Mejoras en la eficiencia de un sistema de refrigeración comercial autónomo que utiliza fluidos de bajo GWP mediante el desarrollo de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico

• Autores: Álvaro Casi Satrústegui
• Directores de la Tesis: David Astrain Ulibarrena (dir. tes.), Miguel Araiz Vega (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Número de páginas: 114
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  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen

  • La producción de frío de manera artificial es considerada una de las contribuciones más relevantes de la historia, jugando un papel clave en el desarrollo de la sociedad humana, gracias a su contribución en la conservación de productos perecederos y como herramienta para conseguir confort térmico tanto en edificios como vehículos. Debido a su importancia, el sector de la refrigeración cuenta con un gran volumen y se encuentra ampliamente extendido tanto en el ámbito industrial como doméstico. Como consecuencia de su gran volumen, el sector viene ligado de un impacto considerable sobre el medioambiente debido al consumo eléctrico de las instalaciones y los refrigerantes utilizados. además, la demanda de refrigeración se espera que siga creciendo durante las próximas décadas y las estimaciones más recientes predicen que llegará a duplicarse para el año 2050. Estos hechos, junto con la actual problemática medioambiental, ponen de manifiesto la importancia de disminuir el impacto medioambiental del sector de la refrigeracion. El impacto medioambiental de los equipos frigoríficos se debe a la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera los cuales contribuyen al calentamiento global del planeta. Estas emisiones se deben por un lado al consumo eléctrico del sistema de refrigeración y por otro lado a la fuga de refrigerantes con alto potencial de calentamiento atmosférico de las instalaciones. Con el objetivo de reducir las emisiones de los equipos frigoríficos existen dos principales vías de acción: el uso de refrigerantes naturales con bajo poder de calentamiento, como el dióxido de carbono, y el desarrollo de equipos más eficientes para disminuir el consumo eléctrico de los sistemas de refrigeración. Esta tesis doctoral combina ambas líneas de acción centrándose en el desarrollo de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico para la mejora de la eficiencia de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que utiliza dióxido de carbono en estado transcrítico como refrigerante. Esta combinación de tecnologías se presenta como una solución novedosa y prometedora para la reducción de las emisiones de los equipos frigoríficos y es posible gracias a la robustez, escalabilidad, controlabilidad y versatilidad que ofrecen los sistemas termoeléctricos. Para ello, en primer lugar se ha desarrollado un modelo computacional capaz de simular el comportamiento de un ciclo de compresión de vapor de dióxido de carbono en estado transcrítico junto con un sistema de subenfriamiento termoeléctrico. El modelo computacional desarrollado ha sido validado de manera experimental y los resultados muestran que es capaz de predecir el comportamiento real del sistema con desviaciones dentro del +/-7% de error. Una vez desarrollado y validado el modelo computacional, este ha sido utilizado para el estudio y diseño del sistema de subenfriamiento termoeléctrico con el objetivo de optimizar el funcionamiento del sistema global de refrigeración. En el estudio se ha realizado una caracterización térmica de los intercambiadores de calor utilizados en el subenfriador termoeléctrico y mediante la utilización del modelo computacional se ha cuantificado el impacto de los intercambiadores de calor en el sistema global de refrigeración. Los resultados obtenidos muestran que mediante la utilización de intercambiadores optimizados, el aumento en potencia frigorífica con el sistema de subenfriamiento termoeléctrico se incrementa desde un 21,4% a un 26,3%. Asimismo, la mejora obtenida en el coeciente de operación pasa de un 11,96% a un 14,75%. Los resultados obtenidos muestran el gran impacto que los intercambiadores de calor del subenfriador termoeléctrico tienen en el funcionamiento global del sistema de refrigeración. Gracias a la información obtenida mediante el modelo computacional, se ha diseñado, construido e incorporado un sistema de subenfriamiento termoeléctrico en una instalación experimental de compresión de vapor que utiliza dióxido de carbono en estado transcrítico como refrigerante. La planta experimental ha sido ensayada bajo diferentes condiciones climáticas y de operación para comprobar de manera experimental el efecto del subenfriador termoeléctrico en el funcionamiento global del sistema. Además, los resultados obtenidos mediante la incorporación del subenfriador termoeléctrico han sido comparados con la utilización de un intercambiador recalentador subenfriador, una tecnología utilizada para mejorar la eficiencia de ciclos de refrigeración por compresión de vapor. Los resultados obtenidos muestran como las mejoras obtenidas mediante el subenfriador termoeléctrico superan las obtenidas mediante el intercambiador recalentador subenfriador tanto en coeficiente de operación como en potencia frigorífica. La inclusión del sistema de subenfriamiento termoeléctrico resulta en un aumento de potencia frigorífica de hasta un 20,8% y una mejora del coeficiente de operación del sistema de hasta el 16,2%. Por último, debido a la versatilidad y controlabilidad del subenfriador termoeléctrico, esta tecnología se ha combinado junto con el intercambiador recalentador subenfriador, con el objetivo de comprobar el funcionamiento del ciclo de compresión de vapor trabajando con ambas tecnologías simultáneamente. La incorporación de un subenfriador termoeléctrico junto con el intercambiador recalentador subenfriador resulta en un aumento de la potencia frigorífica de un 22,5% y en un incremento del coeficiente de operación del 22,4%. Estos resultados muestran que mediante la combinación de estas dos tecnologías se obtienen mejoras superiores a las obtenidas a través de cada una de ellas de manera independiente. Los resultados de esta tesis demuestran que la utilización de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico es una solución tecnológicamente viable para la mejora de la eficiencia de sistemas de refrigeración por compresión de vapor con dióxido de carbono en estado transcrítico, disminuyendo así,