Análisis energético y exergético del comportamiento de paneles evaporativos empleados en sistemas de acondicionamiento de aire

Abstract

El consumo energético en el sector de la edificación representa un 32 % del consumo total mundial de energía, según la Agencia Internacional de la Energía, lo que supone que este sector sea actualmente el mayor consumidor final de energía. La directiva 2010/31/EU sobre el rendimiento energético de los edificios y la directiva 2012/27/EU sobre eficiencia energética ponen de manifiesto que el 40 % del consumo total de energía en la Unión Europea corresponde a los edificios y que este es un sector que se encuentra en fase de expansión, con una previsión de aumento en su consumo de energía. Debido a esta situación, las últimas directrices que marca la Unión Europea en política energética impulsan el establecimiento de medidas de ahorro y de mejora de la eficiencia energética en los edificios. Una forma de reducir el consumo energético y mejorar la eficiencia de los sistemas de climatización que utilizan condensación por aire es mediante el empleo de técnicas de preenfriamiento, utilizando paneles evaporativos, en la corriente de aire de entrada al condensador. Una reducción de la temperatura de condensación implica un ahorro energético en el sistema de climatización, puesto que esta temperatura determina en gran medida la eficiencia del ciclo termodinámico frigorífico. Una disminución de la temperatura de condensación produce una reducción de la relación de presiones del refrigerante entre las que trabaja el compresor, el principal consumidor de energía de este tipo de instalaciones, lo que se traduce en un aumento de la eficiencia del ciclo y en un ahorro energético en el funcionamiento global del sistema de climatización. El trabajo de investigación desarrollado en esta tesis aborda, en una primera línea de investigación, la modelización de este proceso de preenfriamiento a través del es-tudio experimental del comportamiento térmico y fluidodinámico de un nuevo tipo de panel evaporativo de entramado plástico, fabricado con polietileno de alta densidad. A través del estudio realizado se ha caracterizado el comportamiento de este tipo de panel, cuantificando sus propiedades más relevantes: eficiencia de saturación, pérdida de presión, variaciones de temperatura y humedad del aire a su paso y caudal de agua evaporada. Con una metodología de estudio y ensayos similar a la empleada por otros autores, este trabajo se distingue por investigar un nuevo tipo de panel evaporativo tanto desde un punto de vista energético como también exergético. Los resultados del estudio muestran que este tipo de paneles pueden alcanzar un valor máximo de eficiencia de saturación de 80,5 %, cuando se emplea un espesor de panel de 250 mm y una velocidad de la corriente de aire inferior a 0,5 m s−1. Por otra parte, los paneles producen una caída de presión máxima de 17 Pa en la corriente de aire, cuando el espesor del panel es 250 mm y la velocidad del aire es 1,95 m s−1. Para el resto de condiciones de funcionamiento de los paneles, se han obtenido correlaciones que modelizan la eficiencia de saturación y la pérdida de presión, en función de las variables experimentales: velocidad del aire, espesor del panel y caudal de agua distribuida. El estudio exergético del proceso de preenfriamiento evaporativo ha aportado la definición de una nueva eficiencia exergética que podría utilizarse para dimensionar los paneles y seleccionar la velocidad óptima del aire para su correcto funcionamiento. En una segunda línea de investigación, esta tesis presenta un estudio preliminar de caracterización y evaluación de una técnica de preenfriamiento alternativa al uso de paneles evaporativos, que pretende evitar alguno de sus inconvenientes principales,como son la pérdida de presión que los paneles ocasionan en la corriente de aire y los problemas de mantenimiento originados por el envejecimiento de los mismos. En este estudio se realiza la caracterización de un generador de agua nebulizada mediante ultra-sonidos y la valoración de su utilización como sistema de preenfriamiento evaporativo en sistemas de acondicionamiento de aire. El estudio se desarrolla sobre un prototipo de nebulización ultrasónico, diseñado y construido a tal efecto, y del que ha sido necesario caracterizar experimentalmente su capacidad de producción de agua nebulizada y la distribución de los tamaños de gotas generadas. Se trata de una línea de investigación multidisciplinar de la que no se han encontrado referencias previas en la literatura, que incluye balances energéticos, evaluación del rendimiento térmico, determinación de patrones de flujo fluidodinámico y estudio de las condiciones de generación de agua nebulizada mediante transductores electrónicos de ultrasonidos Para evaluar las características y la capacidad de preenfriamiento del agua nebuli-zada producida por el generador ultrasónico, se ha diseñado y construido un banco de ensayos consistente en el generador de agua nebulizada acoplado a un túnel de viento subsónico. Los ensayos de caracterización del nebulizador ultrasónico muestran que es capaz de proporcionar un rango de caudales de agua nebulizada entre 0,11×10−3 y 0,52×10−3 kg s−1. Además, se ha determinado mediante una técnica fotográfica que la distribución de tamaños de las gotas de agua atomizadas tiene un diámetro medio de Sauter D3,2 = 13,2 µm. Los resultados del estudio de capacidad de preenfrimiento revelan que la eficiencia media del enfriamiento evaporativo (εAEC) y la caída media de temperatura (Tdrop), aumentan cuando se aumenta el caudal de agua atomizada y se reduce el caudal de aire, obteniendo unos valores máximos de εAEC = 65 % y Tdrop = 4,3 °C para una relación de caudales agua/aire de 2,41×10−3 y un caudal de aire de 630 m3 h−1. La máxima eficiencia de saturación (εDEC) registrada es de 83,7 % para una relación agua-aire de 0,35×10−3 y un caudal de aire de 630 m3 h−1. Se ha comprobado que el proceso de preenfriamiento evaporativo no es homogéneo en todo el flujo de aire para muchas condiciones de funcionamiento y, para evaluar específicamente este fenómeno, se ha definido un nuevo indicador de rendimiento de-nominado εLCP (eficiencia local de enfriamiento). Se ha identificado un rango para la relación de caudales agua/aire entre 1,4×10−3 y 2,3×10−3 donde se produce una mejor distribución del agua nebulizada en toda la sección de control y un proceso de enfriamiento evaporativo más homogéneo y efectivo. Como valoración final, se concluye que la generación de agua nebulizada mediante ultrasonidos es una alternativa prometedora a los sistemas convencionales de preenfriamiento que utilizan paneles evaporativos, pero que aún presenta inconvenientes que es necesario abordar con futuros trabajos de investigación.

Energy consumption in the building sector accounts for 32 % of total global energy consumption, according to the International Energy Agency, making the building sec-tor currently the world’s largest final energy consumer. Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings and Directive 2012/27/EU on energy efficiency show both that 40 % of total energy consumption in the European Union is accounted for by buildings and that this is a growing sector, with an expected increase in energy consum-ption. Due to this situation, latest European Union energy policy guidelines promote the establishment of energy saving and energy efficiency improvement measures in buildings. A method to reduce energy consumption and improve the efficiency of air co-oled air-conditioning systems is by means of pre-cooling techniques, using evaporative cooling pads in the inlet air flow to the condenser. A reduction of the condensing temperature results in energy savings in the air-conditioning system, as this tempera-ture significantly determines the efficiency of the thermodynamic refrigeration cycle. A decrease in the condensing temperature leads to a reduction in the working pressure ratio of the compressor, the main energy consumer for this type of installation, which results in increased cycle efficiency and energy savings in the overall operation of the air-conditioning system. The research work carried out in this thesis addresses, in a first line of research, the modelling of this pre-cooling process through the experimental study of the thermal and fluid-dynamic behaviour of a new type of plastic mesh evaporative pad, made of high-density polyethylene. The study has characterised the behaviour of this type of pad, measuring its most relevant properties: saturation efficiency, pressure loss, fluctuations in air temperature and humidity, and amount of water evaporated. With a study and testing methodology similar to that employed by other authors, this work is distinguished by investigating a new type of evaporative pad from both an energetic and an exergetic point of view. The results of the study show that this type of pad can achieve a maximum satura-tion efficiency value of 80.5 %, when using a pad thickness of 250 mm and an airflow velocity of less than 0.5 m s−1. On the other hand, the pads produce a maximum pres-sure drop of 17 Pa in the air stream, when the pad thickness is 250 mm and the air velocity is 1.95 m s−1. For the other pad operating conditions, correlations have been obtained that model the saturation efficiency and pressure loss as a function of the experimental variables: air velocity, pad thickness and dispensed water flow rate. The exergy study of the evaporative pre-cooling process has provided the definition of a new exergy efficiency definition that could be used to size the pads and select the optimal air speed for their correct operation. In a second line of research, this thesis presents a preliminary study of the characte-risation and evaluation of an alternative pre-cooling technique to the use of evaporative pads, which aims to avoid some of their main disadvantages, such as the loss of pressu-re that the pads cause in the air flow and the maintenance problems caused by ageing. This study characterises an ultrasonic water mist generator and assesses its use as an evaporative pre-cooling system in air-conditioning systems. The study is carried out on a prototype ultrasonic mist maker, designed and built for this purpose, and it has been necessary to experimentally characterise its water mist production capacity and the distribution of droplet sizes generated. This is a multidisciplinary line of research for which no previous references have been found in the literature, including energy balan-ces, evaluation of thermal performance, determination of fluid dynamic flow patterns and study of water mist generation conditions using electronic ultrasonic transducers. To evaluate the characteristics and pre-cooling capacity of the water mist pro-duced by the ultrasonic generator, a test rig consisting of the water mist generator coupled to a subsonic wind tunnel has been designed and built. Characterisation tests of the ultrasonic nebuliser show that it is capable of delivering water mist flow rates between 0.11×10−3 and 0.52×10−3 kg s−1. Furthermore, it has been determined by a photographic technique that the size distribution of the atomised water droplets has a Sauter mean diameter D3,2 = 13.2 µm. The results of the pre-cooling capacity study reveal that the average evaporative cooling efficiency (εAEC) and the average temperature drop (Tdrop), increase when the atomised water flow rate is increased and the air flow rate is reduced, obtaining ma-ximum values of εAEC = 65 % and Tdrop = 4.3 °C for a water-to-air flow rate ratio of 2.41×10−3 and an air flow rate of 630 m3 h−1. The maximum direct evaporative cooling efficiency (εDEC) recorded is 83.7 % for a water-to-air ratio of 0.35×10−3 and an air flow rate of 630 m3 h−1. It has been found that the evaporative pre-cooling process is not homogeneous throughout the airflow for many operating conditions and, to specifi-cally evaluate this phenomenon, a new performance indicator called εLCP (local cooling performance) has been introduced. A range for the water-to-air flow rate ratio bet-ween 1.4×10−3 and 2.3×10−3 has been identified where there is a better distribution of the water mist throughout the control section and a more homogeneous and effec-tive evaporative cooling process. As a final assessment, it is concluded that ultrasonic water mist generation is a promising alternative to conventional pre-cooling systems using evaporative pads, but still has drawbacks that need to be addressed with future research.