no se muestra en el documento, para no repetir excesivamente los mismos modelos de gráficos.
Finalmente para concluir con el estudio energético del mes de Junio de 2009, se va a proceder a
obtener una media ponderada de los días de similitud de funcionamiento. Para ello podemos
determinar como media de los 6 primeros días de estudio es decir en el periodo de días de estudio
entre el 9 – 17 de junio y consecuentemente de los 6 días restantes entre el 23 -30 junio (Tabla 28)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
8:24:00 9:50:24 11:16:48 12:43:12 14:09:36 15:36:00 17:02:24 18:28:48 19:55:12
P gen (kW) P comb (kW)
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Gráfico 35. Potencia combustión (23 Junio)
Media diaria (9 – 17 Junio) Media diaria (23 – 30 Junio)
Energía radiante (kWh): 2288,3 Energía radiante (kWh): 2370,9
Energía absorbida (kWh): 564,2 Energía absorbida (kWh): 604,6
Energía cedida a la MADE (kWh): 384,2 Energía cedida a la MADE (kWh): 490,7
Pérdidas en la tubería (kWh): 180,0 Pérdidas en la tubería (kWh): 113,9
Energía de combustión (kWh): 73,4 Energía de combustión (kWh): 589,8
Energía en el generador (kWh): 457,6 Energía en el generador (kWh): 1080,5
Energía de refrigeración (kWh): 375,2 Energía de refrigeración (kWh): 631,3
Energía de condensación (kWh): 827,2 Energía de condensación (kWh): 1701,5
COP 0,81 COP 0,62
Tabla 38. Medias diarias para días completos
Vistos los resultados obtenidos para estos dos periodos en estudio, no tendría sentido sacar una
media conjunta, puesto que la forma de operación es muy distinta entre ellos, en el primer periodo,
se puede observar que la energía aportada por la caldera auxiliar es baja (Qcomb=73,4 kWh) por
tanto la mayoría de la energía aportada al generador (Qg=457,6 kWh) es proveniente del sistema de
captación (Qc.ma=384,2 kWh), ello proporciona finalmente una media diaria de (Qf=375,2 kWh),
siendo el COP medio de 0,81, un valor medio alto, teniendo en cuenta que se obtiene del
funcionamiento del día completo. Por otro lado, en el segundo periodo, se observa un aumento
considerable de la energía aportada por la quema de Gas Natural (Qcomb=490,7 kWh), ello provoca
un reparto casi equivalente entre la energía del sistema de captación (Qc.ma=384,2 kWh) y la de
0
200
400
600
800
1000
1200
7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
P gen (kW) P comb (kW) Potencia cedida a la MADE (kW)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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combustión en el generador (Qg=1080,5 kWh), ello nos proporciona finalmente una media diaria de
(Qf=631,3 kWh), siendo el COP medio de 0,62.
Por tanto, se podría definir, que la planta deberá operarse la mayor parte del tiempo, con la energía
procedente de los captadores y como su propio nombre indica, utilizar la caldera auxiliar, solamente
cuando sea necesario. Es cierto que si la demanda de frío es superior a la potencia que puede ceder el
campo de captadores (aproximadamente 120 Kw, este valor dependerá de las condiciones
meteorológicas) en estos periodos deberá utilizarse el sistema auxiliar. Ello podrá ser solucionado
con un sistema de almacenamiento, estas conclusiones se desarrollarán más profundamente en el
capítulo4.
3.3.2. Modo Calefacción.
NOVIEMBRE 2009
Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30 DICIEMBRE 2009
Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo
1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13
14 15 16 17 18 19 20
Tabla 39. Días de Estudio de la Planta en modo calefacción.
Como se puede observar en la Tabla 39, para la realización del estudio experimental en modo
calefacción se ha tomado datos de noviembre – diciembre de 2009, los días no son excesivamente
consecutivos, pero es el periodo de funcionamiento más uniforme del que existen datos. Para
comenzar se va a mostrar una tabla resumen de los principales valores en energía de los días de
operación.
Al igual que se realizó en el análisis energético en modo refrigeración, se va a comenzar por el
primer día, en este caso el 11 de Noviembre de 2009, realizando un análisis más exhaustivo de cada
una de las partes de la planta, para posteriormente mostrar las diferencias sustanciales con el resto de
días y finalmente determinar una media típica para días de calefacción.
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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Potencia(KWh)\Día 11 12 13 16 23 24 27 30 10 11 14 15
E radiante: 1196 1186 1140 922 1076 1067 795 1017 978 953 981 958
E absorbida: 465 377 318 195 379 394 178 342 250 257 265 290
E cedida a MADE : 381 314 272 163 299 313 122 231 131 217 212 236
Pérdidas en tuberías: 84 62,6 46 32 80 80 57 111 118 40 53 54
E de combustión: 0 129 168 300 192 127 313 137 40 199 285 379
E en el generador: 381 444 440 463 491 440 435 368 171 416 498 615
E calefacción: 336 303 283 264 327 314 265 261 87 261 327 437
COP 0,88 0,68 0,64 0,57 0,67 0,71 0,61 0,71 0,51 0,63 0,66 0,71
Tabla 40. Resultado Balance energético mes de Nov – Dic
11 Noviembre
En primer lugar, se va a describir la evolución el sistema de captación de la planta, para ello se apoya
el estudio en la evolución de las temperaturas, caudales y potencias, como se puede observar en
Gráfico 36, en este modo de funcionamiento, al darse en días de menor radiación, se tarda más
tiempo en alcanzar la temperatura de 180 ºC, limite de funcionamiento de la planta. Además, el
periodo en el cual se mantiene dicha temperatura es instantáneo, una vez abierta la válvula de 3 vías
del circuito solar, la temperatura comienza a descender.
Gráfico 36. Temperaturas del captador (11 Noviembre)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
T sal Capt T ent Capt (ºC) T HTG
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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La evolución de los caudales que circulan por el circuito solar y su correspondiente caudal circulante
interno de la MADE, reflejan la apertura de dicha válvula de 3 vías, como se puede observar en las
primeras horas matinales, la válvula permanece cerrada y esta es abierta en torno a las 11 de la
mañana, aunque dicha apertura es instantánea, puesto que se produce combustión en la caldera
auxiliar, a los pocos minutos, se procede a su cierre nuevamente y ya es a la 13:00 cuando se abre
para producir calefacción. Dicha apertura coincide con el alcance de la temperatura a los 180 ºC
mostrado en el Gráfico 36. Además, si se observa el Gráfico 38, también se puede ver que en ese
preciso instante se procede a desenfocar parte de los espejos para evitar una sobre punta de la
temperatura en el sistema de captación.
Finalmente en el Gráfico 38, se observa la evolución de las potencias, observando primeramente un
pico con oscilación a tempranas horas de la mañana, hay que destacar que esto es debido a un error
de medida, puesto que la potencia absorbida solo procede en dos periodos y son los otros dos
sectores en los que se muestra la apertura de la válvula de 3 vías del circuito solar.
Gráfico 37. Caudales del captador (11 Noviembre)
Gráfico 38. Potencia circuito solar (11 Noviembre)
0
2
4
6
8
10
12
14
7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
Caudal MADE cto. solar (m3/h) Caudal captador cto. solar (m3/h)
0
50
100
150
200
250
7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
P ced a MADE (kW) P abs (kW) P inc (kW)
Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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Al no existir circuito de condensación, el esquema de la planta, se equipararía a un simple
intercambiador de calor, el cual por un lado se encuentra el captador, en el centro la máquina de
absorción realizando las funciones de intercambiador de energía, y finalmente el colector del circuito
de calor al cual se cede la energía.
Para finalizar el estudio de calefacción, se va a analizar las gráficas correspondientes al balance
energético en la MADE. En primer lugar se representan las temperaturas del circuito de calor
(Gráfico 39), en el gráfico, se muestran tanto las temperaturas del colector de calor a su paso por la
MADE, como las temperaturas con las que realiza el intercambio, y que finalmente es la potencia
útil de nuestro sistema, estas temperaturas corresponden al colector secundario. Si no se recuerda,
puede revisarse en el esquema de la Figura 33 el correspondiente colector de calor. En el Gráfico 39,
se observa evidente, que el intercambio de calor no se produce hasta que se arranca la máquina de
absorción entorno a las 13:00, por tanto esa primera utilización de gas natural que se produjo,
solamente sirvió para acelerar el proceso de alcance de la temperatura óptima. Por su parte en el
Gráfico 40, se observa la evolución de dichos caudales para el intercambio de energía.
Gráfico 39. Temperaturas MADE circuito calor (11 Noviembre)
Gráfico 40. Caudales en la MADE (11 Noviembre)
0
10
20
30
40
50
60
70
7:12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00
T sal int2º (ºC) T ent MADE calor (ºC)
T sal MADE calor (ºC) T ent int2º (ºC)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
7:12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00
Q 1rio calor (m3/h) Q MADE calor (m3/h)
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Gráfico 41. Potencia de calefacción (11 Noviembre)
Para concluir el análisis energético, se ha mostrado la evolución de la potencia (Gráfico 41). Se
puede observar que el funcionamiento de la planta de tecnología fresnel en modo calefacción, resulta
ser mucho más sencillo que en modo refrigeración. Además la variación de los parámetros
estudiados es menor, manteniéndose un funcionamiento más similar durante el periodo estudiado.
Analizando el resto de días en estudio, los resultados son muy similares, variando solamente la
cantidad de energía procedente de la combustión de gas natural, en horas finales del día como queda
reflejado en el Gráfico 42 referente al día 16 de noviembre.
Gráfico 42. Potencia de combustión (16 Noviembre)
Por lo demás los días son muy similares al día 11 de Junio estudiado, por ello se podría considerar un
día tipo, de todas formas, se va a mostrar los valores promedio de los días estudiados en modo
calefacción (Tabla 41).
0
50
100
150
200
250
300
350
400
7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
P calef (kW) P ced a MADE (kW)
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00
P gen (kW) P comb (kW)
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Potencia(KWh)\Día Media de Calefacción
E radiante: 1022,49
E absorbida: 309,30
E cedida a MADE : 241,12
Pérdidas en tuberías: 68,18
E de combustión: 189,19
E en el generador: 430,31
E calefacción: 288,90
COP 0,67
Tabla 41. Media balance energético (Modo calefacción)
3.3.3. Modo Nocturno
La evolución de la planta en modo nocturno, es sencillamente las pérdidas de energía existentes en
las tuberías, por lo que la temperatura del agua contenida en dichas temperaturas se ve descendida
con el paso de la noche. Este hecho se da tanto en funcionamiento en verano, como en el
funcionamiento en invierno, siendo muy similares en su evolución, puesto que en modo refrigeración
la temperatura de la que parte es superior, sin embargo la temperatura exterior también lo es. Y por
otro lado en el modo calefacción, la temperatura al cesar el funcionamiento es inferior, pero la
temperatura exterior es más baja, por ello podemos ver en los correspondientes Gráfico 43 y Gráfico
44.
Gráfico 43. Evolución temperaturas captadores modo calefacción
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
21:36:00 22:48:00 0:00:00 1:12:00 2:24:00 3:36:00 4:48:00
T sal Capt T ent Capt (ºC)
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Gráfico 44. Evolución temperaturas captadores modo refrigeración
Se podría estimar las perdidas existentes en la tubería en un descenso de la temperatura en un rango
de 3ºC/hora en verano y unos 5ºC hora en invierno, por ello nos lleva casi a tener que arrancar la
planta de inicio al día siguiente. Siendo su diámetro de 6,6 cm y una longitud del circuito solar
aproximada de 350 metros, obtenemos un volumen total de 4 . Que tomando la densidad del
circuito solar se obtiene una cantidad de masa de 3600 Kg de agua en las tuberías del circuito solar.
Si perdemos 3ºC quiere decir que se pierde unos 50 Kw, siendo este valor valido para verano y
aproximándose a 75 Kw para el modo de funcionamiento en invierno.
3.4. Comparación estudio teórico y experimental.
La comparación, se va a realizar solamente para el modo de funcionamiento en refrigeración, para
ello vamos a tomar una franja de funcionamiento de 2 horas, correspondiente al 11 de junio de 2009,
para realizar dicha comparación, utilizaremos el estudio teórico implementado en EES realizado para
el punto 3.2. La franja de tiempo utilizada será de 13:00 a 15:00, se han tomado los valores medios
en esas dos horas de caudales y temperaturas, así como de radiación, para introducirlas como datos
de partida del estudio teórico. Destacar que se ha tomado un tramo en el cual no existe energía de
combustión. Realizando los cálculos por ambas formas obtenemos los siguientes resultados:
En la Tabla 42, se puede observar la diferencia entre los valores obtenidos del estudio experimental
de 2 horas consecutivas de la planta y el estudio teórico de la planta para las condiciones existentes
en la planta en el instante correspondiente. Se observa unos valores similares, siendo las expectativas
de producción de frío algo superiores por parte del estudio teórico, este parámetro se ve
principalmente modificado a causa de las perdidas en tubería, que como se observa son algo
superiores experimentalmente en comparación a las pérdidas estimadas en el modelo teórico, hay
30
40
50
60
70
80
90
100
21:36:00 22:48:00 0:00:00 1:12:00 2:24:00 3:36:00 4:48:00
T sal Capt T ent Capt (ºC)
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que tener en cuenta que las perdidas rondan el 40% en la práctica para el intervalo horario estudiado,
mientras que en el estudio teórico se habían supuesto un 10% como eran previamente estimadas.
Hay que tener en cuenta que el COP del experimental es inferior, esto es debido a que el salto
térmico provocado es inferior al de diseño en el término medio, mientras que en el caso del estudio
teórico al no existir las oscilaciones y recirculaciones permiten obtener un salto y un caudal más
próximos al de diseño durante periodos de tiempo prolongados. De aquí la comparación, podemos
deducir la correcta definición del modelo teórico.
Estudio experimental Estudio teórico
Energía radiante (kWh): 361,9 Energía radiante (kWh): 334,4
Energía absorbida (kWh): 90,7 Energía absorbida (kWh): 89,24
Energía cedida a la MADE (kWh): 47,3 Energía cedida a la MADE (kWh): 53,54
Pérdidas en la tubería (kWh): 43,4 Pérdidas en la tubería (kWh): 35,7
Energía de combustión (kWh): 0 Energía de combustión (kWh): 0
Energía en el generador (kWh): 47,3 Energía en el generador (kWh): 53,54
Energía de refrigeración (kWh): 49,9 Energía de refrigeración (kWh): 59,3
Energía de condensación (kWh): 97,1 Energía de condensación (kWh): 112,8
COP 1,05 COP 1,11
Tabla 42. Comparación teórica – experimental