Estudio del comportamiento térmico de sistemas de disipación de calor para ciclos de potencia y refrigeración en distintas condiciones de operación

Abstract

El incremento en el consumo de energía en los últimos años ha contribuido al desarrollo, por parte de numerosos países, de políticas relacionadas con la eficiencia energética y el fomento de acciones más respetuosas con el medio ambiente, con el objetivo principal de reducir las emisiones de CO2. Medidas como las propuestas por la Comisión Europea sobre clima y energía 2030 confirman este hecho.

Los sistemas de disipación de calor, tanto en aplicaciones industriales como domésticas, suponen una parte importante del consumo energético. Es por esto que surge la necesidad de optimizar este tipo de instalaciones con el fin de obtener una mayor eficiencia energética. Alcanzar un correcto dimensionado o una configuración de componentes adecuada podrían ser formas de abordar esta tarea. Por otro lado, el uso de condensadores evaporativos y torres de refrigeración también podrían jugar un papel importante, ya que son dispositivos con una gran eficiencia y trabajan con temperaturas de agua bajas. Además, el consumo de energía y el coste de estos equipos es menor para las mismas condiciones de operación con respecto a otros sistemas de disipación de calor como los aero-refrigeradores secos. Sin embargo, uno de los principales retos en el funcionamiento de los sistemas de condensación evaporativa es preservar las fuentes de agua dulce, ya que su consumo suele ser elevado. También existe un potencial riesgo de proliferación de patógenos como la Legionella, que ha ocasionado que algunos gobiernos locales restrinjan su instalación en núcleos urbanos en detrimento de la eficiencia energética.

Los objetivos del presente trabajo fueron los siguientes:

• Evaluar la deposición del arrastre, a través de la técnica del papel hidrosensible, de una torre de refrigeración experimental en un entorno urbano empleando distintas configuraciones de funcionamiento y bajo distintas condiciones ambientales de dirección y velocidad de viento. Los datos recabados se han utilizado para evaluar el comportamiento de las gotas de agua ante un posible foco de infección por Legionella. En relación a los patrones registrados en la deposición, tanto la cantidad de agua como el tamaño característico de la gota disminuyen a medida que aumenta la distancia con respecto a la torre. Se encontraron variaciones del 70% en el agua depositada a distancias cercanas a la torre cuando el nivel de velocidad de viento era bajo. Además la dirección del viento también afectó a los niveles de deposición. Se observó una diferencia promedio del 45% entre los resultados obtenidos por el viento proveniente del noroeste y del sureste.

• Estudiar la influencia de distintas estrategias de control para la optimización de un sistema de refrigeración, atendiendo al consumo energético y gasto de agua en términos económicos. El modelo se diseñó en el entorno de simulación de procesos transitorios conocido como TRNSYS. La instalación se compone de una torre de refrigeración, una enfriadora agua-agua y un edificio de referencia. Para el modelo de la torre se utilizaron datos recopilados de trabajos previos, llevados a cabo en la torre de refrigeración experimental mencionada en el punto anterior. Se consideraron doce configuraciones, combinando seis separadores de gotas y dos sistemas de distribución de agua. En cuanto a la gestión del modelo, se utilizaron tres tipos de control comunes más otro adicional, diseñado para este trabajo, en el que se incluía control y optimización En lo que se refiere a los modelos de simulación con los sistemas de control más comunes, se registró un mayor consumo energético en aquellos que se centraban en gestionar la temperatura del agua de salida de la torre de refrigeración. A medida que dicha temperatura aumentaba, la penalización en el consumo del compresor de la enfriadora era mayor. Los resultados mostraron que la influencia del separador de gotas y el sistema de distribución de agua puede suponer unos ahorros máximos del 10,2% en cuanto al consumo energético, hasta un 4,8% en la reducción de consumo de agua o llegar a reducir los costes combinados de energía y agua un 8,2%.