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Estudio y Optimización de una Máquina Frigorífica

Tutor: Ángel Jiménez Álvaro

Javier Fernández Sánchez

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

(UPM)

Trabajo de Fin de Grado

Estructura del documento

Este documento consta de dos partes pues se desarrolló en el Instituto Nacional Politécnico

de Grenoble (Institut National Polytechnique de Grenoble), siendo a su vez supervisado por

la ETSII.

La primera parte del documento, redactada en castellano, consta de un resumen ejecutivo y

de un segundo resumen más extenso, requerido al haberse realizado durante un programa

Erasmus +. En este resumen se incluyen los requerimientos adicionales exigidos por la ETSII.

La segunda parte se corresponde con el documento entregado en la universidad francesa en

a modo de Projet Fin d’Étude.

Agradecimientos

A mi familia por haberme acompañado desde el principio, en los buenos y sobretodo en los

malos momentos. Sus ánimos han sido de valor incalculable.

A todas mis amigos por saber estar cuando no todo el mundo sabe.

A todo el profesorado que hace posible que salgamos adelante.

A mis tres tutores, Ángel, Jean-Paul y Jérôme, por su tiempo y sus ganas de ayudar.

I

I. Resumen

El mercado del frio industrial está globalmente extendido y tiene multitud de aplicaciones,

desde aplicaciones de uso cotidiano –aclimatación de objetos o espacios concretos como

neveras o motores de combustión- hasta otras realmente complejas en sectores de tecnología

punta –refrigeración de grandes instalaciones de generación de energía como centrales

nucleares-. Cualquier instalación de frio industrial tiene como objetivo extraer calor de un

entorno (foco caliente) para enfriarlo o refrigerarlo bien por cuestiones de mantenimiento o de

seguridad, o bien simplemente porqué se desea mantener dicho entorno por debajo de cierta

temperatura. Este calor extraído será transportado a otro medio o entorno (foco frío).

En el presente trabajo se analiza una instalación de frío industrial que tiene como objetivo la

formación de nieve artificial a partir de agua dulce. En este caso el medio que se desea enfriar

es este agua dulce de la cual se extraerá un calor, concretamente el calor latente de

solidificación del agua, mediante un intercambiador de calor llamado cristalizador que trabaja

con agua salada como fluido refrigerante, la cual realiza la función de foco frío.

Ilustración 1: intercambio de calor en el cristalizador

Aunque el intercambio de calor representado en la imagen anterior es el principal del sistema,

pues el objetivo del sistema es formar nieve artificialmente, no es el único. Se producen

exactamente tres intercambios de calor entre cuatro medios, más precisamente cuatro fluidos.

Estos cuatro fluidos son:

1. Agua dulce que cristaliza en nieve

2. Agua salada que hace de fluido caloportador en el intercambio de calor principal. Este

fluido es al que más espacio se le dedica en el trabajo pues además de ser el fluido

refrigerante en el cristalizador, forma parte de un ciclo de evaporación-compresión-

condensación.

3. Agua con glicol (agua glicolada desde aquí en adelante) que refrigera la condensación

del ciclo de evaporación-compresión-condensación nombrado en el anterior punto.

4. Aire tomado del exterior que enfría el agua glicolada.

II

Ilustración 2: intercambios de calor

Gran parte del trabajo trata sobre la explicación del bucle que sufre el agua salada, pues como

se ha dicho este fluido forma parte de un ciclo termodinámico. Podría decirse que es la parte

central del proyecto. La instalación consta de los elementos pertinentes para reproducir este

ciclo: evaporador, compresor, condensador y válvula de laminación, se trata de una

refrigeración por compresión.

La refrigeración por compresión se basa en el aprovechamiento de las propiedades de ciertos

fluidos, llamados refrigerantes o fluidos frigorígeno, de las cuales, la principal para este

proceso, es que su temperatura de vaporización a presión atmosférica es extremadamente

baja.

Supuesto un refrigerante con esas características en un circuito frigorífico como el de esta

instalación, se eleva su presión y temperatura, mediante un compresor en un proceso

isentrópico, hasta alcanzar la presión de condensación. En esas condiciones el fluido

atraviesa el condensador mientras intercambia calor con el medio exterior. Como

consecuencia de la cesión de calor se produce la condensación del fluido, que sale del

condensador y alcanza la válvula de expansión totalmente en estado líquido. Esta última parte

del proceso, se puede considerar isotérmica, ya que no varía la temperatura durante el cambio

de estado. El tramo del circuito comprendido entre el compresor y la válvula de expansión, se

conoce como lado de alta o zona de alta presión.

El dispositivo de expansión provoca una caída repentina de la presión y la temperatura sin

intercambio de calor, por lo que esta parte del proceso se puede considerar, idealmente, como

una transformación adiabática o isoentálpica. El fluido todavía en estado líquido y a la presión

de vaporización penetra en el evaporador, intercambiador de calor ubicado en el medio que

se pretende enfriar, del cual absorbe la energía térmica correspondiente al calor latente de

vaporización, de forma que el fluido sale del evaporador completamente en estado de vapor.

La transformación se puede considerar isotérmica por la misma razón que se dio en el

condensador. El tramo del circuito desde la válvula de expansión hasta el compresor se

conoce como lado de baja o zona de baja presión. A continuación, el vapor es aspirado por el

compresor para iniciar de nuevo el ciclo.

En el ciclo de refrigeración ideal, en los balances de energía del equipo, se desprecia cualquier

pérdida o ganancia de calor en las tuberías, considerando que los únicos intercambios de

calor que se producen en el sistema, ocurren en el evaporador y en el condensador. Sin

III

embargo, en el ciclo real el fluido refrigerante sufre una ligera caída de presión y temperatura

debido a las perdidas por fricción, sobre todo en evaporador y condensador y en las

restricciones de las válvulas de admisión y de escape. Esto hace que el ciclo real resulte

ligeramente distorsionado respecto del ciclo ideal sin pérdidas.

Ilustración 3: diagrama presión-entalpía de un ciclo frigorífico

Palabras clave:

- Intercambio de calor

- Fluido refrigerante

- Ciclo termodinámico de refrigeración por compresión

- Evaporador

- Condensador

- Compresor

- Laminación

V

Índice general

I. Resumen ..................................................................................................................... I

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................1

1.1 Concepto de “stage” .............................................................................................1

1.2 Contexto ...............................................................................................................1

1.3 Entorno laboral: asociación Alpinov X-LEGI ..........................................................1

1.4 Proyecto Snowfarm X ...........................................................................................3

1.5 Nieve natural ........................................................................................................5

1.6 Cañones de nieve artificial ....................................................................................6

1.7 Condiciones adecuadas de la nieve......................................................................7

2. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO ......................................................................9

3. METODOLOGÍA............................................................................................................11

3.1 Ciclo termodinámico frigorífico ............................................................................12

3.2 Instalación ..........................................................................................................14

4. RESULTADOS ..............................................................................................................17

4.1 Cristalizador ........................................................................................................17

4.2 Evaporador .........................................................................................................19

4.3 Etapa de compresión ..........................................................................................25

4.4 Condensador ......................................................................................................27

4.5 Retorno de condensados ....................................................................................30

5. CONCLUSIONES..........................................................................................................31

5.1 Datos numéricos .................................................................................................31

5.2 Coeficiente de rendimiento .................................................................................32

5.3 Salmuera ............................................................................................................33

6. IMPACTO SOCIAL Y AMBIENTAL................................................................................35

7. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO .......................................................37

7.1 Planificación temporal .........................................................................................37

7.2 Presupuesto .......................................................................................................38

8. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................39

9. NOTACION UTILIZADA ................................................................................................39

10. ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Y TABLAS .................................................................41

10.1 Índice de ilustraciones ........................................................................................41

10.2 Índice de tablas...................................................................................................41

1


Estudio y optimización de una máquina frigorífica

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Concepto de “stage”

Se ha considerado oportuno situar brevemente al lector antes de comenzar con la explicación

del trabajo como tal, cómo se originó este trabajo pues hay varios aspectos que deben ser

conocidos para comprenderlo globalmente.

Las escuelas de ingeniería en Francia exigen a sus alumnos realizar un periodo de prácticas

laborales antes de obtener el diploma, este periodo es llamado “stage”. Suele ser realizado

durante el segundo semestre, normalmente tiene una duración de entre 4 y 6 meses, del

último año académico y ha de guardar relación con los estudios que se estén realizando. Al

finalizar el periodo de trabajo el alumno debe realizar una memoria y una exposición sobre

este en la escuela ante un jurado que le evaluará. Todo este proceso se conoce como “Projet

Fin d’Études”, se puede decir que equivale al Trabajo de Fin de Grado que se realiza en

España.

Este “stage” debe ser efectuado en el seno de una empresa, sociedad o laboratorio. Se

redacta un contrato, denominado “convention de stage”, entre el alumno, la empresa y la

universidad para establecer todos los términos necesarios.

1.2 Contexto

El proyecto en cuestión se realizó a modo de “Projet Fin d’Études” para la escuela École

Nationale Supérieure de l'Énergie, l'Eau et l'Environnement (ENSE3) de la universidad Institut

National Polytechnique de Grenoble (INP) en la ciudad francesa de Grenoble entre los meses

de febrero y junio del año 2018.

Desde mediados del siglo XIX la ciudad de Grenoble se ha caracterizado por su gran

involucración en la investigación científica y en la alta tecnología. Hoy en día cuenta con

multitud de organismos de investigación tanto nacionales como internacionales además de

los numerosos laboratorios de investigación asociadas a las universidades y al INP.

Grenoble es una ciudad situada al sureste de Francia, en la región Auvernia-Ródano-Alpes,

capital del departamento de Isère. Se encuentra junto a la cadena montañosa de los Alpes, lo

cual afecta fuertemente a la cultura de la ciudad, tanto que de hecho la ciudad es conocida

coloquialmente como la capital de los Alpes franceses.

Esta cultura de montaña es la causante de que los deportes de montaña y nieve sean muy

practicados en los alrededores de la ciudad y se invierta una gran cantidad de tiempo y dinero

en mejorar las condiciones y calidad de estos.

1.3 Entorno laboral: asociación Alpinov X-LEGI

Este proyecto es fruto de una colaboración entre dos sociedades: la empresa AlpinovX y el

laboratorio “Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels” (LEGI).

2

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

INTRODUCCIÓN

Alpinov X es una empresa creada en mayo de 2017 por tres ingenieros franceses con la

ambición de irrumpir en el mercado de la nieve artificial de la mano de un novedoso sistema

para la creación de esta. La start-up tiene sede en la ciudad de Grenoble, que como se

comentó anteriormente es una ciudad en la que este mercado tiene una gran relevancia, cada

vez tiene una mayor importancia en el panorama de los deportes de nieve. De hecho la

empresa colabora con 2 estaciones cercanas a la ciudad, Chamrousse y Villard de Lans, a

modo de patrocinadores de sus productos.

El LEGI es un laboratorio de investigación público de la Comunidad Universitaria de Grenoble-

Alpes. Es una Unidad de Investigación Conjunta (“Unité Mixte de Recherche”, UMR 5519)

compartida por el Centro Nacional de Investigación Científica (“Centre Nationale de la

Recherche Scientifique”, CNRS), la Universidad de Grenoble Alpes (UGA) y el Institut National

Polytechnique (Grenoble-INP), que reúne a más 150 personas, incluyendo 60 estudiantes

permanentes.

Las principales actividades de investigación llevadas a cabo en el LEGI pertenecen al campo

de la mecánica de fluidos y la transferencia de calor. Estas investigaciones se basan en una

combinación de enfoques metodológicos que aúnan el modelado, la experimentación

(cuentan con más de 40 bancos experimentales), simulación numérica de alto rendimiento

(máquinas de computación en paralelo) y el desarrollo de innovadores instrumentos de

medición. Estas actividades están vinculadas a un gran número de campos de aplicación

relacionados con cuestiones medioambientales e industriales.

Fundamentalmente los temas de investigación del laboratorio son:

• Dinámica de flujos turbulentos.

• Dinámica de fluidos geofísicos.

• Dinámica de flujos con acoplamientos hidrodinámicos.

El primer paso del proyecto, dado por Alpinov X, es un demostrador a pequeña escala con el

que se comprueba que el sistema ideado cumple las expectativas y se forma nieve trabajando

con agua como fluido caloportador y teniendo una temperatura exterior no negativa.

Es tras este pequeño éxito cuando Alpinov X decide asociarse con el LEGI con le idea de

verdaderamente llevar a cabo el proyecto.

Tras este pequeño éxito se comienza a diseñar y construir el segundo demostrador ya a gran

escala. Este demostrador se prueba en la estación de esquí Villard de Lans.

Ilustración 5: símbolo de Alpinov X Ilustración 4: símbolo del LEGI

3



1.4 Proyecto Snowfarm X

El objetivo del proyecto Snowfarm X es la creación de la nieve artificial. Como se explicará

posteriormente, este objetivo no es nada novedoso pues actualmente ya existen cantidad de

dispositivos capaces de crear nieve artificialmente a partir de agua y aire. La principal

aportación que propone Alpinov X es la independencia del medio ambiente y sus condiciones,

es decir, poder producir nieve sean cuales sean las condiciones de temperatura y humedad

del exterior. Esta independencia puede tener un valor incalculable pues la mayoría de

sistemas existentes precisan de una temperatura exterior muy fría para poder trabajar.

El proyecto Snowfarm X ofrece 8 principales ventajas en comparación con los sistemas

tradicionales de fabricación de nieve:

1. Producción no dependiente del clima exterior: posibilidad de trabajar tanto a temperaturas

por debajo de 0° C como por encima.

2. Consumo de energía optimizado: entre 3 y 5 veces mejor que los fabricantes de nieve

comparables.

3. Valorización del 100% del agua utilizada: entre el 40 y el 50% del agua tomada por los

fabricantes de nieve tradicionales, cañones de nieve, no se encuentra en la pista una vez que

se genera la nieve, pues gran parte de ella se pierde.

4. Integración en el entorno del sitio de despliegue: vestimenta adaptada y discreción de

operación.

5. Uso de las redes de agua y electricidad existentes: no existe la necesidad de construir

nuevas infraestructuras.

6. Movilidad para uso plural: posibilidad de tratar diferentes zonas de una sola estación.

7. Producción de nieve cualitativa en grandes volúmenes: para una óptima explotación de la

nieve.

8. Operación remota para una mejor flexibilidad de operación.

4


INTRODUCCIÓN

Ilustración 6: cartel publicitario del Snowfarm X

El demostrador trabaja con un ciclo termodinámico evaporación-compresión-condensación.

La gran novedad física en el proyecto es el uso del agua como fluido termodinámico a la hora

realizar este ciclo, que tiene como objetivo enfriar otro circuito de agua, el del cristalizador,

para congelarla y formar la nieve.

Ilustración 7: esquema sinóptico del ciclo termodinámico

5



La decisión de utilizar agua como fluido acarrea ventajas y desventajas respecto a otros fluidos

típicamente usados. Aunque el amoníaco tenga unas excelentes propiedades térmicas que lo

hacen ser un refrigerante ideal, es tóxico, algo inflamable y explosivo bajo ciertas condiciones.

El punto a favor de utilizar agua como fluido termodinámico son sus buenas cualidades

térmicas: su alto calor específico y su elevado calor latente de evaporización. Esto

reduce notablemente el caudal de agua que hay que usar.

Tabla 1: propiedades térmicas de distintos refrigerantes

Refrigerante Calor específico (J/Kg*K)

Calor latente de vaporización(KJ/Kg)

Agua 4.186 2.257

Amoniaco 4.700 1.369

R22 1.227 182

Sin embargo, al querer absorber calor de un sistema que está a 0 °C, el agua como

fluido refrigerante debe estar por debajo de dicha temperatura y su evaporación

(fenómeno físico que permite la absorción del calor en forma de calor latente de

evaporización) solo se producirá si la presión es lo suficientemente baja debido a sus

propiedades de saturación. Por ejemplo la presión de saturación correspondiente a

una temperatura de 0 °C es de 6 milibares. Esta es la causa de que se utilice una

bomba de vacío para conseguir una presión de esa magnitud en el interior del

evaporador.

En la ilustración 7 el bucle superior representa el ciclo termodinámico que sufre el agua y el

inferior hace referencia al bucle donde se produce realmente el intercambio de calor entre el

ciclo y el cristalizador para la formación de la nieve.

1.5 Nieve natural

El clima en el continente europeo está determinado por el choque casi permanente de masas

de aire caliente y masas de aire frío. Cuando dos masas de aire de diferente origen y

temperatura se encuentran, no pueden mezclarse. Se repelen mutuamente. De ahí surgen

perturbaciones climatológicas que pueden dar lugar a las precipitaciones que conocemos.

Cuanto más fría es una masa de aire, menos vapor de agua en estado gaseoso puede

contener. Al enfriarse una masa de aire húmedo, el exceso de vapor de agua que queda se

condensa en forma de gotas de agua formándose así las nubes. Estas gotas pueden

permanecer en estado líquido incluso a temperaturas inferiores a 0 ° C, fenómeno que es

conocido como la subenfriamiento. Si este subenfriamiento continúa hasta los -12 ° C

aproximadamente, las gotas se congelan espontáneamente alrededor de pequeñas partículas

sólidas, que actúan como núcleos de congelación.

Se podría decir que para que se formen los primeros cristales de hielo deben darse las

siguientes tres condiciones:

i. bajas temperaturas (por debajo 0 ° C);

ii. la presencia de vapor de agua;

iii. la presencia de pequeñas partículas sólidas volátiles que harán (polvo, arena,

ceniza, polen etc...) de núcleos de congelación.

6


INTRODUCCIÓN

De esta manera nacen los cristales de hielo que pueden dar origen a la nieve si las

condiciones de temperatura en la precipitación son las adecuadas. Estos primeros cristales

pueden ir aumentando su tamaño por entrar en contacto con más vapor de agua y este

condensarse, o directamente capturando otras gotitas de agua cuya temperatura este entre

0ºC y -12ºC. Al alcanzar cierto peso, cuando pasan ya a llamarse copos de nieve, comienzan

a descender hasta la superficie terrestre. Estos copos de nieve solamente conservarán su

estado sólido de copo de nieve si las temperaturas a las que son sometidos durante su caída

no son lo suficientemente elevadas como para derretirlos y que pasen a ser simplemente

gotas de lluvia o agua-nieve. Esta última condición es la causante de que en grandes ciudades

con multitud de personas, vehículos, edificios que no cesan de emitir calor al medio ambiente

y en consecuencia aumentar la temperatura, sea menos frecuente la nieve que en lugares

más aislados y menos explotados ( industrialmente hablando) como puede ser la montaña.

1.6 Cañones de nieve artificial

La creación de la nieve artificial no es nada novedoso hoy en día, pero si es algo que comenzó

a investigarse recientemente. Lleva siendo estudiado desde finales de los años 50 del siglo

XX. Los primeros cañones de nieve (método más utilizado, que se explicara a continuación)

datan de 1973, fueron desarrollados por investigadores norteamericanos.

El funcionamiento de un cañón de nieve se basa en mezclar aire a alta presión y agua a baja

temperatura. La mayor parte de los cañones son los llamados de alta presión: los hay de entre

6 y 10 metros de altura y están fijos sobre el terreno. Los de baja presión pueden moverse y

son más productivos, pero consumen más energía. Según el modelo son capaces de producir

entre 8 y 14 metros cúbicos de nieve por hora.

Las estaciones de esquí extraen el agua de algún río o embalse cercano, bien natural o

artificial. Para ello deben contar con una compleja y costosa infraestructura de cañerías que

acerque dicha agua hasta las instalaciones de esquí gracias al trabajo de unas potentes

bombas extractoras, y de grandes grupos de compresión para cambiar las condiciones del

aire a las adecuadas.

El sistema de cañerías distribuye el agua por todos los cañones de la estación y es en cada

cañón donde se mezcla con el aire comprimido.

Para la compresión del aire existen dos distintos tipos de instalaciones:

a. IN SITU: cada cañón cuenta con un compresor diferente encargado de tomar el aire

del ambiente y ponerlo a punto para la consiguiente mezcla con el agua.

b. Compresión central: existe una gran planta central donde se comprime todo el aire

necesario para alimentar a toda la estación. El aire comprimido es bombeado por unas

tuberías paralelas a las de agua hasta cada cañón. De esta manera se ahorran costes

en compresores pero son necesarias las bombas para el transporte del aire ya

comprimido y evitar una fuerte pérdida de carga durante este.

El aire no tiene que ser únicamente comprimido, también debe ser enfriado y sobre todo se le

debe extraer la humedad.

Aire y agua se mezclan inmediatamente después de haber sido expulsados simultáneamente

pero por separado por diferentes propulsores activados por el sistema de control que pilote el

cañón.

7



De esta manera aire y agua confluyen a la salida del cañón. Eso sí, para poder generar esta

nieve se necesita una temperatura exterior próxima a los ceros grados. Hoy en día la

infraestructura en su conjunto se pone en marcha cuando las condiciones meteorológicas,

tanto de temperatura como de humedad, son las adecuadas para la creación de la nieve. El

proceso es muy costoso para la estación y no garantiza grandes cantidades de nieve, pero sí

permite que haya una cantidad suficiente como para esquiar sobre ella.

1.7 Condiciones adecuadas de la nieve

Al formar nieve artificialmente básicamente se imita, se trata de imitar, lo que ocurre en la

naturaleza. Si a miles de metros de altura en la atmosfera el copo se forma a partir de una

partícula de agua, en el sistema de cañones se reproduce algo similar: se genera una partícula

de hielo sobre la que impacta el agua ayudada por el aire, y se crea un copo. Cuanto más frío

hace (siempre por debajo de cero) y menos humedad hay en el ambiente, más calidad tiene

la nieve producida y más eficaz es el sistema.

Efectivamente, se puede producir nieve de diferentes calidades. Cuanta más agua se emplee

en la mezcla, más pesada resultará y más se engancharán las tablas de esquiar al pasar

sobre ella. No se utilizan aditivos ni sustancias químicas durante el proceso a pesar de lo que

suele creerse, de modo que el producto es completamente natural.

Aun así, las asociaciones ecologistas critican estas instalaciones por el uso del agua y el

impacto visual de no solo los cañones sino de toda la infraestructura necesaria.

Sin duda alguna, nada hay comparable a la nieve que cae del cielo: lo natural siempre mejor.

El copo, en forma de estrella, es más ligero, tiene mucho aire y poca agua, así es poco denso.

Cuando se acumula en la montaña da lugar a la deseada nieve polvo sobre la que el esquiador

se desliza con la máxima facilidad experimentando las mejores sensaciones de este deporte.

El copo artificial sin embargo tiene forma esférica, tiene más agua y menos aire por lo que es

más denso que el natural. Si el esquiador pasa sobre esa nieve recién sedimentada notará

que sus esquís tienden a engancharse más, podríamos decir que no es tan suave y deslizante.

Entre uno y otro tipo de nieve son evidentes las diferencias cuando ambas conviven sobre la

pista.

Lo ideal es dejar “secar” la nieve producida alrededor de un día sobre la montaña; durante

ese tiempo se acaba de enfriar y el agua líquida sobrante se congela, así se consigue un

porcentaje de humedad menor acercándose más a las condiciones de la nieve natural. En

estas condiciones, y con el trabajo de las máquinas, la diferencia es prácticamente

imperceptible respecto con la natural.

Una de las ventajas que posee la nieve artificial es que una vez depositada en el suelo, dura

más tiempo y no necesita ser compactada con tanta intensidad para que aguante el paso de

los esquiadores debido, precisamente, a su mayor densidad. A cambio hay que trabajar más

para distribuirla de manera uniforme por la estación.

8


INTRODUCCIÓN

9



2. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO

El objetivo del presente trabajo es explicar en qué consiste el proyecto Snowfarm X en que el

alumno trabajó y especialmente en exponer cuales fueron las funciones principales del

alumno.

Inicialmente las metas impuestas fueron las siguientes:

Desarrollar una metodología para simular todo el proceso y sus diferentes elementos:

evaporador, compresor, condensador, cristalizador...

Establecer vínculos entre la arquitectura del sistema y el modelado físico-químico.

Proponer una herramienta de dimensionamiento para la optimización del proceso.

Aunque estos ambiciosos objetivos fueron propuestos como primera aproximación por Alpinov

X, estaban sujetos a posibles cambios o imprevistos según avanzase el proyecto.

El lector debe comprender que el alumno tenía cierto grado de libertad en cuanto a su modo

de trabajo pero siempre estaba bajo supervisión de Alpinov X y el LEGI, por lo que hay ciertas

partes del proyecto Snowfarm X que no fueron analizadas por este simplemente por la toma

de decisiones de ambas sociedades. Concretamente los elementos del sistema a los que se

dedicaron gran parte del tiempo de trabajo fueron:

Cristalizador

Evaporador

Condensador

Sin embargo hay otros muchos elementos del sistema que a pesar de no ser estudiados deben

ser nombrados y explicados brevemente para la adecuada comprensión global del sistema.

Se está haciendo referencia fundamentalmente a las etapas de compresión y expansión,

llevadas a cabo por un compresor y una válvula de laminación. También existen multitud de

elementos secundarios como bombas, válvulas de control, ventilador de aire que aunque sean

de menor importancia que los ya citados resultan imprescindibles para el correcto

funcionamiento del sistema.

10


OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO

11



3. METODOLOGÍA

El proyecto Snowfarm X no es sencillo, une una serie de complejos elementos con un único

fin por lo que cada elemento debe poder ser tratado aisladamente como elemento

independiente con su particular función y como una parte de un todo, como un eslabón más

de la cadena que ha de funcionar en conformidad. Se habla de una cadena pues el flujo de

datos y variables recorre el sistema en una sola dirección y sentido, por lo que las variables

de salida de un elemento serán las variables de entrada del próximo.

Este es el motivo por el que se decide, una vez comprendida la totalidad del sistema, estudiar

cada componente del sistema por separado como si de un sistema de bloques independientes

se tratase para más tarde unirlos.

Físicamente hablando, las variables y datos que se nombraban son los caudales, potencias,

temperaturas y presiones, y los nexos de unión entre cada componente son las ecuaciones y

balances másicos y térmicos que definen el proceso llevado a cabo en cada caso. En cuanto

al sentido de qué es entrada y qué es salida se ha seguido el mismo que lleva el agua en el

ciclo termodinámico. Las dobles flechas hacen referencia a un intercambio de calor entre dos

fluidos.

Ilustración 8: diagrama de bloques del sistema

El útil informático que se utiliza para realizar todos los cálculos es el programa Excel del Pack

Office Microsoft, por lo que introducirán ciertas capturas de pantallas de las hojas de cálculo

utilizadas para facilitar la comprensión del tema en cuestión.

Una vez comprendido el sistema globalmente y aclarado el método de trabajo seguido se

procede a la explicación del sistema y sus diferentes componentes.

12


METODOLOGÍA

3.1 Ciclo termodinámico frigorífico

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos en los que

un sistema parte de una situación inicial y tras aplicar dichos procesos regrese al estado inicial.

Como procesos termodinámicos se conoce a la variación de las propiedades termodinámicas

del sistema (presión, entropía, volumen, entalpía y temperatura) desde un estado inicial a un

estado final.

Al realizar un ciclo completo, la variación de la energía interna debe ser nula por lo tanto el

calor transferido por el sistema debe de ser igual al trabajo realizado por el sistema como dicta

el primer principio de la termodinámica. Lo importante es que gracias a esta propiedad se

puede obtener trabajo de un sistema mediante un aporte calorífico. Si el rendimiento fuese

perfecto todo el calor que se suministra se podría transformar en trabajo, pero esto no es así

ya que siempre hay pérdidas de calor.

El ciclo termodinámico que tiene lugar en la instalación es un ciclo básico de evaporación-

compresión-condensación-expansión donde el fluido en estado líquido se corresponde con

agua salada y en estado gaseoso con vapor de agua.

Existen dos presiones en el ciclo básico de refrigeración por compresión o ciclo frigorífico: la

de evaporación o baja presión y la de condensación o alta presión. El fluido refrigerante actúa

como medio de transporte para mover el calor del evaporador al condensador, donde dicho

calor es despedido a la atmósfera, si se trata de un ciclo refrigerado por aire tomado del

exterior, o al fluido de enfriamiento, en el caso de sistemas enfriados por otro fluido. Un cambio

de estado líquido a vapor, y viceversa, permite al refrigerante absorber y descargar grandes

cantidades de calor de forma eficiente.

Ilustración 9: diagrama presión-entalpía

13



Tabla 2: estados de referencia

1 Líquido subenfriado pevap

2 Líquido saturado pevap 3 Vapor saturado pevap 4 Vapor recalentado pevap 5 Vapor comprimido pcond 6 Líquido condensado pcond

Grosso modo, el circuito podría resumirse así:

1. El calor que se desea evacuar pasa del correspondiente medio (en el caso de esta

instalación este medio se corresponde con el agua dulce que se quiere congelar) al

fluido refrigerante (agua salada) alojado en el evaporador, donde este se evapora por

efecto de tal calor.

2. Una vez formado el vapor, este es conducido hacia el compresor para elevar su

presión hasta la alta presión o presión de condensación.

3. La válvula de descarga post-compresión bombea este vapor hacia el condensador

donde volverá a estado líquido por entrar en contacto con otro fluido refrigerante que

absorbe el calor para evacuarlo definitivamente al exterior.

4. Finalmente los condensados se recirculan de nuevo hacia el evaporador pasando por

una válvula de laminación para que su presión sea la adecuada.

Haciendo referencia a los diferentes componentes del sistema, los estados de referencia

quedarían representado de esta manera

Ilustración 10: esquema sinóptico con estados de referencia

14


METODOLOGÍA

3.2 Instalación

En este apartado se hace referencia a la instalación del sistema, a los componentes en sí. Se

desea explicar la disposición de los diferentes componentes para que el lector comprenda

donde tiene lugar cada etapa del ciclo.

La ilustración 11 es un esquema del diseño de la instalación, tanto de sus componentes que

forman parte del ciclo termodinámico como aquellos, que aunque no sean estrictamente parte

del ciclo, también son necesarios para el correcto funcionamiento. Podemos diferenciar varios

componentes que a continuación serán nombrados brevemente, pero más adelante se

explicarán en detalle.

- En el interior de la gran cuba metálica se alojan el evaporador y el condensador;

- los anteriores dos elementos están conectados por el grupo turbocompresor que se puede

ver a la derecha con dos etapas claramente diferenciadas: la primera de ellas son dos

compresores en paralelo y la segunda uno en serie;

- El elemento blanco de la izquierda es donde está el ventilador que toma aire del exterior y

refrigera el agua glicolada que recorre el interior del condensador.

Ilustración 11: diseño 3D de la instalación

Para una mejor comprensión de la instalación se adjunta una simplificación en dos

dimensiones de su diseño y la localización física de los estados de referencia. Se pueden

distinguir tres bucles diferentes:

Bucle cristalizador-evaporador (color azul en la ilustración 10): lo realiza el agua salada

entre el evaporador y el cristalizador. El fluido sale del evaporador la temperatura T2,

recorre el cristalizador como se explicará más adelante, y vuelve al evaporador a la

temperatura T2’ aportándole a este el calor extraído del cristalizador.

15



Bucle central: es el ciclo termodinámico representado en la ilustración 9. El estado de

referencia número 2 se corresponde con el agua salada alojada en el interior del

evaporador, la cual se evapora debido al calor aportado por el caudal del bucle

cristalizador. Una vez formado (estado de referencia 3), el vapor de agua pasa al grupo

de compresión (color verde en la ilustración 9, estado de referencia 5) hasta la pcond

para a continuación entrar al condensador y volver a estado líquido (estado de

referencia 6). El ciclo se cierra a través del sistema de “retorno de condensados” (color

negro en la ilustración 9), que conecta el depósito del condensador con el evaporador.

En este sistema se hallan la válvula de laminación y una bomba para impulsar el

caudal.

Bucle de agua glicolada (color rojo en la ilustración 9): es el fluido refrigerante del

condensador, que a su vez es refrigerado por un ventilador que trabaja con aire tomado

del ambiente.

Ilustración 12: esquema 2D diseño instalación

16


METODOLOGÍA

17



4. RESULTADOS

A continuación se explicará detenidamente cada elemento del sistema, aunque como se ha

comentado en varias ocasiones hay varios de estos elementos en los que no se hace mucha

profundidad debido al alcance del trabajo.

4.1 Cristalizador

Se podría decir que el cristalizador es el componente más importante de toda la instalación,

es en el que verdaderamente se forma la nieve. Es el elemento para el que el resto de

componentes están pensados.

En el interior del cristalizador se lleva a cabo un intercambio de calor entre dos fluidos: entre

el agua dulce que es tomada del exterior para que solidifique en hielo, y el agua salada (más

adelante se explicará la causa de que sea agua salada) procedente del evaporador.

Lógicamente es el agua dulce la que se va a enfriar y el agua salada la que se calentará.

El evaporador en si es un cilindro de 706 mm de diámetro y 800 mm de altura que pone en

contacto ambos fluidos. Está hecho de un acero comercial, pero fue bañado en zinc para

galvanizarlo y evitar la corrosión debida al agua salada. Mientras el agua dulce atraviesa

longitudinalmente de base a base el cilindro, para que la superficie de contacto sea la mayor

posible el cristalizador consta de dos circuitos con forma de espiral que recorren en varias

ocasiones el contorno de la base a medida que suben por la cara lateral.

Por lo tanto el agua salada sale del evaporador a la temperatura a la que este esté, llega hasta

el cristalizador gracias a una bomba situada entre ambos elementos, recorre los dos circuitos

en paralelo con forma de espiral, mientras enfría el agua dulce, y vuelve al evaporador

obviamente más caliente que cuando salió. El máximo caudal de agua salada está

determinado por la presión que puede generar la bomba y las pérdidas de carga que hay tanto

en las tuberías que conectan evaporador con cristalizador como en los propios circuitos en el

interior del cristalizador.

Se llamará desde ahora en adelante potencia fría del cristalizador 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 a la potencia

necesaria para generar nieve a la temperatura deseada a partir de agua dulce a la temperatura

a la que esté cuando se introduce al cristalizador. El agua dulce debe ser enfriada en primer

lugar hasta la temperatura de congelación, una vez ahí extraer el calor latente de solidificación

para obtener el hielo, y finalmente enfriarlo hasta la temperatura final deseada. En cuanto al

agua salada, simplemente se aprovecha su capacidad calorífica para absorber todo el calor

que supone la solidificación del agua dulce.

18


RESULTADOS

Este es el balance térmico que se lleva a cabo en interior del cristalizador:

𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡= (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞*ΔT1) + (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐿 𝑠𝑜𝑙) + (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐶𝑝 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*ΔT2)= 𝑚𝑠𝑎𝑙*𝐶𝑝 𝑠𝑎𝑙*(T2’ – T2)

ΔT1= 𝑇𝐼𝑁 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒 (Ambiente, entre 3 y 9°C)-temperatura de solidificación del agua (≈ 0°C)

ΔT2= temperatura de solidificación del agua (≈ 0°C) - temperatura deseada del hielo (≈ -5°C)

Los caudales másicos vienen representados por 𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒 y 𝑚𝑠𝑎𝑙 , y las temperaturas T2’ y T2 son

respectivamente las temperaturas de entrada y salida del agua salada respecto al evaporador.

La condición limite térmica en este intercambio de calor viene dada por el agua dulce pues

tiene el menor producto “caudal*calor especifico”. Son sus caudales y sus temperaturas

quienes determinan la temperatura máxima que puede haber en el evaporador.

Otra condición limite es que la temperatura de salida del agua salada del cristalizador no

puede ser mayor que la temperatura de saturación a la presión del evaporador porqué si no,

esta se evaporaría y se correría el riesgo de que aparezca cavitación, lo cual es fatal para el

sistema debido a los daños físicos que puede llegar a causar en las estructuras.

El cálculo de 𝑚𝑠𝑎𝑙 se realizó teniendo en cuenta las pérdidas de carga -tanto de los dos

circuitos en paralelo del cristalizador como el conjunto de tuberías que unen evaporador y

cristalizador- y la presión de bombeo que puede proporcionar la bomba encargada de hacer

circular este bucle, que es una bomba multicelular de marca Salmon.

Las diversas válvulas que se alojan en las tuberías entre el cristalizador y el evaporador son

las responsables de regular este flujo según convenga para el funcionamiento.

Ilustración 13: Bomba versus Circuito

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

PR

ESSÓ

N

CAUDAL

Bomba vs Circuito

19



El gráfico enfrenta la curva característica de la bomba utilizada y la curva de la pérdida de

carga del circuito por el agua salada debe viajar con el impulso de la bomba. La pérdida de

carga se representa en metros (sabiendo que Δp = ρ * g * Δz) y el caudal en metros cúbicos

por hora. El punto de corte resulta ser (m3/h, m) = (12.5, 11.5), por lo que el caudal máximo

que puede circular por el interior del cristalizador es de 12.5 (m3 / h).

4.2 Evaporador

El evaporador es el elemento central del bucle del ciclo, es el que verdaderamente absorbe el

calor que se evacua del cristalizador.

En todo sistema de frio industrial el evaporador es un elemento indispensable, es el nexo de

unión entre el sistema a enfriar y el ciclo termodinámico que absorbe el calor extraído de dicho

sistema. El evaporador en sí es únicamente un continente donde se aloja el fluido a evaporar

y da salida al vapor generado debido al calor recibido.

Se trata de un cilindro metálico con las siguientes dimensiones: diámetro=690mm y

altura=1708mm.

Como es lógico y se hace en todos los ciclos termodinámicos de evaporación-condensación

la presión de trabajo en el interior del evaporador es muy baja con el fin de que la temperatura

de saturación del fluido refrigerante sea pequeña y fácilmente alcanzable.

En este caso el fluido que sufre el ciclo termodinámico es agua salada. En primer lugar se

explicará porqué el agua es un fluido utilizado frecuentemente en este tipo de instalaciones y

a continuación se comentará la razón por la que se ha escogido agua salada. Cabe destacar

que aunque el agua y su vapor no van a trabajar a alta temperaturas, salvo a la salida del

compresor, sigue siendo el fluido caloportador pues es el fluido que realiza el intercambio de

calor con el sistema a enfriar y evacua su calor.

Las principales razones por la que se usa el agua como fluido refrigerante son sus

características térmicas: su gran calor latente de vaporización y su alto calor específico. Esto

permite una gran absorción de calor con un caudal no demasiado elevado.

Es un fluido transmisor de calor económico para temperaturas hasta 100ºC. Para

temperaturas superiores se debe presurizar el circuito para poder continuar estando el fluido

en fase líquida – agua sobrecalentada – y por tanto los costes aumentan considerablemente.

Es por ello que su campo se delimita mucho a temperaturas inferiores a esos 100 º C.

20


RESULTADOS

Ilustración 14: diagrama presión-temperatura del agua

Se puede apreciar perfectamente en la ilustración 14 como a mediad que disminuye la

presión, la temperatura de saturación hace lo propio. Se pasa por ejemplo de la presión de

ebullición de 100°C a la presión atmosférica a una presión de saturación de 50°C para una

presión de 0,123 bares. Esta es la razón física por la que en los evaporadores se trabaja a

estas presiones tan bajas. De la misma manera se explica que se utilice un compresor para

elevar la presión de condensación y así el calor liberado en este cambio de fase sea mayor.

Sin embargo la temperatura de congelación se ve mucho menos afectada por la presión,

podría aproximarse que la curva de congelación del agua es independiente de la presión, es

decir, en este diagrama es casi una recta vertical.

Trabajando a tan baja presión se consigue que la vaporización del agua resulte más fácil y

menos costosa térmicamente hablando, sin embargo el hecho de estar tan cerca del punto

triple supone correr el riesgo de que el agua pueda congelarse. Este es el motivo por el que

se decide emplear agua salada en lugar de agua pura. El agua salada rebaja el punto de

congelación considerablemente, lo que hace que el riesgo de congelación se reduzca

notablemente.

21



4.2.1 Justificación del uso de agua salada

Se recuerda que el objetivo del evaporador es absorber calor de un medio, del agua dulce a

congelar, que debe acabar por debajo de los cero grados centígrados para cumplir el objetivo

de la congelación, lo cual hace necesario que el agua alojada en el evaporador esté a menor

temperatura que esta. Para poder trabajar con agua a estas temperaturas tan bajas la presión

en el interior del evaporador debe rondar los pocos milibares (entre 6 y 10 concretamente).

Esto se consigue gracias a una bomba de vacío.

Estas condiciones se encuentras muy cerca del punto triple del agua, estado físico (presión

de 6,15 milibares, temperatura de 0,01ºC) en el que conviven sus tres estados simples: vapor

de agua, agua líquida y hielo, por lo que se debe ser muy cauteloso para evitar la formación

de hielo.

Debido a esto el fluido seleccionado para circular por el interior de evaporador y cristalizador

es agua salada, ya que su punto de congelación desciende notablemente respecto al del agua

natural.

Ilustración 15: diagrama de fases del agua salada

En la ilustración 15 se puede observar las diferentes fases que coexisten en función de la

temperatura a la que se encuentre la solución. El líquido -entre líneas rojas- hace referencia

a la disolución de H20 y NaCl, conocida comúnmente como salmuera; en el resto del diagrama

aparecen fases sólidas, bien sea hielo o bien solución sobresaturada en la que ha solidificado

alguno o ambos componentes. Este diagrama es a presión atmosférica.

El motivo de añadir NaCl al agua del evaporador es reducir su punto de congelación, es decir,

evitar la formación de hielo. El punto eutéctico del diagrama (mezcla de dos componentes con

punto de solidificación mínimo, inferior al correspondiente a cada uno de los compuestos en

22


RESULTADOS

estado puro) se encuentra a una concentración de 23% en peso de NaCl y una temperatura

de -21°C. El objetivo es mantener una concentración de NaCl en torno al 15-20% para tener

una temperatura de congelación que oscile entre -12 y -20°C, y así aunque la temperatura del

evaporador se acerque a los 0°C o incluso la rebase en alguno grados, no debería formarse

hielo.

La adición de NaCl tiene otra importante consecuencia termodinámica en el agua. Debido a

tener una mayor densidad que el agua, la solución final aumenta su densidad y viscosidad lo

que da lugar a un aumento del punto de ebullición y una disminución del punto de congelación.

Calculando la molalidad de la disolución (número de moles de soluto por cada kilogramo de

disolvente) se pueden obtener dichos cambios de temperatura:

∆𝑇𝑐 = 𝑘𝑐 ∗ 𝑚

∆𝑇𝑒 = 𝑘𝑒 ∗ 𝑚

Donde 𝑚 es la molalidad, 𝑘𝑐 la constante de congelación del disolvente (1,86 K*kg/nº moles),

𝑘𝑒 la constante de ebullición del disolvente (0,512 K*kg/nº moles) y ∆𝑇𝑐 y ∆𝑇𝑒 son las

variaciones de temperatura del punto de congelación y ebullición respectivamente. Por

ejemplo para una disolución al 20% de NaCl en agua se obtienen unas nuevas temperaturas

de congelación y ebullición de -7,96°C y 2,19°C. Estas dos expresiones anteriores hacen

referencia a presión atmosférica.

23



4.2.2 Funcionamiento del evaporador

Según el volumen de salmuera que haya en el interior del evaporador el sistema funciona de

una manera o de otra, existe un volumen máximo de 200 litros y uno mínimo de 50 litros que

actúan como límites. Este volumen depende de los caudales entrantes y salientes.

Ilustración 16: esquema del bucle cristalizador-evaporador

El bucle cristalizador-evaporador siempre está en marcha, es decir, 𝑚𝑠𝑎𝑙 es constante y

debido a su aporte de calor el evaporador está siempre produciendo vapor: 𝑚𝑣𝑎𝑝 nunca es

nulo. Es el flujo de condensados el culpable de que el volumen de salmuera no sea constante,

este flujo alimentará al evaporador cuando se alcance el volumen mínimo de 50 litros, y dejará

de funcionar cuando el nivel sea el máximo.

En lugar de trabajar con volúmenes se trabaja con altura por facilidad de medida: siendo la

sección del evaporador constante las alturas máximas y mínimas son respectivamente Hmin y

Hmax.

Ilustración 17: esquema del funcionamiento del evaporador

24


RESULTADOS

Según si el regreso de los condensados funciona o no tendremos diferentes balances masicos

y energeticos en el interior del evaporador. A continuacion se explican.

a) Retorno de condensados en marcha

El sistema se comporta como un sistema estacionario, la altura del evaporador está

entre los límites impuestos. Estos son los balances que tienen lugar:

Balance másico: véase en la ilustración 16

𝑚𝑣𝑎𝑝 + 𝑚𝑠𝑎𝑢 𝑂𝑈𝑇= 𝑚𝑠𝑎𝑢 𝐼𝑁 + 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑→ 𝑚𝑣𝑎𝑝 = 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑

El bucle del cristalizador siempre es constante, por lo que con el retorno en

condensados activado, el caudal másico que entre en el evaporador a través

del retorno será el mismo que se evapore.

Balance térmico

𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑

𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝑚𝑣𝑎𝑝*[𝐿𝑣𝑎𝑝+𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇2)]

𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡= 𝑚𝑠𝑎𝑢 ∗ 𝐶𝑝 𝑠𝑎𝑢 ∗ (𝑇2′ − 𝑇2)

𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑*𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞 ∗ (𝑇1 − 𝑇2)

La evaporización de la salmuera se debe al calor aportado por los flujos

provenientes tanto del cristalizador como del condensador, pues ambos llegan

a temperaturas superiores a la del evaporador.

Las dos variables a calcular son el caudal 𝑚, que representa tanto el caudal de

condensados como el caudal de vapor formado (balance másico), y la

temperatura T2 del interior del evaporador. El resto son variables que quedan

fijadas por otros componentes: la potencia del cristalizador se fija según el

caudal másico de nieve que se quiere formar, la temperatura de entrada del

agua dulce, y la temperatura final de la nieve; el calor latente de vaporización y

la temperatura de saturación dependen directamente de la presión que haya

en el evaporador fijada por el compresor; aunque los calores específicos a

presión constante dependen de la temperatura se han tomado como constantes

debido a su despreciable variación.

Debe ser recordado que el agua salada en el interior del evaporador a la

temperatura T2 es la encargada de enfriar y congelar el agua dulce. Por lo que

como se sabe por transferencia de calor, la temperatura final de la nieve nunca

va a poder ser menor que la temperatura T2.

𝑚 =𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡

𝐿𝑣𝑎𝑝+𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝(𝑇𝑠𝑎𝑡−𝑇2)−𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞(𝑇1−𝑇2)

25



b) Retorno de condensados apagado

En este caso el sistema deja de ser un sistema estacionario, pues se encuentra en

proceso de vaciado: el nivel de salmuera esta entre los dos límites establecidos hasta

que alcance el inferior. Se tienen estas dos condiciones:

𝐻𝑚𝑖𝑛 ≤ H (t)≤ 𝐻𝑚𝑎𝑥

𝑑𝐻(𝑡)

𝑑𝑡< 0

Ahora el flujo del vapor formado es igual a la cantidad de agua salada que se va

vaciando, y es debido únicamente al calor aportado por el bucle del cristalizador que

nunca deja de funcionar.

𝑚𝑣𝑎𝑝 = −𝑑𝑉(𝑡)

𝑑𝑡∗ 𝜌 = −𝑆 ∗

𝑑𝐻(𝑡)

𝑑𝑡∗ 𝜌 =

𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡

𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝)→

−𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) ∗ dH(t) = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝑑𝑡 →

∫ −𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) ∗ dH(t) = ∫ 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝑑𝑡𝐻𝑚𝑖𝑛

𝐻𝑚𝑎𝑥 →

(𝐻𝑚𝑎𝑥 − 𝐻𝑚𝑖𝑛)∗ 𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝛥𝑡

De esta manera se puede obtener el intervalo de tiempo de vaciado para una potencia

de cristalización fijada y el flujo de vapor generado durante este tiempo.

4.3 Etapa de compresión

Aunque la etapa de compresión es sin duda imprescindible en este ciclo frigorífico, en este

trabajo no se profundiza en el tema pues no fue uno de los objetivos del alumno durante el

periodo de trabajo con Alpinov X y el LEGI. De todas maneras se explican los principales

aspectos.

4.3.1 Calentador

Antes de comenzar con el compresor se explica la presencia de un calentador en la parte final

del evaporador, es decir, actúa sobre el fluido una vez se encuentre en estado gaseoso. Se

trata de un calentador por infrarrojos por lo que no se produce contacto ni ningún intercambio

de calor con otro fluido, simplemente se calienta el vapor de agua debido a la radiación.

El sistema de infrarrojos no está siempre en marcha, se activaría como medida de seguridad

en caso de que la evaporación no se haya completado al 100% y el compresor pueda absorber

alguna gota de agua líquida lo cual sería peligroso para su correcto funcionamiento. El objetivo

es que en el compresor únicamente entren vapor de agua.

26


RESULTADOS

4.3.2 Compresor

La presión de entrada al compresor –presión de evaporación o baja presión-, es definida por

la curva de saturación y la temperatura dentro del evaporador. En cambio, la presión de salida

–presión de condensación o alta presión- está regulada por la temperatura exterior para que

la condensación se pueda llevar a cabo correctamente.

Se ha explicado anteriormente que la presión de evaporación ronda los 6 milibares, y

posteriormente se verá que la presión de condensación de 60 milibares (esto se hace para

que temperatura de saturación del vapor de agua a esa presión sea baja, en torno a 33°C).

En el demostrador a gran escala se trabaja con 3 turbocompresores axiales situados en dos

etapas, dos colocados en primer lugar en paralelo y a continuación uno en serie con estos

dos. Una de las grandes incógnitas aún por resolver (a fecha de finalización del periodo de

prácticas del alumno) era la decisión de mantener este grupo de compresión o si cambiarlo

por un compresor volumétrico de tipo Roots. Esta es la principal razón por la cual el alumno

no dedicó demasiado tiempo a este apartado.

Cabe destacar que debido a las bajas presiones con las que se opera en la instalación,

trabajar con la hipótesis de que el vapor de agua se comporta como un gas ideal es correcta,

no se aleja de su comportamiento real ni mucho menos. Esto facilita el cálculo del rendimiento

isentrópico de los turbocompresores pues entalpia y temperatura son proporcionales.

Uno de los parámetros más utilizados a la hora de medir la eficiencia de una instalación

frigorífica es el llamado COP (Coeficiente de rendimiento) que se define como el cociente

entre la potencia fría desarrollada por el sistema y la potencia de compresión necesaria para

elevar el fluido en cuestión desde la baja hasta la alta presión. Para calcularlo se deben

conocer los siguientes términos:

Trabajo específico de compresión ≡ 𝑊𝐶 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑇4 ∗ (𝜆−1

Ƞ𝑖𝑠

) = ℎ5-ℎ4 [𝑘𝐽

𝑘𝑔]

Potencia de compresión ≡ 𝑃𝐶 = 𝑊𝐶 ∗ 𝑚𝑣𝑎𝑝 [𝑘𝑊]

𝜆 = (p𝐻

p𝐵

)𝛾−1

𝛾

Rendimento isentrópico de un turbocompresor ≡ Ƞ𝑖𝑠 =ℎ2𝑖−ℎ1

ℎ2−ℎ1=

𝑇2𝑖−𝑇1

𝑇2−𝑇1

Sabiendo que 𝑊𝐶 es el trabajo de compresión que depende directamente de la temperatura

de entrada, se debe tener en cuenta que si el calentador por infrarrojos está en funcionamiento

provocará una disminución del COP. Esto se debe a que si la vaporización no ha sido

completada correctamente y aún existe alguna gota de líquido, se debe aumentar la

temperatura de este fluido bifásico para eliminar dichas gotas. Este aumento de 𝑇4 agrandará

el trabajo específico de compresión que reduce el coeficiente de rendimiento de la instalación.

Por lo que se debe tratar de que la evaporización sea completa para mejorar el rendimiento

total del sistema.

27



4.4 Condensador

Junto al evaporador el condensador es el otro elemento esencial de cualquier ciclo

termodinámico de este estilo. Este elemento tiene como objetivo reconvertir el vapor de agua

en agua líquido mediante el intercambio de calor entre este vapor y agua glicolada. Es un

condensador de tubos verticales.

En primer lugar, se debe explicar la distribución espacial de evaporador y condensador, ya

que ambos están alojados dentro de la cuba metálica de manera que los tubos del

condensador, a través de los cuales circula el agua glicolada, rodean al evaporador.

El condensador consta de 22 tubos dispuestos regularmente de modo que forman una jaula

cilíndrica. Cada tubo tiene una dimensiones de diámetro = 24 mm y altura = 1.708 mm y están

equipados con 6 aletas cada uno para aumentar la superficie de intercambio de calor y

facilitarlo. La superficie de cada tubo es de 0.13 m2 y la de cada grupo de 6 aletas es de 1.56

m2, por lo que se alcanza un aumento del 1.300% de la superficie. El área de intercambio total

es de 37.13 m2.

Ilustración 18: vistas del condensador

El agua glicolada, el fluido refrigerante, circula verticalmente a través de los tubos. El vapor

se introduce a través de la parte superior de la cuba y cuando entra en contacto con las

tuberías, comienza a condensarse en las aletas y en la superficie exterior de estas debido a

la convección. Los condensados descienden a lo largo de los tubos y las aletas debido a la

gravedad hasta que caen y se acumulan en el tanque de condensado en el fondo del tanque.

28


RESULTADOS

En los intercambiadores de calor con cambio de fase, bien sea ebullición o condensación, se

habla de convección forzada, pues no es una convección natural si no generada a propósito.

Hay libros en los que se diferencian estos dos casos: convección forzada y convección con

cambio de fase de uno de los dos fluidos debido a que el coeficiente de película obtenido en

los últimos casos es generalmente mayor.

El tipo de condensación que

sucede es condensación en

película: a medida que se va

condensando el vapor y se van

formando las primeras gotas de

agua líquida en la superficie

comienza a aparecer una

película de condensado que va a

ir descendiendo por su propio

peso. Este flujo de condensado

es un parámetro perfectamente

medible, suele medirse en

Kg/s/m, es decir, en caudal de

condensado por metro de altura

al tratarse de tubos verticales.

Para calcular el coeficiente de

transferencia de calor en cada caso de convección existen numerosas y complejas

correlaciones físicas basadas en experimentos. Afortunadamente hay una gran variedad: para

cada fenómeno fisicoquímico que suceda, para cada disposición espacial de los elementos

en cuestión, para cada orientación...

La convección es explicada por la Ley de enfriamiento de Newton:

𝑑𝑄

𝑑𝑡= ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝑇𝑓)

- ℎ es el coeficiente de película correspondiente al proceso

- 𝐴 es la superficie de intercambio (la superficie de los tubos)

- 𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓 es la temperatura de la superficie ( la temperatura de los tubos)

- 𝑇𝑓 es la temperatura del fluido ( del vapor de agua)

El número de Nusselt es un número adimensional que

mide el aumento de la transmisión de calor desde una

superficie por la que un fluido discurre comparada con la

transferencia de calor si ésta ocurriera solamente por

conducción.

𝑁𝑢 =𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛=

ℎ ∗ 𝐿

𝐾𝑓

Ilustración 19: coeficientes de película típicos

Ilustración 20: condensación en película

29



Para calcular el coeficiente de película ℎ [𝑊

𝑚2

𝐾] en primer hay que conocer el número de Nusselt

asociado al proceso de intercambio de calor, que depende de multitud de factores.

𝑁𝑢 = 1.13 ∗ (𝑔 ∗ 𝜌𝑙 ∗ ℎ′

𝑓𝑔 ∗ 𝐿3

𝜇𝐿 ∗ 𝐾𝐿 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓))0,25

Estos son los parámetros que aparecen en la correlación utilizada:

- g es la aceleración de la gravedad

- ℎ𝑓𝑔≡ calor latente de vaporización a la temperatura adecuada

- ℎ′𝑓𝑔≡ corrección del calor latente; ℎ′

𝑓𝑔 = ℎ𝑓𝑔* (1 + 0.68* Ja)

- 𝐽𝑎 ≡ número de Jakob ; 𝐽𝑎 =Cp liq*(Tsat - Tsurf)/ ℎ𝑓𝑔

- L ≡ longitud característica, en este caso la longitud del cilindro

- 𝜇𝐿 ≡ viscosidad del líquido

- 𝐾𝐿 ≡ resistencia térmica del fluido que se condensa

4.3.3 Balance térmico

La presión a la salida del compresor será la que se encuentre prácticamente dentro del

condensador, pues prácticamente no hay pérdida de carga a través de los conductos que

conectan ambos bloques. Es esta presión la que determinará la temperatura de saturación

del vapor y la mayoría de los parámetros involucrados en la condensación.

La otra gran variable, impuesta desde el exterior del condensador, es la temperatura de

entrada del agua glicolada al circuito de refrigeración, es decir, a los tubos del condensador.

El vapor de agua se enfría, y se condensa, debido a estar en contacto térmico con el agua

glicolada, y a su vez, este es refrigerada por el aire tomado y conducido desde el exterior por

un ventilador, por lo que la temperatura de entrada del agua glicolada en los tubos está

limitada por la temperatura externa del ambiente.

A partir de lo explicado en el anterior párrafo se deduce que las tres potencias que entran en

juego en el condensador son estas:

𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑚𝑣𝑎𝑝 ∗ [(𝑇5 − 𝑇𝑠𝑎𝑡(𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑)) ∗ 𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 + 𝐿𝑣𝑎𝑝 + (𝑇𝑠𝑎𝑡(𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑)−𝑇6) ∗ 𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞)]

𝑃𝑔𝑙𝑦= 𝑚𝑔𝑙𝑦 ∗ 𝐶𝑝 𝑔𝑙𝑦 ∗ (𝑇𝑔𝑙𝑦 𝑂𝑈𝑇−𝑇𝑔𝑙𝑦 𝐼𝑁)

𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟= 𝑚𝑎𝑖𝑟 ∗ 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟 ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟 𝑂𝑈𝑇−𝑇𝑎𝑚𝑏)

En primer lugar 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 , que hace referencia a la potencia que debe ser evacuada para que la

condensación del vapor sea completada al 100%, debe ser igual a 𝑃𝑔𝑙𝑦 para evacuar el calor

al agua glicolada, y en segundo lugar se debe realizar el balance entre la potencia que absorbe

el agua glicolada y la potencia que puede absorber el aire en función de la temperatura que

haya en el exterior.

Sabiendo que la presión de condensación es de aproximadamente 60 milibares, la

temperatura de saturación puede estar en torno a 33-38 º C, por lo que la temperatura del

agua glicolada de entrada 𝑇𝑔𝑙𝑦 𝐼𝑁 debe ser inferior, al menos unos pocos grados, para que de

esta manera el intercambio de calor y la consiguiente condensación sucedan apropiadamente.

30


RESULTADOS

Al realizar estos dos equilibrios térmicos, vapor de agua-agua glicolada y agua glicolada-aire,

se puede calcular el caudal de agua glicolada requerido y el caudal de aire que el ventilador

debe mover.

El ventilador es un refrigerador seco construido por la empresa CIAT. Algunas características

técnicas se incluyen en el anexo correspondiente.

4.5 Retorno de condensados

El sistema llamado retorno de condensados no es más que el conjunto de tuberías que

recogen lo condensados del fondo del depósito del condensador y los recirculan hasta el

interior del evaporador de nuevo.

Consta de dos elementos:

Válvula de laminación. Su objetivo es la despresurización de los condensados hasta

la presión del evaporador. En todos los cálculos realizados se ha considerado esta

laminación como isentálpica, así su representación en el diagrama presión-entalpía es

una línea vertical pues no hay variación de entalpía.

Bomba de recirculación. Destinada a impulsar los condensados hasta el evaporador

sin aumentar su presión.

Válvula reguladora. Tiene como función abrir o cerrar este circuito según marque el

nivel de salmuera en el interior del evaporador, como se explicó anteriormente y se ve

en la ilustración número 17.

31



5. CONCLUSIONES

Indudablemente el proyecto Snowfarm X es prometedor pues a pesar de que sea un sector

en el que hay mucha competencia se trata de irrumpir en el mercado con una nueva tecnología

que puede ser un complemento a las ya existentes, no ha de ser un sustituto. Esto es positivo

pues no obliga a ningún potencial cliente a tener que escoger entre su actual otro producto o

este.

El proyecto sigue en fase de desarrollo y experimentación pero ya se ha recibido contacto de

varios clientes preguntando a cerca de los resultados, del coste del producto y de posibles

futuras mejoras.

5.1 Datos numéricos

Se refleja a continuación las cifras que se han recogido durante el estudio realizado estando

la máquina a plena carga y con unas condiciones exteriores medias. Esto modo de

funcionamiento podría ilustrar el modo de funcionamiento más común de la instalación.

Tabla 3: cifras de trabajo

Condiciones externas

𝑇𝑒𝑥𝑡=9°C 𝑇𝐼𝑁 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒=7°C

Condiciones deseadas

𝑇𝑂𝑈𝑇 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒=-5°C 𝑚 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒= 0.3 m3/h

Cristalizador

𝑚 𝑠𝑎𝑙= 4.1 kg/s 𝑃 𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡= 13 kW

Evaporador

𝑝 𝑒𝑣𝑎𝑝=7mbar 𝑇𝑠𝑎𝑡( 𝑝 𝑒𝑣𝑎𝑝)=0.5°C 𝑚 𝑣𝑎𝑝=0.006 kg/s

Compresor

𝑚 𝑣𝑎𝑝=0.006 kg/s 𝑃 𝐶= 2.2 kW Ratio de compresión=8.57

Condensador

𝑝 𝑐𝑜𝑛𝑑=60mbar 𝑇𝑠𝑎𝑡( 𝑝 𝑐𝑜𝑛𝑑)=33°C

COP= 5.9

32


CONCLUSIONES

5.2 Coeficiente de rendimiento

Para entender el concepto de COP o coeficiente de rendimiento se va a explicar en primer

lugar la diferencia con rendimiento de una máquina en sí. En la naturaleza no existen procesos

ideales y por lo tanto el rendimiento, o eficiencia, de un proceso real es siempre inferior a la

unidad., y esto es, porque en la transformación que lleva a cabo la máquina, se producen

invariablemente pérdidas mecánicas por rozamiento y perdidas de calor en las superficies de

intercambio con el ambiente exterior.

El rendimiento de una máquina se puede definir de forma general como el cociente entre la

energía o el trabajo útil producido por esa máquina, y la energía o el trabajo externo que debe

aplicarse a la misma para que produzca el trabajo o el calor que se le demanda. De acuerdo

con el principio anterior, el número adimensional que mide este rendimiento es siempre inferior

a uno.

Sin embargo a la hora de medir el rendimiento de una instalación de este tipo, el coeficiente

de rendimiento es uno de los parámetros comúnmente más utilizados, pues refleja la eficiencia

de toda la instalación y no sólo el de una máquina. El COP por esto debe ser mayor que la

unidad.

El coeficiente de rendimiento se define como el cociente entre la potencia de refrigeración y

la potencia eléctrica absorbida por el compresor en unas condiciones específicas de

temperatura con la unidad a plena carga.

𝐶𝑂𝑃 = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡

𝑃𝐶

Puesto que la eficiencia energética es función de las temperaturas de condensación y

evaporación, es decir de las condiciones exteriores, y de la temperatura de consigna que el

usuario elija en cada ocasión para satisfacer sus necesidades (en este caso la temperatura

final a la que se desea obtener la nieve) se ha realizado un estudio de sensibilidad del COP

en función de la temperatura exterior.

Ilustración 21: COP en función de la temperatura exterior

0

2

4

6

8

10

12

14

-10 -5 0 5 10 15 20 25

CO

P

Temperatura exterior

COP = f(Text)

33



El sistema tiene como objetivo la creación de nieve artificial para estaciones de esquí, que

están en las montañas a gran altura por lo que considerar temperaturas exteriores negativas

no es nada disparatado.

5.3 Salmuera

La gran novedad de este proyecto es el uso del agua salada como fluido caloportador. Al ser

un fluido poco utilizado en este ámbito de trabajo (termotecnia, mecánica de fluidos y

transferencia de calor) no resulta sencillo encontrar sus propiedades fisicoquímicas. Una

parte del tiempo de trabajo ha sido dedicada al cálculo de dichas propiedades.

Se recuerda que se trabaja con agua salada en la que la concentración de cloruro sódico

[NaCl] oscila entre el 15 y el 23% en peso. Por lo que conocer el valor de la densidad, el calor

específico a presión constante y el calor latente de vaporización es necesario. Para ello se

extrapolaron estas propiedades a partir de datos de salmuera a baja concentración.

En la ilustración 22 se observa el polinomio de segundo grado que representa el Cp [J/kg/k]

en función de la concentración de cloruro sódico medida en % en peso respecto a la solución.

Extrapolando dicho polinomio hasta la concentración deseada se obtiene de valor del Cp en

una solución con una concentración del 20% de 3.463 [J/kg/k].

y = 0.9821x2 - 55.554x + 4181.9R² = 1

3800

3850

3900

3950

4000

4050

4100

4150

4200

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Cp = f( [NaCl])

Ilustración 22: gráfica Cp=f[(NaCl)]

34


CONCLUSIONES

En la ilustración 23 se observa el polinomio de segundo grado que representa la densidad

[kg/m3] en función de la concentración de cloruro sódico medida en % en peso respecto a la

solución. Extrapolando dicho polinomio hasta la concentración deseada se obtiene de valor

de la densidad en una solución con una concentración del 20% de 1.156 [kg/m2].

y = -0.0336x2 + 7.1898x + 999.14R² = 1

990

1000

1010

1020

1030

1040

1050

1060

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Densidad = f([NaCl])

Ilustración 23: gráfica densidad = f([NaCl)]

35



6. IMPACTO SOCIAL Y AMBIENTAL

España cuenta con 1.205,95 kilómetros esquiables repartidos en 952 pistas de 33 estaciones

de esquí alpino (incluyendo las de Andorra) y estas estaciones operan con más de 4.500

cañones que producen anualmente unos 375 kilómetros de nieve artificial esquiable, según la

Asociación Turística de Estaciones de Esquí y Montaña (Atudem).

Con estas cifras se pretende remarcar que el mercado de la nieve artificial es un mercado que

trabaja con grandes cifras a nivel nacional. Debido a la alteración que provoca todo lo

relacionado con el mundo del esquí en los lugares donde se construyen sus infraestructuras

–en las montañas principalmente- es un mundo que es constantemente cuestionado legal y

medioambientalmente por las pertinentes asociaciones y autoridades.

En concreto, la innivación es uno de los temas más tratados pues se acusa a las estaciones

de esquí de no solo alterar la montaña sino de alterar gravemente su ecosistema. Esto es

cierto pues se está alterando el ciclo de agua, lo cual afecta gravemente a la fauna y flora del

entorno.

Como se nombró anteriormente el proyecto Snowfarm X presenta grandes ventajas respecto

a los cañones de nieve, y varias de ellas en cuanto el impacto ambiental, que son las

siguientes:

Consumo de energía optimizado: entre 3 y 5 veces mejor que los fabricantes de nieve

comparables. Debido al gran COP desarrollado y la posibilidad de operar con

temperaturas altas (entendiendo alta como temperaturas positivas a las que no pueden

operar los cañones de nieve).

Valorización del 100% del agua utilizada: entre el 40 y el 50% del agua tomada por los

fabricantes de nieve tradicionales, cañones de nieve, no se encuentra en la pista una

vez que se genera la nieve, pues gran parte de ella se pierde.

Uso de las redes de agua y electricidad existentes: no existe la necesidad de construir

nuevas infraestructuras.

Por lo tanto con la instalación de este sistema de innivación se reducirían notablemente los

problemas que actualmente se dan, teniendo así un mejor impacto social y ambiental.

36


IMPACTO SOCIAL Y MEDIOAMBIENTAL

37



7. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO

7.1 Planificación temporal

El alumno realizó el periodo de prácticas entre el día 6 de febrero y el día 6 de junio de 2018,

un total de cinco meses. Teniendo en cuenta que la jornada laboral francesa para estudiantes

en periodo de stage es de siete horas diarias, este periodo de trabajo equivale a un total 1.050

horas.

En esta tabla y en el diagrama de Gantt se refleja el reparto de tiempo según cada tarea.

Tabla 4: planificación temporal

Tarea Fecha comienzo Fecha fin Días Horas

Familiarización con el entorno laboral 06/02/2018 13/02/2018 7 49

Análisis y estudio de informes anteriores 13/02/2018 06/03/2018 21 147

Familiarización con la instalación 06/03/2018 05/04/2018 30 210

Primera aproximación del modelo a mano 05/04/2018 26/04/2018 21 147

Medidas en taller 26/04/2018 01/05/2018 5 35

Implementación del primer modelo en Excel 01/05/2018 22/05/2018 21 147

Comprobaciones en el taller 22/05/2018 25/05/2018 3 21

Correcciones de la primera aproximación 25/05/2018 01/06/2018 7 49

Elaboración de primeros informes 01/06/2018 08/06/2018 7 49

Segunda aproximación 08/06/2018 22/06/2018 14 98

Correcciones de la segunda aproximación 22/06/2018 29/06/2018 7 49

Elaboración informe final 29/06/2018 06/07/2018 7 49

Periodo total de trabajo 06/02/2018 06/07/2018 150 1050

38


PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO

7.2 Presupuesto

Formarán parte del presupuesto de este trabajo los siguientes costes:

Horas dedicadas por el alumno

Horas dedicadas por el tutor académico en Francia

Horas dedicadas por el tutor industrial en Francia

Horas dedicadas por el tutor académico en España

El alumno dedicó un total de 1.050 horas al trabajo en Francia, y se asume que el tiempo

dedicado por ambos tutores allí es de un 20% del tiempo del alumno, haciendo así un total de

210 horas por cada uno de ellos. Se estima que el tutor académico en España ha empleado

10 horas de su tiempo en la supervisión del trabajo.

En cuanto al salario de cada uno de los implicados, se tiene en cuenta que el salario del

alumno se corresponde con el de un ingeniero junior (10 euros/hora) y el salario de los tres

tutores se corresponde con el salario de un ingeniero sénior (25 euros/hora).

De esta manera el presupuesto total suma un total de 21.250 euros.

7

21

30

21

5

21

3

7

7

14

7

7

6-2 26-2 18-3 7-4 27-4 17-5 6-6 26-6 16-7

Familiarización con el entorno laboral

Análisis y estudio de informes anteriores

Familiarización con la instalación

Primera aproximación del modelo a mano

Medidas en taller

Implementación del primer modelo en Excel

Comprobaciones en el taller

Correcciones de la primera aproximación

Elaboración de primeros informes

Segunda aproximación

Correcciones de la segunda aproximación

Elaboración informe final

Ilustración 24: diagrama de Gantt del periodo de trabajo

Diagrama de Gantt del periodo de trabajo

39



8. BIBLIOGRAFÍA

Todas las fuentes utilizadas a las que el presente documento ha hecho referencia están en el

apartado 9. Bibliographie del documento Projet fin d’étude: Neige artificielle et froid

industriel : Etude-optimisation d’une machine frigorifique par évaporation-

condensation sous vide étagé adjuntado a continuación.

9. NOTACION UTILIZADA

El conjunto de símbolos utilizados se recogen en el apartado 7, Notation utilisée del

documento Projet fin d’étude: Neige artificielle et froid industriel : Etude-optimisation

d’une machine frigorifique par évaporation-condensation sous vide étagé.

40



41



10. ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Y TABLAS

10.1 Índice de ilustraciones

Ilustración 1: intercambio de calor en el cristalizador------------------------------------------------------ I Ilustración 2: intercambios de calor ---------------------------------------------------------------------------- II Ilustración 3: diagrama presión-entalpía de un ciclo frigorífico ----------------------------------------III Ilustración 4: símbolo del LEGI --------------------------------------------------------------------------------- 2 Ilustración 5: símbolo de Alpinov X ---------------------------------------------------------------------------- 2 Ilustración 6: cartel publicitario del Snowfarm X ----------------------------------------------------------- 4 Ilustración 7: esquema sinóptico del ciclo termodinámico ---------------------------------------------- 4 Ilustración 8: diagrama de bloques del sistema ----------------------------------------------------------- 11 Ilustración 9: diagrama presión-entalpía -------------------------------------------------------------------- 12 Ilustración 10: esquema sinóptico con estados de referencia----------------------------------------- 13 Ilustración 11: diseño 3D de la instalación ----------------------------------------------------------------- 14 Ilustración 12: esquema 2D diseño instalación------------------------------------------------------------ 15 Ilustración 13: Bomba versus Circuito ----------------------------------------------------------------------- 18 Ilustración 14: diagrama presión-temperatura del agua ------------------------------------------------ 20 Ilustración 15: diagrama de fases del agua salada ------------------------------------------------------ 21 Ilustración 16: esquema del bucle cristalizador-evaporador ------------------------------------------- 23 Ilustración 17: esquema del funcionamiento del evaporador ------------------------------------------ 23 Ilustración 18: vistas del condensador ----------------------------------------------------------------------- 27 Ilustración 19: coeficientes de película típicos------------------------------------------------------------- 28 Ilustración 20: condensación en película-------------------------------------------------------------------- 28 Ilustración 21: COP en función de la temperatura exterior --------------------------------------------- 32 Ilustración 22: gráfica Cp=f[(NaCl)] --------------------------------------------------------------------------- 33 Ilustración 23: gráfica densidad = f([NaCl)] ----------------------------------------------------------------- 34 Ilustración 24: diagrama de Gantt del periodo de trabajo ---------------------------------------------- 38

10.2 Índice de tablas

Tabla 1: propiedades térmicas de distintos refrigerantes_____________________________5

Tabla 2: estados de referencia________________________________________________13

Tabla 3: cifras de trabajo____________________________________________________31

Tabla 4: planificación temporal________________________________________________37

42



Projet fin d’étude

« Ingénieur filière Mécanique et

énergétique »

Année académique 2017-2018

Neige artificielle et froid industriel : Etude-

optimisation d’une machine frigorifique par

évaporation-condensation sous vide étagé

Javier FERNANDEZ

Stage effectué à: Alpinov X/ LEGI

Tuteurs :

Entreprise / Laboratoire : Jérôme GIRARD / Jean-Paul THIBAULT

Ense3 : Samuel SIEDEL

Projet confidentiel : YES ☒ NO ☐

Juin 2018

3

Indice 1. Introduction ................................................................................................................................4

1.1 Résumé ...............................................................................................................................4

1.2 Contexte et localisation .......................................................................................................4

2. LEGI et Alpinov X .........................................................................................................................5

2.1 LEGI .....................................................................................................................................5

2.2 Alpinov X .............................................................................................................................5

3. Stade d’art ..................................................................................................................................7

3.1 Neige naturelle ....................................................................................................................7

3.2 Canons à neige ....................................................................................................................8

3.3 Bonnes conditions de neige .................................................................................................8

4. Projet : Snowfarm X .................................................................................................................. 10

4.1 Introduction ...................................................................................................................... 10

4.2 Cycle thermodynamique .................................................................................................... 13

4.3 Cadre de stage ................................................................................................................... 15

4.4 Cristalliseur........................................................................................................................ 17

4.5 Evaporateur ....................................................................................................................... 18

4.6 Compresseur ..................................................................................................................... 23

4.7 Condenseur ....................................................................................................................... 24

4.8 Retour de condensats ........................................................................................................ 29

5. Conclussions ............................................................................................................................. 30

5.1 Formation indésirable de glace .......................................................................................... 30

6. Lignes futures............................................................................................................................ 31

7. Notation utilisée ....................................................................................................................... 32

8. Table d’illustrations ................................................................................................................... 33

9. Bibliographie ............................................................................................................................. 34

10. Annexes ................................................................................................................................ 35

10.1 Donnes de la courbe de saturation de l’eau ....................................................................... 35

10.2 Courbes caractéristiques de la pompe multicellulaire ........................................................ 36

10.3 Aéroréfrigérant.................................................................................................................. 37

10.4 Donnes eau glycolée .......................................................................................................... 38

4

1. Introduction

1.1 Résumé

Snowfarm X est un projet développé par la société Alpinov X en collaboration avec le LEGI, c'est une

machine frigorifique capable de créer de la neige artificielle sans que la température extérieure soit

négative. La machine est basée sur un cristalliseur qui transforme l'eau en glace grâce à un cycle

thermodynamique d'évaporation-condensation qui extrait la chaleur nécessaire. Le stage consistait

en une étude par blocs du système.

Snowfarm X is a project developed by the company Alpinov X in collaboration with the LEGI, it is

about a refrigerating machine capable of creating artificial snow without the need of outside

temperature negative. The machine is based on a crystallizer that transforms water into ice thanks to

a thermodynamic evaporation-condensation cycle that extracts the necessary heat. The internship

consisted in a study of the system by blocks.

1.2 Contexte et localisation

Depuis 1955, la ville de Grenoble se caractérise par sa grande implication dans la recherche scientifique

et la haute technologie. Aujourd'hui, elle dispose d'une multitude d'organismes de recherche

nationaux et internationaux, ainsi que de nombreux laboratoires de recherche associés aux universités

et à l'INP (Institut National Polytechnique de Grenoble).

Grenoble est une ville située dans le sud-est de la France, dans la région Auvergne-Rhône-Alpes,

capitale du département de l'Isère. Elle est située à côté de la chaîne de montagnes des Alpes, ce qui

affecte fortement la culture de la ville, à tel point qu'en fait la ville est connue familièrement comme

la capitale des Alpes françaises.

Cette culture de montagne est la raison pour laquelle les sports de montagne et de neige sont très

pratiqués dans les environs de la ville et beaucoup de temps et d'argent sont investis dans

l'amélioration des conditions et de la qualité de ceux-ci.

5

2. LEGI et Alpinov X

2.1 LEGI

Le Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) est un laboratoire de recherche

publique de la Communauté Université de Grenoble Alpes. C’est une Unité Mixte de Recherche (UMR

5519) commune au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), à l’Université Grenoble Alpes

(UGA) et à l’Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble-INP), qui rassemble plus de 150 personnes

dont 60 permanents et autant de doctorants et post-doctorants.

Les activités de recherche en Mécanique des Fluides et Transferts menées au LEGI s’appuient sur une

combinaison d’approches méthodologiques alliant modélisation, expérimentation (plus de 40 bancs

expérimentaux dont de grands instruments), simulation numérique à hautes performances (machines

de calcul parallèle, calculateurs nationaux…) et développement d’instruments de mesure innovants.

Ces activités sont liées à de très nombreux domaines d’application relevant de problématiques

environnementales aussi bien qu’industrielles.

Les principaux thèmes de recherche sont :

Dynamique des écoulements turbulents

Dynamique des fluides géophysiques

Dynamique des écoulements à très forts couplages hydrodynamiques

2.2 Alpinov X

Alpinov X est une société créée en avril 2017 par trois ingénieurs français avec grand expérience en

secteurs comme le froid industriel, la thermodynamique technique et les installations cryogéniques.

Elle se positionne sur le marché du froid industriel et s'ambition est percer le marché de la neige

artificielle à l'aide d'un nouveau système de création de cette dernière. La start-up est basée dans la

ville de Grenoble, qui, comme on l’a expliqué plus haut, est une ville dans laquelle ce marché est très

pertinent et de plus en plus important dans le paysage des sports de neige. En fait l’entreprise a

plusieurs stations de ski proche à Grenoble comme collaborateurs comme sons Villard de Lans ou

Chamrousse.

La société développe une technologie reposant sur un procès d’évaporation-condensation sous vide

étagée destinée au marché du froid. C’est le premier projet de l’entreprise qui s’appelle Snowfarm X.

Les spécificités révolutionnaires de cet équipement sont:

– Non météo dépendant avec un fonctionnement possible par T°C positives,

– 3 à 5 fois moins consommateur d’énergie que les enneigeurs comparables,

6

– Valorisation de 100% de l’eau prélevée et une économie d’eau de minimum 40% face aux enneigeurs

traditionnels.

La Snowfarm X a pour ambition de consolider le modèle économique en pérennisant leur activité «

neige ».

La société Alpinov X développe des innovations de rupture dont les usages seront principalement

adaptés aux territoires de montagne. Grâce aux développements technologiques du produit, les

gestionnaires de domaines skiables pourront disposer d’un produit dont le coût total de possession

sera très inférieur aux solutions d’enneigement actuelles. En conséquence, leurs dépenses

d’exploitation concernant la production de neige de culture sera considérablement réduite.

Pour les exploitants de stations de ski, la solution Snowfarm X permettra notamment :

- produire de la neige en continu en amont de la saison afin de pouvoir assurer aux skieurs des

pistes enneigées dès le début de la saison et lors des vacances de Noël,

- maîtriser les consommations électriques, puisqu’au contraire des enneigeurs traditionnels

comme les canyons, la Snowfarm X n’entraîne pas d’appels de charges importants sur le

réseau,

- réduire le stress hydrique de l’écosystème tout au long de la phase de production, grâce à des

prélèvements réguliers et contrôlés de la ressource en eau,

- allonger les durées d’exploitation des domaines skiables, qu’ils soient alpins ou nordiques.

7

3. État de l’art

Avant de commencer avec l'explication du projet en tant que tel, une brève explication sera donnée

sur la façon dont la neige se forme naturellement et comment fonctionnent les canons à neige, qui

sont actuellement la technologie la plus largement utilisée dans ce domaine.

3.1 Neige naturelle

Le climat sur le continent européen est déterminé par la collision quasi permanente des masses d'air

chaud et des masses d'air froid. Lorsque deux masses d'air d'origine et de température différentes se

rencontrent, elles ne peuvent pas être mélangées. Ils se repoussent. De là, surgissent des perturbations

climatiques qui peuvent donner lieu aux précipitations que nous connaissons.

Plus une masse d'air est froide, moins elle peut contenir de vapeur d'eau à l'état gazeux. Quand une

masse d'air humide est refroidie, l'excès de vapeur d'eau qui reste est condensé sous la forme de

gouttelettes d'eau formant des nuages. Ces gouttes peuvent rester liquides même à des températures

inférieures à 0 ° C, phénomène connu sous le nom de sous-refroidissement. Si ce sous-refroidissement

se poursuit jusqu'à environ -12 ° C, les gouttelettes gèlent spontanément autour de petites particules

solides qui agissent comme des noyaux de congélation.

On pourrait dire que pour que les premiers cristaux de glace se forment, les trois conditions suivantes

doivent être remplies:

i. basses températures (inférieures à 0 ° C);

ii. la présence de vapeur d'eau dans l’air;

iii. la présence de petites particules solides volatiles qui vont faire de noyau de congélation

(poussière, sable, cendres, pollen etc...).

De là sont nés les cristaux de glace qui peuvent donner de la neige si les conditions de température

dans les précipitations sont adéquates. Ces premiers cristaux peuvent augmenter en taille en raison

d'entrer en contact avec plus de vapeur d'eau et cette se condense, ou en capturant directement

d'autres gouttelettes d'eau dont la température est entre 0ºC et -12ºC. Quand ils atteignent un certain

poids, quand ils sont déjà appelés flocons de neige, ils commencent à descendre à la surface de la

terre. Ces flocons de neige seulement conserveront leur état solide de flocon de neige que si les

températures auxquelles ils sont soumis pendant leur chute ne sont pas assez élevées pour les faire

fondre et les transformer en gouttes de pluie ou en eau-neige. Cette dernière condition est la cause

que dans les grandes villes avec une multitude de personnes, de véhicules, de bâtiments qui n'arrêtent

pas d'émettre de la chaleur et donc d'augmenter la température, la neige est moins fréquente que

dans les endroits plus isolés et moins exploités parler) comme peut-être la montagne.

8

3.2 Canons à neige

La création de neige artificielle n'est pas nouvelle, c'est quelque chose qui a été étudié depuis la fin

des années 50 du siècle dernier. Les premiers canons à neige (la méthode la plus utilisée, qui sera

expliquée ci-dessous) datent de 1973 et ont été développés par des chercheurs nord-américains.

Le fonctionnement d'un canon à neige est basé sur le mélange d'air à haute pression et d'eau à basse

température. Les stations de ski extraient l'eau d'une rivière ou d'un réservoir à proximité. Pour cela,

ils doivent disposer d'une infrastructure pipelinière complexe et coûteuse qui rapproche cette eau des

installations de ski grâce au travail de puissantes pompes d'extraction, et de grands groupes de

compression pour changer les conditions d'air aux conditions appropriées.

Le système de plomberie distribue l'eau à travers tous les canons de la station et se trouve dans chaque

canon où il est mélangé avec l'air comprimé.

Pour la compression de l'air, il existe deux types d'installations:

a. IN SITU: chaque canon à un compresseur différent chargé de prendre l'air ambiant et de le

mettre en place pour le mélange ultérieur avec l'eau.

b. Compression centrale: il y a une grande centrale où tout l'air nécessaire pour alimenter toute

la station est compressé. L'air comprimé est pompé par des tuyaux parallèles à l'eau vers

chaque canon. De cette manière, les coûts du compresseur sont économisés, mais des pompes

sont nécessaires pour transporter l'air déjà comprimé et pour éviter une forte perte de charge

pendant ce temps.

L'air ne doit pas seulement être comprimé, il doit aussi être refroidi et surtout l'humidité doit être

extraite.

L'air et l'eau sont mélangés immédiatement après avoir été éjectés simultanément mais séparément

pour les différents propulseurs activés par le système de commande de pilote du canon.

De cette façon, l'air et l'eau convergent à la sortie du canyon. Bien sûr, pour générer cette neige, on a

besoin d'une température extérieure proche de zéro degré. De nos jours, l'infrastructure dans son

ensemble démarre lorsque les conditions météorologiques, à la fois la température et l'humidité, sont

adéquates pour la création de neige. Le processus est très coûteux pour la station et ne garantit pas

une grande quantité de neige, mais il permet de skier suffisamment.

3.3 Bonnes conditions de neige

Quand on forme artificiellement de la neige, on imite fondamentalement, il s'agit d'imiter au moins,

ce qui se passe dans la nature. Si à des milliers de mètres de hauteur dans l'atmosphère, le flocon est

formé à partir d'une particule d'eau, quelque chose de semblable est reproduit dans le système des

canons: une particule de glace est générée sur laquelle l'eau impacte aidée pour l’air et ainsi un flocon

de neige est créé. Plus il fait froid (toujours en dessous de zéro grades) et moins il y a d'humidité dans

l'environnement, plus la qualité de la neige est élevée et plus le système est efficace.

En effet, on peut produire de la neige de différentes qualités. Plus il y a d'eau dans le mélange, plus il

sera lourd et plus les skies se colleront au passage sur la piste. Aucun additif ou produit chimique n'est

9

pas utilisé pendant le processus, contrairement à ce que l'on croit généralement, ce qui fait que le

produit est entièrement naturel.

Malgré cela, les associations environnementales critiquent ces installations pour l'utilisation de l'eau

et l'impact des travaux qu'elles nécessitent.

Sans aucun doute, rien n'est comparable à la neige qui tombe du ciel: le naturel est toujours meilleur.

Le flocon de neige, sous la forme d'une étoile, est plus léger, a beaucoup d'air et peu d'eau, donc il

n'est pas très dense. Quand il s'accumule dans la montagne, il donne naissance à la neige poudreuse

désirée sur laquelle le skieur glisse avec la plus grande aisance, en éprouvant les meilleures sensations

de ce sport. Le flocon de neige artificiel, cependant, a une forme sphérique, a plus d'eau et moins d'air,

le rendant plus dense que naturel. Si le skieur passe au-dessus de cette neige nouvellement

sédimentée, il remarquera que ses skis tendent à être plus accrochés, on pourrait dire que ce n'est pas

si mou et glissant. Entre les deux types de neige, les différences sont évidentes quand ils coexistent les

deux sur la piste.

10

4. Projet : Snowfarm X

4.1 Introduction

Le but du projet Snowfarm est la création de neige artificielle. Comme déjà expliqué ci-dessus, cet

objectif n'est pas nouveau, actuellement il existe déjà de nombreux dispositifs capables de créer

artificiellement de la neige à partir de l'eau et de l'air. La principale nouveauté proposée par Alpinov X

est l'indépendance de l'environnement et de ses conditions, c'est-à-dire de pouvoir produire de la

neige quelles que soient les conditions de température et d'humidité de l'extérieur. Cette

indépendance peut être inestimable car la plupart des systèmes existants nécessitent une température

extérieure très froide pour fonctionner.

La Snowfarm X propose 8 avantages principaux en comparaison avec les systèmes de création de neige

traditionnelles :

1. Production non météo-dépendante : par températures négatives et positives.

2. Consommation énergétique optimisée : 3 à 5 fois plus performants que les enneigeurs

comparables.

3. Valorisation de 100% de l’eau utilisée : 40 à 50% de l’eau prélevée par les enneigeurs

traditionnels ne se retrouve pas sur la piste.

4. Intégration à l’environnement du site de déploiement : habillage adapté et discrétion de

fonctionnement.

5. Utilisation des réseaux électriques et d’eau existants : pas de travaux d’ampleur à prévoir.

6. Mobilité pour une utilisation plurielle : possibilité de traiter plusieurs sites.

7. Production d’une neige qualitative avec d’importants volumes : pour une exploitation de la

neige produite optimale.

8. Fonctionnement à distance pour une meilleure flexibilité d’exploitation.

Le démonstrateur travaille avec un cycle thermodynamique d'évaporation-compression-

condensation. La grande nouveauté physique du projet est l'utilisation de l'eau comme fluide

thermodynamique lors de la réalisation de ce cycle, qui vise à refroidir un autre circuit d'eau pour le

geler et former de la neige. Cette décision apporte des avantages et des inconvénients par rapport aux

autres fluides généralement utilisés:

Le point en faveur de l'utilisation de l'eau comme fluide thermodynamique sont ses bonnes

qualités thermiques: sa chaleur spécifique élevée et sa forte chaleur latente d'évaporation.

Cela réduit considérablement le débit d'eau à utiliser.

Cependant, lorsqu'on veut absorber la chaleur d'un système à 0 ° C, l'eau comme fluide

caloporteur doit être inférieure à cette température et son évaporation (phénomène

physique qui permet l'absorption de la chaleur sous forme de chaleur latente d'évaporation)

11

Cela ne se produira pas si la pression n’est pas suffisamment basse. Par exemple, la pression

de saturation correspondant à une température de 0 ° C est de 6 millibars. C'est la raison pour

laquelle une pompe à vide est utilisée pour obtenir une pression de cette ampleur à l'intérieur

de l'évaporateur.

Le cristalliseur est le composant qui à partir du refroidissement d’eau forme glace, donc il doit avoir

autre composant qui absorbe la chaleur expulsée pour le cristalliseur. Ce composant est l’évaporateur

qui forme parte du cycle thermodynamique d'évaporation-compression-condensation qu’a lieu dans

l’installation.

Illustration 1: schéma synoptique

Dans l'illustration 1, la boucle supérieure représente le cycle thermodynamique qui subit l'eau et la

boucle inférieure fait référence à la boucle où l'échange de chaleur entre le cycle et le cristalliseur pour

la formation de la neige a réellement lieu.

Il y a deux pressions dans le cycle réfrigérateur par compression ou du cycle de réfrigération: la

d’évaporation ou la basse pression et la de condensation ou la haute pression. Le liquide de

refroidissement sert de moyen de transport pour faire passer la chaleur de l'évaporateur au

condenseur, où il est envoyé dans l'atmosphère ou dans l'eau de refroidissement, dans le cas de

systèmes refroidis à l'eau. Un changement de l'état liquide à la vapeur, et vice versa, permet au

réfrigérant d'absorber et de décharger efficacement de grandes quantités de chaleur.

La réduction de pression dans le réfrigérant liquide provoque son ébullition ou sa vaporisation, jusqu'à

ce que le réfrigérant atteigne la température de saturation correspondant à sa pression.

12

Comme le fluide frigorigène à basse température passe à travers l'évaporateur, la chaleur de l'élément

à refroidir coule à travers les tubes du même au réfrigérant, ce qui provoque l'action d'ébullition va

continuer jusqu'à ce que le réfrigérant est complètement vaporisé.

La vapeur de réfrigérant quittant l'évaporateur se déplace à travers la conduite d'aspiration jusqu'à

l'entrée du compresseur. Le compresseur prend la vapeur à basse pression et la comprime en

augmentant à la fois sa pression et sa température.

La vapeur chaude, lorsqu'elle atteint la pression élevée, est pompée hors du compresseur par la pompe

de décharge vers le condenseur. En le traversant, le gaz à haute pression est refroidi par des moyens

externes. Dans les systèmes à refroidissement par air, un ventilateur et un condenseur à ailettes sont

généralement utilisés. Dans les systèmes refroidis à l'eau, comme dans ce cas, un échangeur de chaleur

refroidi à l'eau est généralement utilisé.

Lorsque la vapeur du réfrigérant atteint la température de saturation, correspondant à la haute

pression du condenseur, la vapeur se condense et s'écoule vers le dépôt des condensats sous forme

liquide, répétant le cycle à nouveau.

Ensuite, les différents états thermodynamiques représentés par des nombres dans l'illustration 1

seront expliqués en détail et seront utilisés dans tout le document.

13

4.2 Cycle thermodynamique

Il est appelé cycle thermodynamique à une série de processus thermodynamique dans lequel un

système de situation initiale et après l'application de ces processus retourne à l'état initial. En tant que

processus thermodynamiques, c’est connue la variation des propriétés thermodynamiques du système

(pression, entropie, volume, enthalpie et température) d'un état initial à un état final.

Lors d'un cycle complet, la variation de l'énergie interne doit être nulle, donc la chaleur transférée par

le système doit être égale au travail effectué par le système (tel que dicté par le premier principe de la

thermodynamique). L'important est que grâce à cette propriété, le travail peut être obtenu à partir

d'un système grâce à une contribution calorifique. Si la performance était parfaite, toute la chaleur

fournie pouvait être transformée en travail, mais c'est impossible car il y a toujours des pertes de

chaleur.

Dans l’illustration 2 on a un schéma du design de l’installation (on a utilisé le même code de couleurs

que dans l’illustration 1).

Illustration 2:schéma 2D installation

Ces sont les états de référence qui ont été utilisés et ses correspondants pressions :

1 Liquide sous-refroidi pevap

2 Liquide saturé pevap 2’ Retour cristalliseur pevap 3 Vapeur saturée pevap 4 Vapeur surchauffée pevap 5 Vapeur compressée pcond 5’ Vapeur saturée pcond 5’’ Liquide saturé pcond 6 Liquide condensé pcond

Table 1: états de référence

14

En l’installation on peut distinguer trois boucles différentes:

- Boucle du cristalliseur (en bleu 2→2’): elle est réalisée par l'eau salée entre l'évaporateur et

le cristalliseur. Le fluide sorti de l'évaporateur à la température T2, se déplace à travers le

cristalliseur comme cela sera expliqué plus loin, et retourne à l'évaporateur à la température

T2´ en lui fournissant la chaleur extraite du cristalliseur.

- Boucle principale (1→2→3→4→5→6): c'est le cycle thermodynamique représenté sur

l'illustration 2. L'état de référence 2 correspond à l'eau salée logée à l'intérieur de

l'évaporateur, qui s'évapore du fait de la chaleur apportée par l'écoulement de la boucle de

cristalliseur. Une fois formée (état de référence 3), la vapeur d'eau est comprimée (état de

référence 5) vers le pcond pour ensuite entrer dans le condenseur et retourner à l'état liquide

(état de référence 6). Le cycle se ferme par le système "retour de condensat", qui relie le

réservoir du condenseur à l'évaporateur de sorte que le liquide condensé retourne à l'état de

référence 1. La condensation comme ça se produire entre les états de référence 5’ et 5’’ et la

évaporation entre 2 et 3.

- Boucle d'eau glycolée (en rouge): c'est le fluide frigorigène du condenseur, qui à son tour est

refroidi par un ventilateur qui fonctionne avec l'air prélevé dans l'environnement.

Dans le cycle en question, on travaille avec deux pressions différentes: basse pression ou pression

d'évaporation (pevap) et haute pression ou pression de condensation (pcond). Ces pressions prennent

de la valeur autour de 6 et 60 millibars, ce qui donne lieu à des températures de saturation, encore

une fois environ, de 0ºC et 36ºC environ comme cela peut être vérifié dans l'annexe: donnes de la

courbe de saturation de l’eau.

Illustration 3: diagramme p-h

15

L’illustration 4 est un schéma du design de l’installation et de ses composants qui forment le cycle

thermodynamique et ceux qui, bien que pas strictement partie est également nécessaire pour le bon

fonctionnement. On peut bien différencier plusieurs composants qui vont maintenant être brièvement

nommés, mais plus tard, seront expliqués en détail.

- À l’intérieur de la cuve métallique ils se logent l’évaporateur et le condenseur ;

- ces deux derniers sont connectés pour le groupe turbocompresseur que on peut le voir à la

droite avec clairement les deux étages que il a (la première étage sont deux groupes en

parallèle et la deuxième un en série) ;

- la boite blanche de la gauche est ou l’aéroréfrigérant se trouve.

Illustration 4: schéma 3D installation

4.3 Cadre de stage

Le laboratoire et la start-up ont une collaboration pour la recherche du projet Snowfarm X, et ainsi le

stage s’est déroulé en partie au LEGI en partie à l’Alpinov X.

Les objectives du stage étaient :

- Elaborer une méthodologie de simulation de l’ensemble du procédé : évaporateur,

compresseur, condenseur, cristalliseur, échangeurs…

- Etablir des liens entre modélisation physique et architecture système

- Proposer un outil de dimensionnement optimisé à destination du bureau d’étude

Le projet Snowfarm X n’est pas simple, lie une série de complexes composants avec un objectif

commun, de telle sorte que chaque élément doit pouvoir être traités séparément comme un élément

16

indépendant avec sa fonction particulière, et en tant que partie d'un ensemble, comme un lien dans

une chaîne qui doit fonctionner conformément. On a utilisé l’expression une chaîne parce que le flux

de données et de variables se déplace dans le système dans une seule direction et sens, de sorte que

les variables de sortie d'un élément seront les variables d'entrée de la suivante. On n’a pas des

ramifications sauf avec le cristalliseur qu’on pourrait dire que c’est les donnes d’entrée.

Illustration 5: bloc individuel

La raison pour laquelle il est décidé, une fois que tout le système est compris, d'étudier séparément

chaque composant du système comme s'il s'agissait d'un système de blocs indépendants pour les

réunir plus tard.

L'objectif de cette séparation est que les variables d'entrée dans chaque composant sont fixes et que

cette composante est analysée à partir de celles-ci, et le composant suivant n'est pas pris en compte.

Ce sera quand tous les blocs se joindront quand il essaiera d'optimiser le processus en fonction des

paramètres désirés.

Physiquement parlant, les variables et les données nommées sont les débits, les puissances, les

températures et les pressions, et les liens entre chaque composante sont les équations et les bilans

massiques et thermiques qui définissent le processus effectué dans chaque cas. En ce qui concerne le

sens de ce qui est entré et ce qui est la sortie a été suivie la même qui porte l'eau dans le cycle

thermodynamique. Les doubles flèches se réfèrent à un échange de chaleur entre deux fluides.

Illustration 6: système pour blocs

17

4.4 Cristalliseur

On pourrait dire que le cristalliseur est le composant le plus important de toute l'installation, c'est là

que la neige se forme réellement. C'est l'élément pour lequel le reste des composants est conçu.

À l'intérieur du cristalliseur, il y a un échange de chaleur entre deux fluides: entre l'eau douce qui est

prise de l'extérieur pour se solidifier dans la glace et l'eau salée (la cause de que soit eau salée sera

expliquée plus tard) de l'évaporateur. Logiquement, c'est l'eau fraîche qui sera refroidie et l'eau salée

qui sera chauffée.

Le cristalliseur lui-même est un cylindre de diamètre 706 mm et hauteur 800 mm qui prendre en

contact les deux fluides. Il est fait d'un acier commercial, mais il a été baigné dans zinc pour le

galvaniser et prévenir la corrosion due à l'eau salée. Alors que l'eau douce traverse longitudinalement

le cylindre de base à base, pour maximiser la surface de contact, le cristalliseur a deux circuits en spirale

qui courent sa face latérale quand ils le montent.

Par conséquent, l'eau salée sorti de l'évaporateur à la température à cela est, arrive au cristalliseur via

une pompe située entre les deux éléments, elle traverse des deux circuits en parallèle en forme de

spirale, tout en refroidissant l'eau douce, et retourne à évaporateur évidemment plus chaud que

quand il est sorti. Le débit maximal d'eau salée est déterminé par la pression qui peut générer la pompe

et les pertes de charge qui se produisent à travers des tuyaux de connexion évaporateur-cristalliseur

et les circuits à l'intérieur du cristalliseur.

Graphique 1:débit maximum en le cristalliseur

Le graphique oppose à la courbe caractéristique de la pompe utilisée et la courbe des pertes de charge

du circuit que l'eau salée doit parcourir avec l'impulsion de la pompe. La pression est représentée en

mètres (sachant que ∆𝑝 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ∆𝑧) et le débit en mètres cubes par heure. Le point de coupe s'avère

être (12.5, 11.5) donc au maximum pourront circuler 12.5 m3/h pour l’intérieur du cristalliseur.

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

PR

ESSI

ON

DEBIT

Pompe vs Circuit

18

Les différentes vannes qui se trouvent au cours des tuyaux entre le cristalliseur et l'évaporateur sont

les responsables de la régulation de ce débit. Se traite d’une pompe multicellulaire de marque Salmson

dont courbes originales se trouvent dans l’annexe.

A partir de maintenant, on appellera puissance froide du cristalliseur 𝑃𝑓.𝑐. à la puissance nécessaire

pour générer de la neige à la température désirée à partir de l'eau douce à la température de réseau.

L'eau douce doit d'abord être refroidie à la température de congélation, après extraire la chaleur

latente de solidification pour obtenir la glace, et finalement refroidir jusqu'à la température finale

désirée. Quant à l'eau salée, sa capacité thermique est simplement utilisée pour absorber toute la

chaleur que suppose la solidification de l'eau douce.

C'est l'équilibre thermique qui a lieu à l'intérieur du cristalliseur:

𝑃𝑓.𝑐.= (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞*ΔT1) + (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐿 𝑠𝑜𝑙 ) + (𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*𝐶𝑝 𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒*ΔT2)= 𝑚𝑠𝑎𝑢*𝐶𝑝 𝑠𝑎𝑢*(T2’ – T2)

Les flux massiques sont représentés par 𝑚𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒 et 𝑚𝑠𝑎𝑢, et les températures T2’ et T2 sont

respectivement les températures d'entrée et de sortie de l'eau salée par rapport à l'évaporateur.

La condition de limite thermique dans cet échange de chaleur est donnée par l'eau douce car elle a le

plus faible produit "flux * chaleur spécifique [J/s*K] ". Ce sont leurs débits et leurs températures qui

déterminent la température maximale pouvant être dans l'évaporateur.

Une autre condition limitative est que la température de sortie de l'eau salée du cristalliseur ne peut

pas être supérieure à la température de saturation à la pression de l'évaporateur car si elle s'évapore,

il y a un risque de cavitation, ce qui est fatal pour le système en raison des dommages physiques qu'elle

peut causer aux structures.

4.5 Evaporateur

L'évaporateur est l'élément central de la boucle du cycle, c'est celui qui vraiment absorbe la chaleur

qui est évacuée du cristalliseur.

Dans tout système de froid industriel, l'évaporateur est un élément indispensable, c'est le lien entre le

système à refroidir et le cycle thermodynamique qui absorbe la chaleur extraite dudit système.

L'évaporateur lui-même n'est pas qu'un continent où le fluide à évaporer est logé et la vapeur générée

est libérée en raison de la chaleur reçue. C'est un cylindre avec les suivantes dimensions: diamètre =

690mm et hauteur = 1708mm.

Comme cela est logique et se fait dans tous les cycles thermodynamiques d'évaporation-condensation,

la pression de travail à l'intérieur de l'évaporateur est très faible, de sorte que la température de

saturation du fluide frigorigène est faible et facilement réalisable.

Dans ce cas, le fluide qui subit le cycle thermodynamique est l'eau salée. En premier lieu, il sera

expliqué pourquoi l'eau est un fluide fréquemment utilisé dans ce type d'installations et ensuite la

raison pour laquelle l'eau salée a été choisie sera discutée ci-dessous. Il faut noter que bien que l'eau

et sa vapeur ne fonctionnent pas à des températures élevées, sauf à la sortie du compresseur, c'est

toujours le fluide caloporteur car c'est le fluide qui échange de la chaleur avec le système pour refroidir

et évacuer sa chaleur.

19

Les principales raisons pour lesquelles l'eau est utilisée comme fluide de refroidissement sont ses

caractéristiques thermiques: sa grande chaleur latente de vaporisation et sa chaleur spécifique élevée.

Cela permet une bonne absorption de la chaleur avec un débit pas trop élevé.

C'est un fluide caloporteur économique pour des températures allant jusqu'à 100° C. Pour des

températures plus élevées, le circuit doit être pressurisé pour pouvoir continuer à être le fluide en

phase liquide - eau surchauffée - et donc les coûts augmentent considérablement. C'est pourquoi son

champ est délimité beaucoup de fois à des températures inférieures à celles 100° C.

Les conditions de travail à l'intérieur de l'évaporateur sont autour de 6 millibars, donc ces conditions

sont très proches du point triple de l'eau, état physique (pression de 6,15 millibars, température de

0,01 ° C) dans lequel coexistent leurs trois états simples: vapeur d'eau, eau liquide et glace. La

température de saturation associée à ladite pression est de 0 ° C.

Illustration 7: point triple eau

On peut voir parfaitement dans l'illustration 7 que la pression diminue, la température de saturation

fait la même chose. Par exemple, la pression d'ébullition de 100°C est amenée à la pression

atmosphérique à une pression de saturation de 50°C pour une pression de 0,123 bar. C'est la raison

physique pour laquelle les évaporateurs fonctionnent à des pressions aussi basses. De la même

manière, il est expliqué qu'un compresseur est utilisé pour augmenter la pression de condensation et

ainsi la chaleur dégagée lors de ce changement de phase est plus grande.

20

Cependant, la température de congélation est beaucoup moins affectée par la pression, on pourrait

l'approcher que la courbe de congélation de l'eau est indépendante de la pression, c'est-à-dire que

dans ce diagramme c'est presque une droite verticale.

Travailler à une pression aussi basse rend la vaporisation de l'eau plus facile et moins coûteuse du

point de vue thermique, cependant, être si proche du point triple signifie courir le risque de geler l'eau.

C'est la raison pour laquelle il est décidé d'utiliser de l'eau salée à la place de l'eau pure. L'eau salée

abaisse considérablement le point de congélation, ce qui réduit considérablement le risque de gel.

Dans l'illustration 8, c’est possible observer les différentes phases qui coexistent en fonction de la

température à laquelle la solution est. Le liquide - entre les lignes rouges - se rapporte à la dissolution

de H20 et de NaCl, communément appelée saumure; dans le reste du diagramme apparaissent des

phases solides, soit de la glace, soit de la solution sursaturée dans laquelle a solidifié l'un ou les deux

composants. Ce diagramme est à la pression atmosphérique.

Illustration 8:diagramme saumure

La raison de l'ajout de NaCl à l'eau de l'évaporateur est de réduire son point de congélation, c'est-à-

dire d'éviter la formation de glace. Le point eutectique du diagramme (mélange de deux composants

à point de solidification minimum, inférieur à celui correspondant à chacun des composés à l'état pur)

se trouve à une concentration de 23% en poids de NaCl et à une température de -21°C. L'objectif est

de maintenir une concentration de NaCl autour de 15-20% pour avoir une température de congélation

oscillant entre -12 et -20°C, même si la température de l'évaporateur approche 0°C ou même dépasse

de quelques degrés, non de la glace devrait se former.

21

L'addition de NaCl a une autre conséquence thermodynamique importante dans l'eau. En raison de sa

densité supérieure à celle de l'eau, la solution finale augmente sa densité et sa viscosité, ce qui entraîne

une augmentation du point d'ébullition et une diminution du point de congélation. En calculant la

molalité de la solution (nombre de moles de soluté pour chaque kilogramme de solvant), on peut

obtenir de tels changements de température:

∆𝑇𝑐 = 𝑘𝑐 ∗ 𝑚

∆𝑇𝑒 = 𝑘𝑒 ∗ 𝑚

Où m est la molalité, 𝑘𝑐 la constante de congélation du solvant (1,86 K * kg / n° moles), 𝑘𝑒 la constante

d'ébullition du solvant (0,512 K * kg / n° moles) et ∆𝑇𝑐 et ∆𝑇𝑒 sont les variations de la température de

congélation et d'ébullition respectivement. Par exemple, pour une solution de NaCl à 20% dans l'eau,

on obtient de nouvelles températures de congélation et d'ébullition de -7,96 ° C et de 2,19 ° C. Ces

deux expressions précédentes se réfèrent à pression atmosphérique.

Fonctionnement d’évaporateur

En fonction du volume de saumure à l'intérieur de l'évaporateur, le système fonctionne d'une manière

ou d'une autre, il y a un volume maximum de 200 litres et un minimum de 50 litres qui font office de

limites. Ce volume dépend des flux entrants et sortants.

Illustration 9: schéma évaporateur

La boucle cristalliseur-évaporateur fonctionne toujours, c'est-à-dire que msau est constant et que, grâce

à sa contribution de chaleur, l'évaporateur produit toujours de la vapeur: mvap n'est jamais nul. C'est

le débit de condensats le responsable de que le volume de saumure qui ne soit pas constant, ce débit

alimentera l'évaporateur lorsqu'il atteindra le volume minimum de 50 litres, et cessera de fonctionner

lorsque le niveau sera au maximum.

22

Au lieu de travailler avec des volumes, on travaille avec la hauteur pour faciliter la mesure: avec la

section d'évaporateur constante, les hauteurs maximum et minimum sont respectivement Hmax et

Hmin.

Selon que le retour des condensats fonctionne ou non, nous aurons des bilans de masse et d'énergie

différents à l'intérieur de l'évaporateur. Ci-dessous sont expliqués.

a) Retour des condensats ON

Le système se comporte comme un système stationnaire, la hauteur de l'évaporateur est comprise

entre les limites imposées. Ces sont les bilans qui ont lieu:

- Bilan massique: voir dans l'illustration 9

𝑚𝑣𝑎𝑝 + 𝑚𝑠𝑎𝑢 𝑂𝑈𝑇= 𝑚𝑠𝑎𝑢 𝐼𝑁 + 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑→ 𝑚𝑣𝑎𝑝 = 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑

La boucle du cristallisoir est toujours constante, de sorte que lorsque le retour de condensat

est activé, le débit massique qui entre dans l'évaporateur par le retour sera le même que celui

qui est évaporé.

- Bilan thermique

𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑

𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝑚𝑣𝑎𝑝*[𝐿𝑣𝑎𝑝+𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇2)]

𝑃𝑓.𝑐.= 𝑚𝑠𝑎𝑢 ∗ 𝐶𝑝 𝑠𝑎𝑢 ∗ (𝑇2′ − 𝑇2)

𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑*𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞 ∗ (𝑇1 − 𝑇2)

L'évaporation de la saumure est due à la chaleur apportée par les flux provenant à la fois du

cristalliseur et du condenseur, qui atteignent tous deux des températures supérieures à celles

de l'évaporateur.

Les deux variables à calculer sont le débit m, qui représente à la fois le débit de condensat et

le débit de vapeur formé (bilan massique), et la température T2 à l'intérieur de l'évaporateur.

Le reste sont des variables qui sont fixées par d'autres composants: la puissance du cristalliseur

est réglée en fonction du débit massique de neige à former, de la température d'entrée de

l'eau douce et de la température finale de la neige; la chaleur latente de vaporisation et la

température de saturation dépendent directement de la pression dans l'évaporateur réglé par

le compresseur; bien que les chaleurs spécifiques à pression constante dépendent de la

température ils ont été prises comme constantes en raison de leur variation négligeable.

Il faut se rappeler que l'eau salée à l'intérieur de l'évaporateur à la température T2 est

responsable du refroidissement et de la congélation de l'eau douce. Par conséquent, comme

cela est connu par transfert de chaleur, la température finale de la neige ne sera jamais

inférieure à la température T2.

𝑚 =𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡

𝐿𝑣𝑎𝑝+𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝(𝑇𝑠𝑎𝑡−𝑇2)−𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞(𝑇1−𝑇2)

b) Retour des condensats OFF

23

Dans ce cas, le système cesse d'être un système stationnaire, car il est en train de se vider: le niveau

de saumure se situe entre les deux limites établies jusqu'à ce qu'il atteigne le niveau inférieur. On a

ces deux conditions:

𝐻𝑚𝑖𝑛 ≤ H (t)≤ 𝐻𝑚𝑎𝑥

𝑑𝐻(𝑡)

𝑑𝑡< 0

Maintenant, le flux de vapeur formé est égal à la quantité d'eau salée qui est vidée, et est uniquement

due à la chaleur fournie par la boucle du cristalliseur qui ne cesse jamais de fonctionner.

𝑚𝑣𝑎𝑝 = −𝑑𝑉(𝑡)

𝑑𝑡∗ 𝜌 = −𝑆 ∗

𝑑𝐻(𝑡)

𝑑𝑡∗ 𝜌 =

𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡

𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝)→

−𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) ∗ dH(t) = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝑑𝑡 →

∫ −𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) ∗ dH(t) = ∫ 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝑑𝑡𝐻𝑚𝑖𝑛

𝐻𝑚𝑎𝑥 →

(𝐻𝑚𝑎𝑥 − 𝐻𝑚𝑖𝑛)∗ 𝑆 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿𝑣𝑎𝑝(𝑝3) = 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝛥𝑡

De cette manière, l'intervalle de temps de vidange pour une puissance de cristallisation fixe et le flux

de vapeur généré pendant ce temps peuvent être obtenus.

On peut voir en l’illustration 13 le schéma d’opération du retour des condensats en fonction des

hauteurs limites.

4.6 Compresseur

24

Avant de démarrer avec le compresseur, la présence d'un réchauffeur dans la partie finale de

l'évaporateur est expliquée, c'est-à-dire qu'il agit sur le fluide une fois qu'il est à l'état gazeux. C'est un

radiateur à infrarouges, donc il n'y a pas de contact ou d'échange de chaleur avec un autre fluide, il

chauffe simplement la vapeur d'eau due aux radiations.

Le système infrarouge ne fonctionne pas toujours, il serait activé comme mesure de sécurité au cas où

l'évaporation ne serait pas achevée à 100% et que le compresseur puisse absorber des gouttes d'eau

liquide qui serait dangereuse pour son bon fonctionnement. L'objectif est que seule la vapeur d'eau

pénètre dans le compresseur.

Le deuxième démonstrateur travaille avec un compresseur Roots à deux étages: un premier étage avec

deux groupes de compresseurs en parallèle et un second avec un compresseur en série.

La basse pression, pression à laquelle la vapeur entre dans le compresseur, est définie par la courbe

de saturation et la température à l'intérieur de l'évaporateur. Au lieu de cela, la pression de sortie est

réglée par la température extérieure de sorte que la condensation peut être effectuée correctement.

L'un des paramètres les plus utilisés pour mesurer l'efficacité d'une installation de réfrigération est le

COP (Performance Coefficient), qui est défini comme le quotient entre la puissance froide développée

par le système et la puissance de compression nécessaire pour élever le fluide en question de la basse

à la haute pression.

La puissance du compresseur Roots est calculée ainsi :

𝑃𝐶 = 𝑊𝐶 ∗ 𝑚𝑣𝑎𝑝

Sachant que 𝑊𝐶 est le travail de compression qui dépend directement de la température d’entrée (à

cause de juste ça, le fait de devoir utiliser le surchauffer avant le compresseur est un prix que il faut

payer, parce que bien que soit nécessaire pour éviter l’entrée de liquide va à provoquer une diminution

en le COP).

𝑊𝐶 = 𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 ∗ 𝑇4 ∗ (𝜆−1

Ƞ𝑖𝑠

) = ℎ5-ℎ4

𝜆 = (p𝑐𝑜𝑛𝑑

p𝑒𝑣𝑎𝑝

)𝛾−1

𝛾

On a appelé 𝛾 au quotient entre la chaleur spécifique à pression constante et la chaleur spécifique à

volume constant. Pour traiter la vapeur d’eau on travaille avec l’hypothèse de gaz parfait, de cette

façon le rendement isentropique peut se calculer depuis les températures.

Ƞ𝑖𝑠 =ℎ5𝑖−ℎ4

ℎ5−ℎ4=

𝑇5𝑖−𝑇4

𝑇5−𝑇4

Pendant la période du stage, peu de temps a été consacré à l'étude du compresseur pour deux raisons:

en premier lieu, parce que c'est un des éléments du système qui a encore des doutes, s'il est plus

convenable d'utiliser un compresseur Roots ou un compresseur centrifuge d'un hélicoptère. En fait,

peu avant de la fin du stage, Alpinov X a tenu une réunion avec la société Price Induction sur la

possibilité de designer un nouveau compresseur pour le projet. En plus de cela, il a été considéré que

le cœur du projet sont l'évaporateur et le cristalliseur, parties auxquelles plus de temps a été consacré.

4.7 Condenseur

25

En premier lieu la répartition spatiale de l'évaporateur et du condenseur doit être expliquée, puisque

les deux sont logés à l'intérieur de la grande cuve métallique de telle sorte que les tubes du

condenseur, à travers lesquels circule l'eau glycolée, entourent l'évaporateur.

Illustration 10: vues evap-cond

Le condensateur est logé à l'intérieur de la grande cuve comme on peut le voir sur l'illustration numéro

10. A côté de l'évaporateur, il est l'autre élément essentiel de tout cycle thermodynamique de ce style.

Le condenseur se compose de 22 tubes disposés régulièrement formant une cage de forme

cylindrique. Chaque tube a des dimensions de diamètre = 24 mm et hauteur =1708mm et sont équipés

de 6 ailettes chacun pour augmenter la surface d'échange thermique et la faciliter. La surface de

chaque tube est 0.13m2 et celle de chaque groupe de 6 ailerons est 1.56m2, donc une augmentation

de 1300% de la surface est atteinte. La surface totale d’échange est de 37.13m2.

L'eau glycolée, le fluide de refroidissement, circule verticalement à travers les tubes. La vapeur pénètre

à travers la partie supérieure de la cuve et lorsqu'elle entre en contact avec les tuyaux, elle commence

à se condenser sur les ailettes et sur la surface externe des tuyaux en raison de la convection. Les

condensats descendent le long des tubes et des ailettes à cause de la gravité jusqu'à ce qu'ils tombent

et s'accumulent dans le réservoir de condensat au fond de la cuve.

Dans les échangeurs de chaleur à changement de phase, que ce soit ébullition ou condensation, on

parle de convection forcée, car ce n'est pas une convection naturelle sinon qu’elle est générée

volontairement. Il existe des livres dans lesquels ces deux cas sont différenciés: convection forcée et

26

convection avec changement de phase de l'un des deux fluides car le coefficient de film obtenu dans

ces derniers cas est généralement plus grand.

Le type de condensation qui se produit est la condensation de film: au fur et à mesure que la vapeur

se condense et que les premières gouttes d'eau liquide se forment à la surface, une pellicule de

condensat commence à apparaître qui descendra par son propre poids. Ce débit de condensat est un

paramètre parfaitement

mesurable, habituellement mesuré

en Kg / s / m, c'est-à-dire le débit de

condensat par mètre de hauteur,

puisqu'il s'agit de tubes verticaux.

Pour calculer le coefficient de

transfert de chaleur dans chaque

cas de convection, il existe de

nombreuses corrélations physiques

complexes basées sur des

expériences. Heureusement, il y a

une grande variété: pour chaque

phénomène physico-chimique qui

se produit, pour chaque disposition

spatiale des éléments en question,

pour chaque orientation ...

La convection est expliquée par la Loi de refroidissement de Newton:

𝑑𝑄

𝑑𝑡= ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝑇𝑓)

- h est le coefficient de film correspondant au procès

- A corresponde avec la surface d’échange

- Tsurf est la température de la surface

- Tf est la température du fluide en question

Le nombre de Nusselt (Nu) est un nombre sans dimension qui mesure l'augmentation de la

transmission de la chaleur d'une surface à travers laquelle un fluide s'écoule (transfert de chaleur par

convection) par rapport au transfert de chaleur s'il se produit uniquement par conduction.

Illustration 11:valeurs typiques coefficients de film

27

𝑁𝑢 =𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛=

ℎ ∗ 𝐿

𝐾𝑓

Une fois que on sait le nombre de Nusselt adéquate on

saura le valeur de h [ W/m2/K]. Pour la disposition des tubes,

la condensation et autres paramètres physiques mesurés

cette est la corrélation que on a utilisé :

𝑁𝑢 = 1.13 ∗ (𝑔 ∗ 𝜌𝑙 ∗ ℎ′

𝑓𝑔 ∗ 𝐿3

𝜇𝐿 ∗ 𝐾𝐿 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓))0,25

Ces sont les paramètres qui apparièrent dans les

équations antérieurs :

- g est l’accélération de la gravité

- ℎ′𝑓𝑔 = ℎ𝑓𝑔* (1 + 0.68* Ja)

- ℎ𝑓𝑔≡ chaleur latente de vaporisation à la température adéquate

- 𝐽𝑎 ≡ nombre de Jakob ; 𝐽𝑎 =Cp liq*(Tsat - Tsurf)/ ℎ𝑓𝑔

- L dans ce cas est la hauteur du cylindre

- 𝜇𝐿 est la viscosité du liquide

- 𝐾𝐿 est la résistance thermique du fluide de convection

Cette partie n’a pas été finie pour manque de temps, il faut terminer les calculs de la corrélation pour

dimensionner le condenseur.

Double réfrigération

La pression imposée à la sortie du compresseur sera celle qui est pratiquement à l'intérieur du

condenseur, car il n'y a pratiquement aucune perte de charge à travers les conduits qui relient les deux

blocs. C'est cette pression qui déterminera la température de saturation de la vapeur et la plupart des

paramètres impliqués dans la condensation.

L'autre grande variable, imposée de l'extérieur du condenseur lui-même, est la température d'entrée

de l'eau glycolée au circuit de refroidissement, c'est-à-dire aux tubes. La vapeur d'eau est refroidie - et

condensée - par le circuit d'eau glycolée, et l'eau glycolée à son tour est refroidie par l'air prélevé de

l'extérieur et entraînée par un ventilateur, donc la température d'entrée de l’eau glycolée dans les

tubes elle est bornée inférieurement par la température extérieure de l'environnement.

La puissance qui doit être évacuée pour que la condensation de la vapeur soit complète à 100% est la

suivante:

𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑚𝑣𝑎𝑝 ∗ [(𝑇5 − 𝑇𝑠𝑎𝑡(𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑)) ∗ 𝐶𝑝 𝑣𝑎𝑝 + 𝐿𝑣𝑎𝑝 + (𝑇𝑠𝑎𝑡(𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑)−𝑇6) ∗ 𝐶𝑝 𝑙𝑖𝑞)]

Illustration 12: profil de film de condensation

28

Le fluide frigorigène qui circule à l'intérieur du condenseur est l'eau glycolée qui sort du condenseur à

la température 𝑇𝑔𝑙𝑦 𝑂𝑈𝑇 et est refroidie par un ventilateur d’air prélevé de l'extérieur.

𝑃𝑔𝑙𝑦= 𝑚𝑔𝑙𝑦 ∗ 𝐶𝑝 𝑔𝑙𝑦 ∗ (𝑇𝑔𝑙𝑦 𝑂𝑈𝑇−𝑇𝑔𝑙𝑦 𝐼𝑁)

𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟= 𝑚𝑎𝑖𝑟 ∗ 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟 ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟 𝑂𝑈𝑇−𝑇𝑎𝑚𝑏)

Le fluide à condenser est de la vapeur d'eau à 𝑝𝑐𝑜𝑛𝑑 et à une température 𝑇5 lequel est défini par le

compresseur utilisé, compte tenu de l'absence de refroidissement de la vapeur entre le compresseur

et le condenseur. La température 𝑇6 correspond à la température du dépôt de condensats, qui n'est

pas la température définitive avec laquelle les condensats reviennent à l'évaporateur car dans le circuit

de retour des condensats se trouve un autre échangeur de chaleur qui le régule définitivement. Donc,

ce 𝑇6 ne doit pas être trop bas.

Sachant que la pression à l'intérieur du condenseur est d'environ 60 millibars, la température de

saturation peut être d'environ 33-38 º C, donc la température de l'eau glycolée 𝑇𝑔𝑙𝑦 𝐼𝑁 doit être

inférieure au moins quelques degrés que celle ainsi l'échange de chaleur et la condensation

conséquente se produisent de manière appropriée.

En réalisant ces deux équilibres thermiques, vapeur d'eau-eau glycolée et eau glycolée-air, on peut

calculer le débit d'eau glycolée nécessaire puis le débit d'air que le ventilateur doit déplacer.

Le ventilateur est un aéroréfrigérant construit par la société CIAT. Quelques caractéristiques

techniques figurent à l'annexe Aéroréfrigérant.

29

4.8 Retour de condensats

Le composant qui a été appelé retour de condensat n'est pas plus que l'ensemble des tuyaux que l'eau

prend du dépôt des condensats du fond du condenseur, à l'intérieur de la cuve, et les renvoie à

l'évaporateur. Tout au long de ce circuit, il y a plusieurs éléments:

- la pompe responsable de l'impulsion du fluide

- un échangeur de chaleur pour réguler la température d'entrée finale de l'évaporateur qui de nouveau

travaille avec l’air ambiant donc la température extérieur sera la température minima d’entré à

l’évaporateur

- une vanne de régulation pour réguler le fonctionnement du circuit en fonction du niveau de saumure

à l'intérieur de l'évaporateur comme expliqué ci-dessus.

Ce serait le schéma de fonctionnement du circuit

Illustration 13: retour des condensats ON/OFF

30

5. Conclussions

5.1 Formation indésirable de glace

Une des grandes conclusions obtenues au cours du stage a été l'importance du soluté et de la pression

totale dans la température de congélation de la solution. La raison pour laquelle l'eau salée est utilisée

à la place de l'eau pure comme fluide caloporteur a été expliquée en détail ci-dessus, car on pensait

que la réduction de la température de congélation était suffisante pour l'usage qui lui serait donné à

l'intérieur de l'évaporateur. Lors de l'essai du deuxième démonstrateur, on a découvert que même une

petite couche de glace se formait sur la surface libre de l'évaporateur, ce qui semblait physiquement

impossible parce que la concentration de NaCl était adéquate et que la température était supérieure

à la température de congélation. Cette formation indésirable de glace a ralenti l'ensemble du

processus, même en arrêtant la machine.

Plusieurs hypothèses ont été soulevées pour expliquer cet événement:

- les données et les diagrammes utilisés pour calculer les températures de congélation de l'eau étaient

pour des processus effectués à la pression atmosphérique, et que la courbe du point triple de l'eau

change en raison de l'addition d'un soluté plus dense qu’elle.

- la glace se forme à l'interface entre l'environnement (eau salée de l'évaporateur avec une

concentration adéquate) et les bulles de vapeur d'eau déjà formées (concentration de NaCl à son

intérieur nulle), où la concentration pourrait être moins qu'adéquate. Cette glace resterait attachée

aux bulles qui, en raison de la différence de densité avec l'eau salée qui les entoure, montent à la

surface libre où la glace est retenue formant la couche en question.

31

6. Lignes futures

Compte tenu des objectifs initiaux du stage, on peut dire qu'ils n'ont pas été complétés à 100%.

Pendant ce temps, on a travaillé avec Excel comme outil informatique pour estimer et calculer les

paramètres en jeu, l'étape suivante serait d'utiliser un programme plus puissant pour simuler le

processus avec plus de précision et de détails.

Une partie importante du temps a été consacrée à étudier et tenter de résoudre l'imprévu de la

formation de glace à l'intérieur de l'évaporateur, qui, bien que n'étant pas entré dans les plans initiaux

a été l'un des sujets les plus discutés. Ce problème doit être résolu pour répondre aux attentes de la

machine

32

7. Notation utilisée

Symbole Signification

t Variable de temps H(t) Hauteur en fonction du temps V(t) Volume saumure en fonction du

temps S Section évaporateur Δt Intervalle de temps Pc Puissance de compression WC Travail de compression λ ηis Rendement isentropique h5i Enthalpie point 5 isentropique T5i Température point 5

isentropique Tsurf Température tubes condenseur Tf Température vapeur A Surface échange condensation Nu Nombre de Nusselt ρl Densité de l’eau h’fg Chaleur latente de vaporisation

corrigée hfg Chaleur latente de vaporisation Ja Nombre de Jakob μl Viscosité dynamique de l’eau κl Résistance thermique de l’eau Pgly Puissance eau glycolée Cp gly Chaleur à pression constante

d’eau liquide mgly Débit eau glycolée Tgly IN Température d’entrée d’eau

glycolée Tgly OUT Température de sortie d’eau

glycolée Pventillateur Puissance aéroréfrigérant mair Débit d’air Cp air Chaleur à pression constante

d’eau liquide Tair OUT Température d’air de sortie T amb Température d’ambiant

Symbole Signification

Ti Température d’état de référence i

pi Pression d’état de référence i pcond Pression condenseur pevap Pression évaporateur Z3 Hauteur évaporateur Z6 Hauteur condenseur ρ Densité g Gravité Δz κ Différence de hauteur Pf.c. Puissance froide cristalliseur mglace Débit glace Cp liq Chaleur à pression constante

d’eau liquide ΔT1 Température entrée d’eau

moins température congélation d’eau

ΔT2 Température congélation d’eau moins température finale glace

Lsol Chaleur latente de solidification

Cp glace Chaleur à pression constante de la glace

msau Débit saumure Cp sau Chaleur à pression constante

de la saumure ΔTc Variation de température de

congélation ΔTe Variation de température

d’ébullition kc Constant de congélation ke Constant d’ébullition m Molalité mvap Débit vapeur msau IN Débit saumure d’entrée msau OUT Débit saumure de sortie Hmax Hauteur maximum saumure Hmin Hauteur minimum saumure mcond Débit condensats Pvap Puissance vaporisation Pcond Puissance condenseur Lvap Chaleur latente de

vaporisation Cp vap Chaleur à pression constante

de la vapeur d’eau

33

8. Table d’illustrations

Illustration 1: schéma synoptique ..................................................................................................... 11

Illustration 2:schéma 2D installation ................................................................................................. 13

Illustration 3: diagramme p-h ............................................................................................................ 14

Illustration 4: schéma 3D installation ................................................................................................ 15

Illustration 5: bloc individuel ............................................................................................................. 16

Illustration 6: système pour blocs...................................................................................................... 16

Illustration 7: point triple eau............................................................................................................ 19

Illustration 8:diagramme saumure .................................................................................................... 20

Illustration 9: schéma évaporateur.................................................................................................... 21

Illustration 10: vues evap-cond ......................................................................................................... 25

Illustration 11:valeurs typiques coefficients de film ........................................................................... 26

Illustration 12: profil de film de condensation ................................................................................... 27

Illustration 13: retour des condensats ON/OFF.................................................................................. 29

Graphique 1:débit maximum en le cristalliseur ................................................................................. 17

Table 1: états de référence ............................................................................................................... 13

34

9. Bibliographie

Fundamentals of Heat and Mass Transfer (1 septembre 2006) de Frank P. Incropera

(Auteur), David P. DeWitt (Auteur), Theodore L. Bergman (Auteur), Adrienne S. Lavine

(Auteur)

Advanced Fluid Mechanics for Processes (année académique 2017/18) ENSE3

Aerodynamics and Combustion (année académique 2017/18) ENSE3

Atomization and Sprays (1989) de Arthur H. Lefebvre

Ecoulements multiphasiques des fondements aux méthodes d’ingénierie (2006) de Benoît

Oesterlé

Optimal design of a Thermodynamic Vent System for cryigenic propellanr storage (2016) de

Samuel Mer, David fernandez, Jean-Paul Thibault, Christophe Corre

http://energiadoblecero.com (juin 2017)

https://www.gildardoyanez.com (juin 2017)

http://ense3.grenoble-inp.fr/cursus-ingenieurs/advanced-fluid-mechanics-for-processes-ien-me-m2-fme-5eus5mfa-647265.kjsp?RH=E3Lesfilieres

http://energiadoblecero.com/

https://www.gildardoyanez.com/tips/ciclo-de-refrigeracion/

35

10. Annexes

10.1 Donnes de la courbe de saturation de l’eau

36

10.2 Courbes caractéristiques de la pompe multicellulaire

37

10.3 Aéroréfrigérant

38

10.4 Donnes eau glycolée

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