Análisis

Dado que la exergía es el uso óptimo de la energía, el analisis exergetico es un mètodo útil para establecer el diseño de operación de todos los recursos energéticos y de muchos procesos industriales.Este método deriva de las leyes de la termodinámica y se puede utilizar para identificar las principales fuentes de irreversibilidades y minimizar la generaciòn de entropía en un proceso dado que la transferencia de energía y materia tienen lugar [6,18,19].Los términos de exergía, la energía disponible y la disponibilidad, son similares. Los conceptos de la destrucciòn de exergía, el consumo de exergia, la irreversibilidad y el trabajo perdido también son esencialmente similares. [2,20,21].La exergia es la medida del máximo trabajo útil que puede ser producido por el sistema en interacciòn con un entorno que tiene una presiòn constante (Po) y temperatura (To) [2]. La transferencia de exergia puede estar asociada con una tasa de flujo de masa, la interacciòn y el trabajo con la interacciòn del calor [22].

Tabla  1La especificación y características  del sistema de BCSA componentes principales.

Circuito principal

Componente Especificación técnica

Circuito del refrigerante

Condensador y ventilador

Compresor (1)

Evaporador fuente solar (III)

Tubo capilar (v)Secadora

Vidrio de observación

ventilador de condensador de aire (II)

Condensador (II)

Bomba de circulación SHE

Tipo: Hermético; fabricante: Tecumseh; Modelo: CAJ4519T; speed: 2900 rpm;potencia nominal del accionamiento del motor eléctrico: 1.5 HP; refrigerante: R-22; capacidad: 3.601 kW (temperatura en la evaporación/ condensación de 0/50 °C); conección: linea de succión ⅝ in, línea de descarga ⅜  in

Fabricante: Alfa Laval; Modelo: CB 14/14; superficie de transferencia de calor: 08*78*41 mm, connection: ¾ -½ in; caudal máximo: 3,6 in3/h

Tubo capilar de cobre: 2m; diametro interior: 1.5mm

Fabricante: Carly; Modelo: DCY083; CAPACITY: 11.1-12.8 kW (temperatura en la evaporación/ condensación t de 15/30 °C); connection: ⅜ in

Fabricante: Carly; colores: verde y amarillo; Modelo: VCYLB; conección ⅜ in

Fabricante: Elco/Olmo; diametro: 0.3m;

1

para colector solar (IX)Intercambiador de calor solar (VIII)

capacidad: 1000m3/h; poder: 50W

Fabricante: Delta; superficie de transferencia de calor: 5.5m2; Tipo: aleta de aluminio, 0.012m de espesor; tubo de conección de cobre: ⅜ in

Fabricante: Alarko; Tipo: NPVO-26-P; three speed; speed step: 1250, 1750, 2250 rpm; power: 40, 62, 83 W1.85m2, flat-plate

Fabricante: Atalay engineering; capacidad del tanque: 1801; espesor del tanque: 0.002m; aislante: lana de vidrio; espesor 0.005m; Tipo: tubo de cobre en espiral de 13.5m largo y ⅜ in de diámetro.

Tabla 2 Los resultados experimentales y total incertidumbre de los parámetros medidos.

Descripciòn Valor Incertidumbre total (%)

Las presiones de entrada y salida de la evaporaciòn

420 y 400 kPa

±2,95

Las presiones de entrada y salida de la condensaciòn

1104 y 900 kPa

±2,95

Las tasas de flujo masa del refrigerante 0.025 kg/s ±3,44

Las tasas de flujo de masa de la salmuera 0.033 kg/s ±3,44

Caudal másico de la soluciòn de agua y anticongelante

0.1 kg/s ±3,44

La temperatura de entrada y salida de la evaporaciòn

2 y 12 ºC ±3,35

La temperatura de entrada y salida de la condensaciòn

103 y 19.6 ºC

±3,35

Temperaturas de entrada y salida de agua de intercambiador de calor solar

42 y 44.8 ºC

±1,65

Temperaturas de entrada y de salida de salmuera de colector solar

19 y 47 ºC ±1,65

La temperatura del aire exterior 4.6 ºC ±1,40

2

Temperatura del aire a la salida del ventilador y la temperatura del aire en interiores

30 y 16.5 ºC

±1,40

La radiación solar 415 W/m2 ±1,75

Corriente eléctrica del compresor 5.68 A ±3,00

Tensiòn en dos fases 220 V ±3,00

Factor de potencia 0.9 ±1,00

Entrada de energía del compresor 1200 W ±4,55

Entrada de energía de la bomba de circulaciòn 65 W ±4,44

Coeficiente de rendimiento 3.08 ±5,29

Pérdida de exergia del compresor 0.827 kW ±7,15

Pérdida de exergía del condensador 0.232 kW ±7,15

Pérdida de exergía del evaporador 0.630 kW ±7,15

Pérdida de exergía del intercambiador de calor solar

0.096 kW ±7,15

Pérdida de exergía del colector solar 1.92 kW ±7,95

Pérdida de exergía del tubo capilar 0.14 kW ±5,25

3.1. Masa, energía y ecuación de balance de energía y análisis de rendimiento

Para un proceso general de flujo estable en estado estacionario conocida la masa, se dan las ecuaciones de balance de energía y exergía que fueron dados al encontrar la entrada de calor, la tasa de pérdidas de exergía, las eficiencias de la energía y exergía [2,23-25].La ecuación del balance de la tasa del  flujo de masa se puede expresar  como m entra = m sale................................................(1)donde m(ingresa) es la tasa del flujo de masa de entrada y m (salida) es la tasa del flujo de masa de salida. El caudal másico del refrigerante R-22 se puede expresar como

mr=nc.VcScVsrv60 .......................................(2)

mr=nc .Vc . ScVsrv .60

donde m r es la tasa de flujo de masa de refrigerante (kg / s), Vc es el volumen de carrera del compresor, nc es la eficiencia volumétrica del compresor, Sc es la velocidad del compresor (rpm) y Vrsv es el volumen específico de la entrada del refrigerante al compresor (m3/kg). El balance de energía general esE entra = E sale..................................................... (3)

3

donde E in es la tasa de transferencia neta de energía en el calor, el trabajo y la masa, E sal  es la tasa de transferencia neta de energía por el calor,el trabajo y la masa.El balance general de energía también se puede escribir de la siguiente manera:Q+m entra*h entra  = W + m sale*h sale.................................(4)

donde Q es la tasa de entrada neta de calor, W es la tasa  neta de producción de trabajo y h es la entalpía por unidad de masa. La exergía asociada con el flujo de masa se puede dividir en cuatro componentes, a saber, la exergía química Ex qui, exergía física Ex fis, exergía cinética Ex cin y exergia potencial Ex pot [4].Ex = Ex qui + Ex fis + Ex cin +Ex pot..................................(5)calor, la cual ha sido define como el trabajo obtenido cuando el fluido de trabajo es Exergía física, la mayor parte de la exergía en varios puntos de los sistemas de bomba de llevado desde las condición de referencia a las condiciones ambientales:

Ex phy =F Xi*Hi - ToXi*Si+GXi*Hi-ToXi*Gi………..(6)

donde H es la entalpía, S es la entropía y X es la proporción molar de cada componente, F se refiere a la fase líquida mientras que G se refiere a la fase de vapor [4]. Por lo tanto, exergía química, exergía potencial y  la exergía cinética se despreciados en este estudio. El balance general de exergía puede ser escrita de forma siguiente [3]:

Ex entra = Ex sale = Ex perdida...................................................................... (7)

donde Ex ent - Ex sal  es la tasa de transferencia de exergia por el calor, el trabajo y la masa y  Ex…es la tasa de pérdida de exergía. brevemente, en el sistema SAHP, la transferencia de exergía en los términos de flujo de masa y la interacción de calor pueden ser definidos como

Ex calor - Ex trabajo + Ex masa,  entra - Ex masa, sale= Ex perdida..................(8)La tasa del balance general de exergía también se puede escribir como

1-ToT iQ - W + m entra entra - m sale sale =E perdida ……………….(9)

Ψ es el flujo de exergia y puede expresarse comoΨ =(h-ho)-To(s-so)…………………………………….…………………………….(10)donde Qi es la tasa de transferencia de calor, Ti es la temperatura a la cual  se produce la transferencia de calor, W es el ritmo de trabajo, h es la entalpía, s es la entropía y el subíndice cero indica propiedades en el estado muerto de P0 y T0.La forma tasa del balance de entropía puede ser expresado comoS in - S out  + S gen = 0……………………………………………………………….(11)donde S in – S sal   es la tasa de entropía neta transferida por calor y masa y S gen es la tasa de generación de entropía, donde las tasas de transferencia de entropía por el calor transferido a una tasa de Qi y la masa que fluye a una velocidad de m  es  Scalor = Qi/Ti y Smasa = m×S. La  forma de la ecuación de la tasa de entropía general  también se puede escribir comoS gen =m salida. S salida - m entra. S entra - QT……………………………..(12)

La tasa de irreversibilidad I se halla directamente a partir de la siguiente ecuación:

4

I= To. Sgen……………………………………………………………………………..(13)El análisis exergético permite evaluar para cada componente del sistema  la exergía destruida o exergía pérdida y para determinar qué componente tiene la más efectos sobre la ineficiencia general del sistema. exergético o eficiencia exergía (segunda ley de eficiencia, eficacia) puede escribirse de la siguiente [3]:

nII= 1 – (Ex perdida /Ex entra)…………...………………………………..(14)El coeficiente de rendimiento de la calefacción general del sistema COPsys pueden ser definidos comoCOP sistema = QcW sistema    ò………………………………………….....(15)COP sistema = QcW com + W fancoils + W bombas donde Qc es la velocidad de transferencia de calor del condensador, es Wsys trabajo total del sistema cargado , Wcomp, Wfancoils y Wpumps son las tasas de las entradas de trabajo al compresor, ventiladores enroscados y bombas de circulación.Su Eficiencia instantánea del colector es computarizado de la siguiente forma:c =Q uAc.I……………………………………………………….(16)

Las ecuaciones de balance de masa, energía y exergía para los componentes sAHP se obtienen mediante el uso de las ecuaciones. (1) - (12) y que se resumen en la Tabla 3. Las ecuaciones de exergía y pérdida de exergía de cada componente se calcularon utilizando propiedades termodinámicas del agua y R-22Tabla 3La ecuación de balance de los componentes del sistema BCSA

Componente El análisis de masas utilizando la Ec . ( 1 )

Análisis de energía usando la Ec . ( 3 ) y ( 4 )

Pérdida Ex Eq . ( 1 ) y ( 12 )

Compresor m1=m2=mr w comp=mr(h2-h1) Ex perdida=mr(h1-h2)-To(s1-s2)+w

Condensador m2=m3=mr Q cond = mr(h2-h3)Q fan = Q cond

Ex perdida=mr(h2-h3)-To(s2-s3)-Qfan(1-To/Taire entra)Ex perdida=mr(h2-h3)-To(s2-s3)-Qfan(1-To/Taire entra)Ex perdida=mr(h2-h3)-To(s2-s3)-Qcn(1-To/Tout r)

tubo  capilar evaporador

m3=m4=mr h3 = h4 Ex perdida=mr(h3-h4)-To(s3-s4)

SAHP m14=m13=mw Q eva = mr(h4 - h7) Ex perdida=mr(h7-h4)-To(s7-s4)+mw(h14-h13)-To(s13-s14)

Colector solar m15=m16=m brine Q rad = Ac*G Ex perdida=m salmuera(h15-h16)-To(s15-s16)-Qrad(1-To/Tp)

Intercambiador de calor solar

m14=m13=mw Qu= m w*Cp w*(T14-t13)

Ex perdida= mw(h13-h14)-To(s13-s14)-Qu(1-To/Tw)(Tp-Tw)

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