Análisis energético del ciclo de compresión de vapor con eyector utilizando refrigerantes naturales

Abstract

El sector de la climatización y refrigeración se encuentra actualmente bajo el foco de atención de la normativa energética y medioambiental. El fuerte impacto de este sector sobre el consumo energético global, al igual que sus crecientes emisiones directas e indirectas de gases contaminantes, están obligando a las instituciones a establecer mecanismos de restricción. Medidas como la limitación gradual del Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA) de los refrigerantes, o como la identificación de la eficiencia energética de los equipos a través del eco-etiquetado, han movilizado a las empresas para adoptar estrategias proactivas en el diseño de sus nuevos equipos. Concretamente, las empresas del sector han iniciado un proceso de transición desde el uso de los actuales gases fluorados hacia los refrigerantes naturales, así como de incorporación de medidas para mejorar la eficiencia energética en dichos equipos. Una tecnología emergente en este contexto es la que incorpora eyectores a los ciclos de compresión de vapor que utilicen refrigerantes naturales. El estado de la cuestión respecto a esto es principalmente teórico, pero los resultados son esperanzadores para la obtención de equipos más limpios, eficientes y económicos. El presente trabajo recoge los resultados de un estudio teórico que ha consistido en determinar, mediante un análisis energético, el desempeño de sistemas de climatización y de refrigeración con diferentes tipologías de ciclo y distintos refrigerantes naturales, concretamente amoniaco, propano e isobutano. Para la realización de este estudio se ha usado un modelo termodinámico de ciclo de compresión de vapor cuya arquitectura incluye un eyector y un segundo modelo con el ciclo básico. Los modelos se han puesto a prueba bajo distintas condiciones de operación. La configuración de los modelos se ha realizado mediante una hoja de cálculo Excel vinculada a la base de datos CoolProp. Los datos sobre prestaciones requeridas y condiciones de operación para las distintas aplicaciones se han recopilado de artículos publicados en revistas especializadas. Así, datos conocidos sobre diferentes parámetros, tales como las temperaturas de condensación y evaporación en diferentes entornos climáticos, se han aplicado tanto al ciclo básico como a las arquitecturas que incluyen el eyector para compararlas. Los resultados obtenidos corroboran un mayor rendimiento de los ciclos con eyector, clarifican cuáles son las mejores alternativas para optimizar los ciclos y permiten abordar con optimismo ulteriores estudios experimentales.

Refrigeration and air-conditioning sector is currently a focal point of energy and environmental regulations. The strong impact of this sector on global energy consumption, as well as its growing direct and indirect emissions of polluting gases, are forcing institutions to establish restriction mechanisms. Measures such as the gradual limitation of Global Warming Potential (GWP) of refrigerants, or the energy efficiency identification of equipments through eco-labeling, have mobilized companies to adopt proactive design strategies of their new equipments. Specifically, sector companies have started a transition process from the use of current fluorinated gases to natural refrigerants, as well as incorporating measures to improve energy efficiency of the equipments. In this context, the addition of an ejector to the vapor compression cycle that use natural refrigerants is an emerging technology. In that regard, the state of art is merely theorical, but the results are encouraging for obtaining cleaner, more efficient and cheaper equipment. This work gives the results of a theoretical study that has consisted of determining, through an energy analysis, the performance of air conditioning and refrigeration systems with different types of cycle and different natural refrigerants, specifically ammonia, propane and isobutane. To carry out this study a thermodynamic model of a vapor compression refrigeration cycle has been used, whose architecture includes an ejector, and a second model with the basic cycle. The models have been tested under different operating conditions. The configuration of the models has been carried out using an Excel spreadsheet linked to the CoolProp database. Data about required performance and operating conditions for the different applications have been compiled from articles published in specialized magazines. In this way, known data on different parameters like condensation and evaporation temperatures in different climatic environments, have been applied both to the basic cycle and to the architecture that includes the ejector to compare them. The results obtained corroborate a higher performance of the ejector cycles, clarify which are the best alternatives for optimizing the cycles and allow further experimental studies to be approached with optimism.