Revisión del estado del arte de una tecnología novedosa, eyectores. Diseño de un ciclo con eyector para un armario de baja temperatura.

Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Autor: Consuelo Casilla Rubio Tutor: José Manuel Salmerón Lissen Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Revisión del estado del arte de una tecnología novedosa, eyectores. Diseño de un ciclo con eyector para un armario de baja temperatura. II III Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Revisión del estado del arte de una tecnología novedosa, eyectores. Diseño de un ciclo con eyector para un armario de baja temperatura. Autor: Consuelo Casilla Rubio Tutor: José Manuel Salmerón Lissen Profesor titular Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 IV V Trabajo Fin de Grado: Revisión del estado del arte de una tecnología novedosa, eyectores. Diseño de un ciclo con eyector para un armario de baja temperatura. Autor: Consuelo Casilla Rubio Tutor: José Manuel Salmerón Lissen El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 VI El Secretario del Tribunal VII A mi familia A mis maestros A mis amigos y compañeros de clase VIII Agradecimientos El trabajo realizado no hubiese sido posible sin el apoyo recibido por parte de mi familia durante mis años de estudio. Tampoco hubiese sido posible sin el cariño de mis compañeros que me han acompañado en este bonito camino, de los que he recibido mucha ayuda, comprensión y ánimos en todos los años de carrera. Agradezco a los que se quedaron por el camino que siguieran confiando en mí, y a pesar de no seguir con sus estudios animarme a continuar en mis estudios. Dicen que la vida del estudiante es la mejor y sin duda para mí lo ha sido, no sé si fui yo quien eligió la carrera o la carrera quien me eligió a mí, durante este proceso me he encontrado a gente maravillosa con la que he compartido risa, llantos, alguna cerveza que otra y por supuesto muchas comilonas en el fantástico restaurante de los microondas. No debemos olvidar a los profesores, sin ellos esto hubiera sido imposible, agradezco el buen trato recibido la cercanía con la que he sido tratada y sobre todo el esfuerzo invertido para enseñarnos un poco de este mundo de la ingeniería. Durante las muchas horas de lecciones que hemos tenido en las cuales hemos aprendido muchos conceptos nuevos de los cuales muchos de ellos ni me acuerdo, pero si me acuerdo de un concepto que nos dijo un profesor al terminar la clase, era la última clase antes del examen, “Suerte para el examen, recordad, hay que ser buenos ingenieros, pero sobre todo hay que buenas personas”. Consuelo Casilla Rubio Sevilla, 2020 IX Resumen Los eyectores son una nueva tecnología que se está implementado en ciclos de climatización. Se trata de un “aparato” que aprovecha la energía de una corriente de alta presión para subirle la presión a otra más baja. Es un elemento de fácil construcción pero su geometría tiene gran importancia en el rendimiento, una pequeña variación en las condiciones de trabajo del ciclo puede hacer que el eyector no nos sirva para esa aplicación. En este proyecto nos hemos centrado en estudiar el rendimiento de las diferentes partes del eyector y ver cómo influyen los parámetros operacionales en ellas, además de ver la influencia que tienen en el rendimiento total del eyector. Otros factores que dependen de la geometría del eyector son las temperaturas de funcionamiento, es decir la temperatura de alta presión, la de baja y a la temperatura que tiene que salir del eyector. Una vez estudiados los rendimientos de las partes, su rendimiento total y ver cómo influyen los parámetros operacionales en su geometría, nos dispusimos a recopilar medidas geométricas de diferentes eyectores con diferentes fluidos de trabajo revisados en la bibliografía. La última parte del trabajo se basa en la incorporación de un eyector a un armario de baja temperatura que utiliza propano como fluido de trabajo. XVI Notación NXP: Distancia desde la salida de la boquilla primaria hasta la entrada a la cámara de mezcla Xp1: Titulo de vapor del flujo primario [28] ɳn: Rendimiento de la boquilla primaria [28] Dn: Diámetro de la garganta Dm: Diámetro de la cámara de mezcla Pp: Presión de entrada del flujo primario Ps: Presión de entrada del flujo secundario ϒp: Ratio de presiones (Presión de salida/Presión de entrada del secundario) µ: Ratio de masa ɳm: Eficiencia de la cámara de mezcla [28] ɳd: Eficiencia del difusor [28] At: Área de la garganta Am: Área de la cámara de mezcla r_a: Área efectiva, es lo mismo que ratio de áreas (Dm/Dth)2 [3] 𝜆�: Ratio de masas [3] P_g: Presión del flujo primario (generador)[3] P_c: Presión del flujo de salida (condensador) [3] P_e: Presión del flujo secundario (evaporador)[3] T_e: Temperatura del flujo secundario (evaporador) [3] T_g: Temperatura del flujo primario (generador) [3] γ A : Ratio de áreas [31] Lm: Longitud de la cámara de mezcla Ld: Longitud del difusor ɳeje: Rendiemiento total del eyector w: Ratio de masa Dth: Diametro de la garganta Dp2: Diámetro de la salida del flujo primario Ds: Diámetro del flujo secundario Dm: Diámetro de la cámara de mezcla Dd: Diámetro del difusor Lp2: Longitud de la parte divergente de la boquilla primaria XVII Ls: Longitud de la cámara secundaria Lm: Longitud de la cámara de mezcla Ld: Longitud del difusor αp1: Ángulo convergente de la boquilla primaria αp2: Ángulo divergente de la boquilla primaria αs: Ángulo de la cámara de succión αd: Ángulo del difusor P1: Presión del flujo primario P2: Presión del flujo secundario P3:Presión de salida del eyector T1: Temperatura del flujo primario T2: Temperatura del flujo secundario T3: Temperatura de salida del eyector ɣe: Ratio de presiones 1 1 INTRODUCCIÓN El ciclo de comprensión mecánica es uno de los más utilizados en equipos de climatización. Su funcionamiento se basa en el intercambio de calor y energía de un fluido, a este fluido lo denominaremos refrigerante. En el proceso de compresión, el fluido se encuentra a baja presión y en estado de gas saturado mediante la comprensión aumentamos su presión y temperatura llevando al fluido a un estado de gas sobrecalentado, después pasa por un intercambiador de calor, condensador, con el que intercambia energía con el medio exterior o con otro fluido, a la salida del condensador su temperatura habrá disminuido encontrándose el fluido en la línea de vapor saturado, a continuación pasa por una válvula de expansión donde la presión disminuye a entalpia constante por lo que tendremos un fluido a menor temperatura y en estado bifásico. Por último pasa a través de otro intercambiador, evaporador, donde el medio exterior u otro fluido se enfría a costa del calentamiento del refrigerante, es decir el evaporador absorbe energía del medio o del fluido, el refrigerante a la salida del evaporador se encuentra a mayor temperatura y en un estado de vapor saturado, a la salida del evaporador solo debemos tener el fluido en estado gaseoso pues si existe algo de líquido nos puede dañar el compresor, esta es la razón por la que a veces a la salida del evaporador sobrecalentamos el refrigerante. El compresor necesita energía mecánica para funcionar. En la siguiente imagen veremos gráficamente el ciclo de comprensión mecánica. Figura 1: ciclo de comprensión mecánica. https://www.caloryfrio.com/aire-acondicionado/aireinstalaciones-componentes/sistemas-de-refrigeracion-compresion-absorcion.html En el evaporador y condensador se intercambia calor con algo exterior y en la compresión se intercambia trabajo. 2 Figura 2 Diagrama de Mollier P-H de un ciclo de compresión mecánica. https://www.luftechnik.com/aire-acondicionado/diagrama-de-mollier-y-el-ciclo-de-refrigeracion- mecanica/ Como hemos visto tenemos una parte a alta presión y otra a baja, para pasar de baja presión a alta necesitamos un comprensor que nos consumirá energía eléctrica, lo que estudiamos en este proyecto es la incorporación de un “aparato” que utilice la energía de la corriente de alta presión para subir la presión a la corriente de baja presión obteniéndose una corriente a presión intermedia, requiriéndose así menos energía del comprensor. Este “aparato” se denominara eyector. La corriente de alta presión puede provenir del mismo ciclo o bien de corrientes residuales que llevan mayor presión (energía) que la de baja, por lo que en vez de tirar esa energía la aprovecharemos para subir la presión de la corriente de baja y obtener una presión intermedia. Figura 3 Ciclo de comprensión mecánica con eyector. Eyector 3 Figura 4 Ciclo de compresión mecánica con eyector que utiliza una corriente residual de alta presión. El funcionamiento del eyector se explica mediante la mecánica de fluidos. Tenemos un flujo primario con alta energía, lo que significa que es la corriente de alta presión, este flujo primario pasa por una boquilla donde se acelera y a la salida de la boquilla tiene una velocidad supersónica, y su presión es menor que la de evaporación, lo que hará que la corriente del evaporador sea succionada por este flujo de alta presión, las velocidades de las corrientes se van igualando al igual que sus presiones, una vez igualadas las presiones sufren una onda de choque donde el flujo pasa a subsónico después pasa por un conducto convergente que hará que la velocidad disminuya para aumentar la presión de mezcla. El creciente estudio e interés por los eyectores se debe a su simplicidad de construcción, bajo coste de construcción y mantenimiento además de su larga vida, no tiene parte móviles y no tiene limitaciones de fluidos de trabajo. A pesar de que el rendimiento suele ser bajo, el factor que mas influye en su rendimiento es su geometría, también influyen sus fluidos de trabajo y las condiciones de operación. Figura 5 Diagrama esquemático de un eyector típico supersónico (1) Eyector 4 Al introducir un eyector en el ciclo esperamos que el rendimiento de este aumente haciéndolo más sostenibles con el medio ambiente, pues los sistemas de climatización cada vez son más utilizados y producen emisiones. Otro factor importante en este ciclo es el refrigerante que usa, teniendo una pequeña influencia en el rendimiento del ciclo. La elección de un fluido de trabajo apropiado es indispensable para el diseño del eyector. Los siguientes requerimientos deben ser considerados cuando se elige un refrigerante: (1) (2) (3) 1. Propiedades termo-físicas:  El fluido debe tener un alto calor latente de vaporización para minimizar el ratio de circulación por unidad de capacidad frigorífica.  La presión del fluido de alta presión no debería ser demasiado alta para permitir que la construcción del generador no sea demasiado robusta pues encarecerá la instalación, además minimizaremos la energía que necesita la bomba.  Las propiedades de transporte como la viscosidad y la conductividad térmica deben ser favorables  Los fluidos de trabajo con menos masa molecular requieren un eyector más grande para la misma capacidad. La dificultad de construir un eyector a escala pequeña debería ser considerada. Sin embargo una masa molecular grande hace que el ratio de masas aumente aumentando así la eficiencia del eyector. En resumen queremos un fluido de trabajo que tenga, alto calor latente en el rango de temperaturas del flujo primario y del secundario, una temperatura crítica relativamente alta, una presión de saturación que no sea excesivamente alta en el flujo primario y que no sea excesivamente baja en el flujo secundario y un volumen especifico bajo en estado de vapor. 2. Impacto medioambiental: debemos elegir un fluido que sea poco perjudicial para el medio ambiente en lo relativo al potencial de destrucción de la capa de ozono (ODP) y el calentamiento global (GWP). El GWP mide la capacidad de una sustancia para producir efecto invernadero o de calentamiento global del planeta 1. Seguridad, el fluido debe ser químicamente estable, no toxico, no corrosivo y no explosivo. 2. Económico y disponible en el mercado, debemos encontrar un fluido barato que esté disponible a la venta. Un fluido se puede clasificar en vapor seco y vapor húmedo, representados en la figura 6. (4) (5). Para un fluido de vapor húmedo su línea de vapor de saturación tiene una pendiente negativa en el diagrama T-S. Para un fluido de vapor seco la pendiente es positiva. En un fluido de vapor seco, cuando hay una expansión no hay cambio de fase, lo que es interesante para nuestro eyector porque cuando el fluido entra en la boquilla primaria del eyector una pequeña caída de presión podría hacer que apareciesen algunas gotas, lo cual afectaría negativamente al funcionamiento del eyector, esto se podría eliminar sobrecalentando el fluido antes de su paso por la boquilla, sin embargo el calentamiento del fluido nos hará que la eficiencia del eyector caiga, este es el motivo por el que es preferible elegir un fluido de trabajo (refrigerante) seco. 5 Figura 6 Proceso de expansión de un refrigerante a través de la boquilla primaria. (5) A) Fluido Húmedo B) Fluido Seco Basándonos en su composición química los refrigerantes pueden ser clasificados en: (1) 1. Halocarbonos, Clorofluorocarbonos (CFCs) (6) son productos mayoritariamente de origen antrópico, compuestos por carbono y ciertos halógenos tales como cloro, bromo, flúor e hidrógeno. Fueron usados en los años 30 para la refrigeración y luego como propulsores en aerosoles para fabricar espuma, etc. Los halocarbonos suben hasta la estratosfera donde son destruidos por los rayos ultravioleta, dejando libre a átomos de cloro que se encargan de destruir la capa de ozono. (7) Los Hidroclorofluorocarbonos (HCFCs) e hidrofluorocarbonos (HFCs) son compuestos de origen antrópico también que se están usando como sustitutos de los CFCs, se consideran transicionales pues también tienen efectos de gas invernadero, estos se degradan en la troposfera por acción de la fotodisociación. Los CFC son gases refrigerantes cuyas moléculas contienen átomos de cloro, flúor y carbono; los HCFC son gases refrigerantes cuyas moléculas contienen átomos de hidrógeno, cloro, flúor y carbono. Los HFC son gases refrigerantes cuyas moléculas contienen átomos de hidrógeno, flúor y carbono. Algunos de los refrigerantes que pertenecen a este grupo son: R11, R113, R114, R134a, R245ca, R245fa y R152a 2. Hidrocarburos HC (8) son los compuestos que resultan de la combinación de los elementos químicos carbono e hidrógeno. Los hidrocarburos surgen de la naturaleza. Algunos de los refrigerantes de este grupo son el metano (R50), etano (R170), propano (R290), ciclopropano (RC290), butano (R600), isobutano (R600a) y etileno glicol. 3. Compuestos refrigerantes como por ejemplo R407A, R407B y R410A 4. Otros refrigerantes como el agua (R718) el dióxido de carbono (R744) y el amoniaco (R717). En la siguiente tabla veremos las características de los principales refrigerantes. 6 Tabla 1 Características de los refrigerantes. Según las condiciones de trabajo del ciclo, es decir a las temperaturas que trabaje, tomaremos un fluido de trabajo u otro. Refrigerantes T. flujo primario T. flujo secundario T. salida R134a 80-103ºC 0-16ºC 27-43ºC R141b 70-100ºC 5-15ºC 30-50ºC R152a 90-113ºC 0-16ºC 27-43ºC R290 67-92ºC 5-15ºC 30-42.5ºC R600 72-122ºC 5-15ºC 30-47.5ºC R600a 72-111ºC 5-15ºC 30-45ºC R601 120-175ºC 7-15ºC 30.45ºC R601a 116-164ºC 7-15ºC 30-45ºC Tabla 2 Condiciones de operación según el fluido de trabajo. (4) Como se ve en la tabla el R134a es bueno cuando tenemos bajas temperaturas en el flujo primario, el 7 R600 cuando son temperaturas intermedias y el R601 para altas temperaturas. Según las referencias (4) (3) (9) el mejor fluido de trabajo es el propano, es el que mayor rendimiento tiene, debido a tener un ratio máximo de masa con el menor ratio de área. Además tiene la menor diferencia de incremento en el ratio de área cuando cambiamos la temperatura del primario 1ºC. Sus desventajas son que tiene la menor temperatura crítica y la mayor presión de vapor por lo que requerirá una construcción robusta, además se considera un fluido inflamable por lo que tendrá que llevar dispositivos de seguridad. Debido al gran uso de climatización, el cual contribuye en gran medida al elevado consumo energético mundial con sus correspondientes emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) asociadas, la Unión Europea (UE) presentó en Marzo de 2007 el plan sobre el cambio climático aprobado en el 2009 y con objetivo a 2020. El plan se centra en la reducción de emisiones de GEI, introducción de energías renovables y la eficiencia energética; con el objetivo a largo plazo de conseguir la des-carbonización (“low-carbon economy”) (10). Las medidas implantadas con el objetivo 2020 consisten en una reducción de las emisiones de GEI de un 20% en comparación con los niveles de 1990, una mejora de la eficiencia energética del 20% respecto al consumo final y una introducción de energías renovables en el mix energético del 20% también respecto al consumo final de energía. Tomando como base los objetivos para el 2020, en octubre de 2014 se adoptan los objetivos de la UE para el 2030. Estos, de forma similar a los de 2020, consisten en una reducción de los GEI del 40% respecto a los niveles de 1990, una introducción del 27% como mínimo de las energías renovables en el consumo final de la UE y una mejora de la eficiencia energética del 27% como mínimo (10). Finalmente, la UE presenta su estrategia a largo plazo para 2050 en noviembre de 2018 con el objetivo de conseguir la des-carbonización casi completa de la economía. El objetivo consiste en haber reducido un 80-95% los GEI en relación con los niveles de 1990 en todos los sectores, previa reducción del 60% en 2040, y sin acudir a créditos internacionales. Según la UE, el sector de producción y distribución de electricidad podría eliminar totalmente las emisiones de CO2 para 2050, el sector transportes podría alcanzar una reducción del 60 % respecto a los niveles de 1990, el sector residencial con los edificios de consumo casi nulo, la renovación de edificios antiguos y la sustitución de los combustibles fósiles por electricidad y las energías renovables podría reducir casi al completo sus emisiones, sobre el 90% para el 2050. Finalmente, el sector industria podría alcanzar una reducción de emisiones del 80% para 2050, con una mayor eficiencia energética y con las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono. Respecto al sector de la refrigeración, el instituto internacional de la refrigeración (IIR) elaboró en noviembre de 2017 una nota informativa acerca del impacto del sector sobre el cambio climático (11). De acuerdo al IIR, dicho sector es responsable del 7.8% de las emisiones de GEI, incluyendo equipos de aire acondicionado, bombas de calor y criogenia. Las emisiones del sector pueden venir bien de las emisiones de gases refrigerantes a la atmosfera por fugas, conocidas como emisiones directas, o bien por las emisiones producidas en la generación de la energía que estos sistemas consumen, las emisiones indirectas. Considerando el total de emisiones del sector, el 37% se debe a las emisiones directas debida a los refrigerantes y el 63% restante se debe a las emisiones indirectas. Según el IIR, se espera un crecimiento del sector, sobre todo en países desarrollados, por lo que resulta de gran importancia limitar el impacto del sector sobre el cambio climático para tener un crecimiento sostenible. El IIR recomienda continuar con las políticas de reducción y eliminación de los refrigerantes CFCs (clorofluorocarbonos) y HCFCs (hidroclorofluorocarbonos) para todas las regiones en las cuales no se hayan prohibido todavía, e implementar políticas de control de emisiones de refrigerantes con elevado poder de calentamiento atmosférico (PCA), los HFCs (hidrofluorocarbonos), apostando por los refrigerantes con bajo PCA que presentan una eficiencia energética comparable o superior que ayuda a reducir las emisiones directas asociadas del sector. Con el objetivo de reducir las emisiones indirectas del sector, el IIR recomienda continuar con la investigación para incrementar la eficiencia energética, limitar sus pérdidas energéticas asociadas con equipos de recuperación de calor, aislamiento etc. y hacer un uso racional de los equipos, así como implementar sistemas de control inteligentes (11). 8 El protocolo de Montreal, en 1987, fue el primer acuerdo para la protección de la capa de ozono. En dicho protocolo se fijaron las pautas para la reducción progresiva y eliminación del uso de CFCs que posteriormente fue modificado en Londres 1990, fechado en 1996 para países desarrollados y en 2010 para subdesarrollados. Se procedió de forma similar con los HCFCs, introduciendo en Montreal en 2007 una modificación siendo 2020 la fecha de eliminación progresiva del consumo de los HCFCs para países desarrollados y 2030 para subdesarrollados. Finalmente se fijó una tasa de reducción de producción de HFCs, modificada en Kigali en 2016, del 85% para 2036 para países desarrollados y del 80-85% para 2045-2047 para países subdesarrollados. En 1997, el protocolo de Kyoto fija el compromiso a limitar y reducir las emisiones de GEI de 6 gases: CO2, N2O CH4, SF6 y gases fluorados, HFC y PFC. Previo al acuerdo de Kigali, la UE en 2015 publicó la regulación F-gas reemplazando a la original publicada en 2006. (12) De las políticas comentadas de la UE surgen, en relación con los equipos de refrigeración, bomba de calor y criogenia, las siguientes regulaciones con el objetivo de cumplir los objetivos citados: regulación sobre el etiquetado energético, sobre el diseño ecológico de los equipos y sobre los gases fluorados de efecto invernadero. (13) La regulación sobre etiquetado energético de la UE tiene el objetivo de informar al usuario del consumo energético del producto y compararlo con el resto, y así invitar a las empresas a invertir en el desarrollo y diseño de productos de bajo consumo. Todos los productos vendidos en la UE y para los que exista el requisito, entre ellos equipos de refrigeración para uso profesional y aparatos de aire acondicionado, deben ir provistos de la etiqueta y además en una posición claramente expuesta. Respecto a la regulación sobre diseño ecológico de la UE el objetivo es el de incrementar la eficiencia energética de los equipos consumidores de energía, entre ellos los equipos de aire acondicionado. Para ello, esta regulación impone unos requisitos mínimos de eficiencia energética que son los llamados requisitos de diseño ecológico. Estos requisitos pueden ser específicos, cuando se miden los valores exactos y se fija un límite como el rendimiento estacional en el caso de los equipos de bomba de calor, y unos requisitos genéricos, en los que no se establecen valores límites, pero si se puede exigir que sea un producto reciclable, eficiente, que se facilite información sobre la utilización y mantenimiento etc. (13) Finalmente, la regulación F-gas tiene los objetivos de limitar la cantidad total de gases fluorados (F- gas) y con un alto PCA reduciéndolos a un 20% para 2030 respecto a los niveles de 2014 (14) (15). Dicha regulación prohíbe: ● Fluido refrigerante de frigoríficos y congeladores domésticos con HFC y un PCA superior a 150 para el 2015. ● Fluido refrigerante de frigoríficos y congeladores de uso comercial con HFC y un PCA superior a 2500 para 2020 y con PCA superior a 150 para 2022. ● Fluido refrigerante de aparatos fijos de refrigeración con HFC con PCA superior a 2500 para 2020, excepto para los destinados a refrigerar productos a temperaturas inferiores a - 50C. ● Fluido refrigerante de centrales frigoríficas multi-compresor compactas para uso comercial con capacidad igual o superior a 40 kW con PCA igual o superior a 150 para 2022, excepto en los circuitos refrigerantes primarios de los sistemas en cascada cuya limitación será con un PCA de 1500. ● Fluido refrigerante de aparatos portátiles de aires acondicionados para espacios cerrados con PCA igual o superior a 150 para 2020. ● Fluido refrigerante de sistemas partidos simples de aire acondicionado con una carga menor de 3 kg con PCA igual o superior a 750 para 2025. ● Espumas con PCA igual o superior a 150 de poliestireno extruido para 2020 y otras espumas para 2023. ● Aerosoles técnicos con PCA igual o superior a 150 para 2018. (15) 15 propano presenta un menor impacto sobre el medioambiente, con un menor valor de PCA, además la tecnología de propano se desarrolla en Europa siendo esto un aspecto socio-económico importante para las empresas. Ocurre que no hay una gran disponibilidad de HFOs, las cantidades son limitadas y el refrigerante resulta caro, el conocimiento y la experiencia acerca de este tipo de refrigerantes es limitado y los compresores no están disponibles. En cambio, el propano presenta un problema actualmente que es el límite de carga por seguridad a 150 gr, pero dicho límite se espera que aumente este mismo año a 500 gr, lo cual resulta ideal para las máquinas del sector de refrigeración comercial ligera. Algunas empresas dentro del sector de aire acondicionado comercial siguen la tendencia principal de cambio a R32. En cambio, el refrigerante R32 presenta el problema de que resulta a largo plazo una solución intermedia dado su elevado valor de PCA y la elevada temperatura de descarga que presenta, lo que hace que no resulte apropiado para climas cálidos o producción de agua caliente sanitaria. Además, resulta un problema desde el punto de vista socioeconómico, puesto que la tecnología para R32 se produce fuera de Europa, en Asia y la experiencia con este tipo de refrigerante es reducida y hay dudas sobre fuentes de ignición y las piezas para este refrigerante no están ampliamente disponibles si no que se empezaron a incorporar en 2015. 16 2 REVISIÓN ESTADO DEL ARTE N este capítulo nos centraremos en hacer un revisión bibliográfica de los tipos de eyectores. En un primer momento los clasificaremos según el tipo de boquilla o nozzle, el estado de las corrientes primaria y secundaria que entran en el eyector, la posición del nozzle o boquilla, funcionamiento critico o subcrítico del eyector que tendrá conexión con el tipo de nozzle y si tenemos un nozzle fijo o variable. En una segunda parte nos centraremos en ver cómo afectan los parámetros geométricos y las condiciones de funcionamiento al rendimiento del eyector. Para concluir con este capítulo haremos una revisión de las medidas geométricas que debería tener un eyector según su fluido de trabajo el cual determinará sus condiciones operacionales. 2.1 Clasificación de eyectores Los eyectores se pueden clasificar siguiendo varios parámetros, los elegido en este trabajo han sido los siguientes: tipos de nozzles, es decir si son convergentes o convergentes-divergentes, según la posición del nozzle, si tienen funcionamiento crítico o subcrítico, según las fases de los fluidos y si el eyector es de nozzle fijo o variable. Antes de empezar con la clasificación pondremos una figura esquemática de las diferentes partes de un eyector. Consta principalmente de cuatro partes, la boquilla primaria o de absorción, la boquilla secundaria o cámara de succión, la zona o cámara de mezcla y el difusor. Figura 9 Eyector con sus diferentes partes (22) E Lo escuché y lo olvidé, Lo vi y lo entendí, Lo hice y lo aprendí. - Confucio - 17 2.1.1 Tipos de boquilla El artículo de Giorgio Besagni 2015 (4) nos describe las diferentes boquillas que nos podemos encontrar en un nozzle, así como sus características. Además en los artículos J.Sakar 2012 (23) y Aphornratana 2003 (22) toman esta clasificación para estudiar los diferentes eyectores. 2.1.1.1 Boquilla convergente (4) Podemos tener una boquilla que sea convergente, esto supondrá que el fluido está en condiciones subsónicas, es decir el fluido tiene menor velocidad que la velocidad del sonido, por lo que la información se propaga aguas arriba. Este tipo de boquilla no comprime demasiado pero tiene pequeñas perdidas, se suele utilizar en refrigeración de eyectores de CO2 transcrítico. Figura 10 Eyector con boquilla convergente (24) 2.1.1.2 Boquilla convergente - divergente (4) Si el eyector presenta una boquilla con parte convergente seguida de una divergente, tendremos el fluido en régimen supersónico, siendo la velocidad del fluido mayor que la del sonido en ese ambiente. La unión de la zona convergente con la divergente formará la garganta que será la que nos hará pasar de régimen subsónico a supersónico al producirse una onda de choque. Este tipo de boquilla nos proporciona mayor comprensión, es decir mayor diferencia de presiones entre el flujo primario y el secundario. Un ejemplo de eyectores con boquillas convergente-divergente sería la figura 9. 2.1.2 Tipos de cámaras de mezclas En las referencias (22) (4) (23) se propone una clasificación según el tipo de cámaras de mezcla, distinguiendo entre cámaras de área constante (CMA) y cámaras de mezcla de presión constante (CPM). Aunque Eames (25) realiza un estudio sobre un eyector cuya cámara de mezcla es de velocidad constante y de momento variable (CMRC), buscando combinar los mejores aspectos del CPM y del CMA. 2.1.2.1 Cámara de mezcla de área constante. En los artículos (4) (23) nos indican que la salida de la boquilla primaria se encuentra en una sección de área constante ocurriendo ahí el proceso de mezcla, Besagni (4) incluye más información, aportando que CMA tiene una mayor capacidad de arrastre de masa, es decir que obtendremos un ratio de masa mayor, pero tendremos un menor rendimiento. 18 Figura 11 Cámara de mezcla de área constante. (22) 2.1.2.2 Cámara de mezcla de presión constante. En los artículos (4) (23), nos indican que la salida de la boquilla primaria se encuentra enfrente de la cámara de succión, ocurriendo el proceso de mezcla en la cámara de succión, además Besagni (4) indica que CPM es más flexible para un rango amplio de presiones a la salida del eyector. Figura 12 Cámara de presión constante. (22) 2.1.2.3 Cámara a velocidad constante y momento variable. Eames (25) formula un método que asume el momento de velocidad constante en el difusor. Los resultados teóricos indican una mejora en el ratio de masa y en el ratio de presiones. El método de CRMC nos da una geometría del difusor que elimina el proceso de bloqueo en el difusor en un punto de diseño de las condiciones de operación. Esto permite que el momento del flujo cambie a velocidad constante mientras pasa por el difusor, lo que permite que la presión estática aumente gradualmente desde la entrada a la salida evitando las pérdidas de presión total asociadas al proceso de onda de choque de los difusores convencionales. Figura 13 Eyector de velocidad constante a momento cambiante (25) 19 2.1.3 Modo de funcionamiento del eyector. (4) El modo de funcionamiento del eyector dependerá de la presión de salida y de las condiciones del flujo primario y secundario. 2.1.3.1 Eyector subsónico. Para un eyector subsónico existen tres regiones: 1. Funcionamiento crítico, existe una onda de choque en el flujo primario, el ratio de masas queda constante 2. Funcionamiento subcrítico, no tenemos onda de choque en el primer flujo y el ratio de masas tiene una gran dependencia de la presión de salida 3. Mal funcionamiento o flujo inverso, la presión de salida al condensador es tan alta que le flujo secundario se invierte a causa de este mal funcionamiento. Figura 14 Regiones de funcionamiento de un eyector subsónico. A) Fijamos la presión primaria B) fijamos la presión de salida (4) 2.1.3.2 Eyector supersónico Para un eyector supersónico también tendremos tres zonas de funcionamiento dependiendo de la presión de salida. 1. Funcionamiento crítico, tanto el flujo primario como el secundario sufren onda de choque y el ratio de masa no dependerá de la presión de salida 2. Funcionamiento subcrítico, el flujo primario sufre una onda de choque pero el secundario no, el ratio de masa dependerá de la presión de salida 3. Mal funcionamiento o flujo inverso la presión de salida es tan alta que el fluido secundario se invierte, no cumpliendo su función el eyector. Figura 15 Regiones de funcionamiento de un eyector supersónico. A) Fijamos la presión del flujo primario. B) Fijamos la presión de salida. 20 2.1.4 Según la fase de los fluidos Los flujos de eyector se pueden encontrar en fase gaseosa o liquida, dependiendo de estas fases se podrán clasificar según la siguiente tabla. El eyector más común es aquel que el flujo primario es en fase líquida y el secundario en fase gaseosa. Nº de fases Flujo primario Flujo secundario Flujo de salida Nombre del eyector Características 1 Vapor Vapor vapor Vapor jet Posible flujo bifásico. Posible ondas de choque 1 Liquido Liquido Liquido Liquido jet No tiene ondas de choque. No existe flujo bifásico 2 Vapor Liquido Liquido Jet de condensación Flujo bifásico con condensación del primario. Onda de choque 2 Liquido Vapor 2 fases Jet 2 fases Jet pump Flujo bifásico Posible onda de choque Tabla 6 Clasificación de eyectores según las fases de sus flujos. (4) 2.1.5 Eyectores fijos y variables Dependiendo de las condiciones de operación tendremos una geometría del eyector u otra, (se verá con más detalle en el siguiente punto), esto nos llevara a que cuando cambien las condiciones de operación tengamos que cambiar la geometría del eyector. Hay algunos eyectores que nos permiten cambiar su geometría. La geometría puede cambiar haciendo que el diámetro de la garganta sea mayor o menor dependiendo de la posición de una aguja que se introduce en la boquilla primaria. Figura 16 Geometría de la boquilla primaria de un eyector variable. (26) Otra forma de cambiar la geometría del eyector es con una boquilla primaria móvil que nos permitirá adaptar el NXP a las condicione se trabajo. Diversos estudios recomiendan un eyector variable ya que nos proporcionara un rendimiento mayor que un eyector fijo porque es capaz de adaptarse a las diferentes condiciones de trabajo. Según Paulo R. Pereira (27) para un condensador de 3 bar aumenta un 80% el rendimiento al usar un eyector variable. 21 2.2 Influencia de los parámetros del eyector en su rendimiento. Las condiciones de operación y la geometría del eyector influyen en el rendimiento. En esta sección veremos un primer apartado del rendimiento de cada parte del eyector, es decir, el rendimiento del nozzle, de la cámara de succión, de la cámara de mezcla y del difusor, después veremos la influencia de los parámetros geométricos y operacionales en el rendimiento total del eyector, por último haremos una tabla de las medidas geométricas de los eyectores según sus condiciones y fluidos de trabajo. 2.2.1 Rendimiento de las diferentes partes del eyector Xiao Wang (28) estudia la eficiencia de los componentes de un pequeño eyector de dos fases. Los componentes del eyector estudiado son la boquilla primaria o boquilla motriz, la cámara de mezcla y el difusor, sus rendimientos cambiaran al variar los parámetros geométricos del eyector así como las condiciones de operación. El eyector de estudio es subsónico, es decir la boquilla primaria es convergente. Los parámetros estudiados para ver su influencia en la eficiencia de las partes del eyector son los siguientes: 1. Ratio de presión tomado como el cociente de la presión de entrada del flujo primario con la presión de entrada del flujo secundario. 2. Ratio de diámetro descrito como el cociente del diámetro de salida del flujo primario con el diámetro de la cámara de mezcla. 3. NXP, la distancia que existe desde la salida de la boquilla primaria hasta la entrada de la cámara de mezcla. Los resultados obtenidos para la eficiencia de la boquilla primaria evaluando esos parámetros son: 1. La eficiencia incrementa con el aumento del ratio del diámetro 2. La eficiencia disminuye con el aumento del ratio de presiones. Es el parámetro mayor sensibilidad en la eficiencia de la boquilla primaria. 3. NXP no influye demasiado en esta eficiencia. Otro parámetro a tener en cuenta en la evaluación de la eficiencia de la boquilla primaria es el hecho de la calidad o título de vapor del fluido primario (Xp1), ya que el flujo primario será un flujo bifásico en este caso. El ratio de presiones aumentará a mayor título de vapor pero el ratio de masas (flujo secundario/flujo primario) disminuirá. La eficiencia de la boquilla incrementara con el título de vapor. A las conclusiones llegadas tras el estudio de la eficiencia de la cámara de mezcla son: 1. Cuando el ratio de presiones está por debajo de 3 la eficiencia aumenta con el ratio de presiones. Si este ratio es mayor la eficiencia no varía. A ratios pequeños tiene gran dependencia. 2. Sufre una disminución cuando aumentamos el ratio de diámetros. 3. NXP tiene poca influencia La influencia de estos parámetros en la eficiencia del difusor comparada con las otras eficiencias tiene relativamente poca importancia. Las conclusiones obtenidas son: 1. Sufre una disminución casi lineal con el aumento del ratio de presiones. La eficiencia será mayor cuanto menor sea el ratio de presiones 2. Con el aumento de ratio de diámetros muestra un suave incremento. 3. Al aumentar NXP la eficiencia muestra una disminución casi lineal. 22 Figura 17: Eficiencia de la boquilla primaria con la variación del ratio de presiones para ratios de diámetros y NXP diferentes (28) Figura 18: Eficiencia de la boquilla primaria con la variación del ratio de diámetros para ratios de presión y NXP diferentes (28) 23 Figura 19: Eficiencia de la boquilla primaria con la variación de NXP para ratios de presión y diámetros diferentes (28) Figura 20: Efectos del titulo de vapor en el rendimiento de un eyector. (28) 24 Figura 21: Eficiencia de la cámara del mezcla con la variación del ratio de presiones para diferentes ratios de diámetros y NXP (28) Figura 22: Eficiencia de la cámara de mezcla con la variación del ratio de diámetros para diferentes ratio de presiones y NXP (28) 31 𝐶𝑂𝑃 = 𝑄𝑒 𝑄𝑔 =𝜇∗∆h𝑒 ∆h𝑝 Q�e:�Calor absorbido en el evaporador Δhe: Salto de entalpía en el evaporador Q�g:�Calor del flujo primario Δhs: Salto de entalpía del flujo primario El artículo de S. Vargas (3) nos muestra cómo influyen en el rendimiento del eyector tres factores geométricos que son: área efectiva (área de la garganta entre área de la cámara de mezcla), NXP y longitud de la cámara de mezcla. El valor de NXP tiene influencia en el ratio de masa y en la presión de salida, la longitud de la cámara de mezcla solo influye en la presión de salida del eyector. El ratio de masas se ve afectado por las condiciones de operación y la geometría del eyector. El ratio de áreas está influenciado por el ratio de masas y la presión crítica. Figura 31 Influencia del ratio de masa en el ratio de área del eyector cuando las presiones del primario y de salida cambian. (3) La presión crítica es la presión de salida por debajo de la cual el ratio de masas permanece constante (funcionamiento crítico). La presión crítica de salida está influenciada por el ratio de áreas, a mayor ratio de áreas menor presión crítica pero mayor ratio de masa, si el ratio de áreas disminuye la presión crítica aumentará pero el ratio de masa disminuirá, como se ve en la figura 32. 32 Figura 32 Influencia de la presión crítica con el ratio de área. Otro parámetro que afecta a la presión crítica es el NXP, además este parámetro también afecta al ratio de masa, un valor óptimo de NXP nos proporcionara una mayor presión crítica y un mayor ratio de masa. La longitud de la cámara de mezcla no influye en el ratio de masa, además tiene una pequeña influencia en la presión crítica de salida. El único requisito que tiene que cumplir este parámetro es que tiene que tener una longitud suficiente para que se forme en la cámara de mezcla la onda de choque, así obtendremos la máxima presión crítica y el máximo ratio de masas. Figura 33 Influencia de la longitud de la cámara de mezcla con el ratio de masa y la presión critica. El artículo de Yinhai Zhu (30), estudia el valor óptimo de dos parámetros geométricos importantes en el rendimiento del eyector, estos parámetros son: la posición de salida de la primera boquilla (NXP) y el ángulo convergente de la cámara de mezcla (α). Realizó 95 geometrías de eyectores diferentes y estudio 210 veces el comportamiento del eyector combinando la geometría con diferentes condiciones de trabajo. Los resultados obtenidos fueron: 1. NXP: debería ser seleccionado para que el flujo secundario se acelerara adecuadamente con el primario en la cámara de mezcla teniendo bajas pérdidas por fricción y energía cinética 33 durante el proceso de mezcla. Generalmente el rendimiento mejora cuando la boquilla primaria se aleja de la cámara de mezcla. La posición óptima del NXP se encontró entre 1,7 y 3,4 de la longitud del diámetro de la cámara de mezcla aguas arriba de donde empieza la sección de mezcla cuando la presión del flujo primario esta entre 6 y 4.5 bar. El óptimo de NXP es proporcional al diámetro de la cámara de mezcla e incrementa cuando la presión del flujo primario aumenta. 2. El ángulo convergente de la sección de mezcla es muy sensible en el rendimiento del eyector especialmente cerca del valor óptimo y una pequeña variación en él tiene gran influencia en el rendimiento. Cuando NXP está dentro de su rango optimo, el ángulo convergente está entre 1,45º y 4,2º con la presión del primario entre 4,5 a 6 bar. El ángulo debería aumentar cuando la presión del primario aumenta para maximizar el rendimiento El autor Jia Yan (31) estudia la influencia de 6 parámetros geométricos en el rendimiento para unas condiciones de operación, fija la temperatura de salida (compresor) y la del flujo primario (generador), la temperatura del flujo secundario (evaporador) es variable. Los parámetros estudiados son el ratio de área, NXP, el ángulo divergente de la boquilla primaria, el ángulo convergente de la sección de mezcla, la longitud de la cámara de mezcla y la longitud del difusor. 1. Ratio de área: el ratio de masa primero aumenta y luego disminuye para un aumento de ratio de área. Los resultados indican que el rendimiento del eyector es muy sensible al ratio de área por lo que el ratio de área debería ser diseñado cuidadosamente conociendo las condiciones de operación. Figura 34: Efectos del ratio de área en el rendimiento del eyector para diferentes temperaturas del flujo secundario. (31) 2. NXP, el ratio de masa primero aumenta y después disminuye. Igual que el ratio de áreas si no está en su rango óptimo no puede tener un buen rendimiento el eyector, es un parámetro de gran sensibilidad en el rendimiento del eyector. 34 Figura 35: Efectos del NXP en el rendimiento del eyector para diferentes temperaturas del flujo secundario (31) 3. Ángulo divergente de la boquilla primaria, la curva del rendimiento es bastante plana por lo que su influencia en el rendimiento es menor que la de los parámetros anteriores. Figura 36: Efectos del angulo divergente de la boquilla en el rendimiento del eyector para diferentes temperaturas del flujo secundario (31) 4. Ángulo convergente de la cámara de mezcla no tiene mucho peso en el rendimiento. 35 Figura 37: Efectos del ángulo convergente de la sección de mezcla en el rendimiento del eyector para diferentes temperaturas del flujo secundario (31) 5. Longitud de la cámara de mezcla, tiene menos importancia en el rendimiento del eyector que los otros parámetros Figura 38: Efectos de la longitud de la sección de área constante en el rendimiento del eyector para diferentes temperaturas del flujo secundario (31) 6. Longitud del difusor no tiene peso en el rendimiento del eyector 36 Figura 39: Efectos de la longitud del difusor en el rendimiento del eyector para diferentes temperaturas del flujo secundario (31) (29) La eficiencia del eyector aumenta con un aumento del ratio de masas y cuanto mayor sea NXP menor será el rendimiento. Figura 40: Eficiencia del eyector para ratios de área y diferentes NXP (29) La revisión bibliográfica de Bourhan (32) nos resume que NXP es uno de los factores geométricos que alteran más el rendimiento del eyector porque afecta la ratio de masas y a la presión crítica de salida. NXP tiende a estar más cerca de la cámara de mezcla cuando la presión primaria disminuye y la presión de salida aumenta, además varía según otros factores geométricos. El ratio de áreas también tiene una gran influencia en el rendimiento, un aumento en el ratio de área genera un aumento en el ratio de masa, mejorando la succión del flujo secundario, pero el ratio de compresión se vería afectado negativamente y la presión critica bajaría. En general un aumento del ratio de masa incrementa de forma lineal con un aumento del ratio de área. Un incremento en el ratio 37 de áreas podría cambiar la onda de choque fuera de la sección constante guiando a una mejora en el ratio de masa. Un ángulo convergente recomendable de la sección de mezcla varía desde 0.5º a 28º, esto puede ser debido a la variedad de eyectores, fluidos refrigerantes y condiciones de operación La longitud de la cámara de mezcla juega un papel fundamental en controlar la intensidad de la onda de choque dentro dela cámara de mezcla. La longitud óptima se sintoniza cerca del flujo sónico para un flujo mezclado maximizando la salida de la presión. La presión crítica aumenta con el ratio Lm/Dm. En la siguiente tabla veremos los valores óptimos recogidos en la revisión de Bourhan (32) Tabla 8 valores de NXP y ratio de área (32) 38 Tabla 9 valores de otros parámetros geométricos del eyector (32) 2.2.3 Influencia de las temperaturas del primario, secundario y de salida del eyector en su rendimiento. Los artículos de Giorgio Besagni (2) y Roman (9) estudian la influencia de las temperaturas en el rendimiento del eyector. Si el rendimiento del eyector crece, significa que el ratio de masa y el COP aumentan. Para estudiar la influencia de las temperaturas tendremos la misma potencia en todos los casos, esto quiere decir que el flujo del secundario permanece constante. 1. Influencia de la temperatura del flujo primario para unas temperaturas del secundario y de salida fijas. Si aumentamos la temperatura, el ratio de masa y el COP aumentan, porque al aumentar la temperatura, la presión y la entalpia también aumentaran, por lo tanto se necesitara menos flujo primario, lo que significa que el ratio de masa aumenta ya que el flujo secundario queda igual. El ratio de área también incrementa porque el flujo primario disminuye por lo tanto el diámetro de la garganta se hace más pequeño. 2. Influencia de la temperatura del secundario para una temperatura del primario y de salida fijas. El ratio de masa aumenta porque el flujo secundario permanece casi invariable y el flujo primario disminuye en mayor medida, porque ahora el secundario tendrá más presión y no será necesario re-comprimirlo tanto, el ratio de área aumenta porque la menor reducción del secundario hace que el diámetro de la cámara de mezcla aumente más que el diámetro de la garganta. 3. Influencia de la temperatura de salida, para un eyector fijo el ratio de masa es independiente a la temperatura de salida cuando la presión de salida es menor que la crítica, un aumento de la temperatura que me lleve a una presión mayor que la crítica hará que el ratio de masas decaiga rápidamente. Para un eyector variable un aumento de la temperatura de salida nos lleva a una disminución del ratio de masa, lo que supone menos flujo secundario. 39 El COP sigue la misma tendencia que el ratio de masa ya que están relacionados. Un aumento en la temperatura del primario y una disminución en la temperatura de la salida son beneficiosos para el rendimiento del eyector. La temperatura del flujo secundario no tiene tanta importancia, aunque es conveniente que aumente. Figura 41: Influencia de la temperatura del primario (TGE) con el ratio de masa (U) y el ratio de áreas (Φ) para una temperatura del secundario (TEV) y de salida (TCO) fijas y para diferentes fluidos de trabajo. (9) Figura 42: Influencia de la temperatura de salida (TCO) con el ratio de masa (U) y el ratio de áreas (Φ) para una temperatura del primario (TGE) y del secundario (TEV) fijas y para diferentes fluidos de trabajo. (9) 40 Figura 43: Influencia de la temperatura de secundario (TEV) con el ratio de masa (U) y el ratio de áreas (Φ) para una temperatura del primario (TGE) y de salida (TCO) fijas y para diferentes fluidos de trabajo. (9) En el artículo de R. Yapici (33) toma como el parámetro más importante para evaluar el rendimiento del eyector el coeficiente de rendimiento del ciclo de refrigeración (COP): 1. este parámetro incrementa casi linealmente con la temperatura del flujo secundario, 2. el óptimo del ratio de áreas incrementa casi linealmente con la temperatura del flujo primario. La temperatura óptima del flujo primario se determina experimental y teóricamente para unas condiciones de trabajo del flujo primario y secundario. Para un ratio de área dado existe un óptimo de la temperatura del flujo primario con un máximo COP. El COP sufre una caída bastante importante cuando la temperatura del flujo primario está por debajo de la temperatura óptima de su ratio de área. 2.3 Dimensiones de los eyectores. En esta sección recopilaremos las medidas geométricas, las condiciones de trabajo y los fluidos de trabajo de diferentes eyectores, realizando una tabla con los datos normalizados para todos ellos. 47 En el artículo de Yunxiang Li (36) se estudia como varía la temperatura del flujo secundario (te), al variar parámetros como Dt (diámetro de la garganta del primer nozzle), Lc (longitud del tubo del evaporador) y CA(masa de refrigerante en el sistema). Un primer análisis se hace con Lc=20mm, una P=400W y un CA=200g. Dt disminuye desde 1- 0.7mm, por lo tanto disminuye la presión de condensación y de evaporización siendo sus valores, Pe=P7=193.9-147.5Kpa y Pc=P4=219-161.6Kpa. Un segundo estudio se hace con P=400W, Dt=1mm y CA =170g. Si aumento Lc=20-60mm la Pe=P7=184.7-178.8KPa, la presión de condensación (la de salida) no cambia al variar Lc. Hemos tomado Dt =1 y las condiciones operacionales siguientes: Capacidad P1/T1 P2 P3 Ratio de masa 0.4 Kw - 193.9Kpa 219Kpa 0.97 Figura 52 Influencia de la carga de refrigeración con el ratio de masa y presiones. Figura 53 Variación de la masa primaria y secundaria con la carga de refrigerante a diferentes Lc. 48 Los parámetros geométricos nos vienen dados en la figura 51. Figura 54 Parámetros geométricos (36) En el texto de Paulo R. Pereira (27) estudia el rendimiento de un eyector de geometría variable (VGE), el ratio del área va cambiando según la posición de la aguja que se inserta en el nozzle primario. Los parámetros estudiados en el rendimiento de este eyector son la posición de la aguja (SP) y la presión a la salida del eyector. Las condiciones de operación son temperatura del primario y del secundario, Tg=83ºC y Te=9ºC. 49 Figura 55 Esquema del sistema (27) En la figura 52 podemos ver el esquema del sistema el cual tiene el eyector. Este sistema consta de tres subciclos. El generador forma un ciclo, donde el calentador eléctrico, proporcionando una potencia de 6kW. El condensador forma otra ciclo, el chiller da una potencia de 1.4 kW. Por último el evaporador será el ciclo que nos falta, el baño térmico tiene una potencia de 2kW. El objetivo principal es demostrar los beneficios en el rendimiento al incorporar un eyector de geometría variable. Las condiciones de operación son las siguientes: Capacidad P1/T1 P2/T2 P3/T3 Ratio de masa 1.4 Kw 10bar/83ºC 2bar/9ºC 3.48KPa/24.7ºC 0.72 El eyector con su geometría lo vemos en la siguiente imagen: Figura 56 Geometría del eyector (27) Los ángulos han sido calculados mediante las relaciones trigonométricas. 50 2.3.1 Tabla normalizada de los parámetros de mayor influencia en el eyector. Una vez recogidos todos los valores geométricos de la bibliografía nos dispondremos a normalizarlos, obteniendo los parámetros de mayor influencia en el rendimiento del eyector, estos son el ratio de áreas y el NXP. 51 Parámetros S. Varga (3) S. Taslimi (34) K. Banasiak (35) Lixing Zheng* (29) Yinhai Zhu (30) Jia Yan (31) Shengyu Li* (24) R.Yapici (33) Yunxiang Li (36) Paulo R. Pereira (27) Fluido Vapor de agua CO2 CO2 CO2 R141 R134 R134 R123 R290 R600a Ratio de presiones - 1.16 1.2 2 - - 1.1 1.1 - 1.13 1.74 Ratio de masa 0.33 0.568 0.42 0.73 0.52 - 0.878 0.886 - 0.97 0.72 Ratio de área 22 4.8 9.8 1.9 8.16 4.32 4 8.16 9.9 9 3 NXP 6 2.6 2.5 8.4 18 8.25 16 26 5 8 10 αp1 - 15º 15º 25º 10º - 9º 5º - 6.5º 10º αp2 4º 2.5º 1º N.E 3º 5º N.E N.E 5º 6.5º 2.3º αs 4º 38º 21º 10º 2º 3.4º 0º 0º - 22.5º 3.5º αd 5º 2.5º 2.5º 7º 10º 2º 1.12º 5º 5º 4.7º 1.5º *son eyectores subsónicos, es decir su boquilla es convergente. Tabla 11 Tabla normalizada con los parámetros con mas influencia en el eyector 52 3 ESTUDIO DE UN CASO, ARMARIO FRIGORÍFICO DE BAJA TEMPERATURA N este capítulo nos centraremos en el estudio de un ciclo de refrigeración de un armario de baja temperatura para el mantenimiento de congelados. El refrigerante que vamos a emplear es R290 que actualmente tiene una limitación de carga de 150 gr, aunque esta limitación está prevista que cambie el año próximo a 500 gr. Primero veremos las condiciones de trabajo del ciclo, después determinaremos los tres diámetros principales del eyector, seguidamente calcularemos el resto de la geometría tomando datos de las referencia bibliográficas además de realizar los cálculos necesarios. Por último compararemos los resultados geométricos de nuestro eyector con la geometría de la bibliografía. 3.1 Ciclo y condiciones operacionales La aplicación de demostración va a ser un armario de catering de baja temperatura con 600 litros útiles de capacidad y una potencia frigorífica estimada de 650 W. La condensación y la evaporación van a ser ventiladas con baterías de tipo tubo y aleta. Las temperaturas ambientes de funcionamiento del equipo irán desde los 25ºC a los 40 ºC. El diagrama del ciclo p-h lo vemos en la figura 54, y en las siguientes tablas veremos las condiciones de trabajo del ciclo sin eyector. E Tened paciencia y tendréis ciencia. - Baltasar Gracián - 53 Figura 57: Diagrama p-h del ciclo de comprensión mecánica del armario de baja temperatura Las condiciones de operación del ciclo sin eyector, es decir con expansión directa son las siguientes: Presión de condensación [kPa] 1534 Temperatura de condensación [ºC] 45 Presión de evaporación [kPa] 167.0 Temperatura de evaporación [ºC] -30 Rendimiento del compresor [%] 70 Subcooling [K] 0 Superheat [K] 0 Refrigerante R290 Los resultados que se obtienen de este ciclo son: Capacidad frigorífica del evaporador [W] 650.9 Potencia del compresor [W] 446.6 Caudal de refrigerante [kg/s] 0.00299 EER [-] 1.458 3.1.1 Influencia del rendimiento del compresor en el ciclo de compresión mecánica. Un elemento del ciclo que tiene gran importancia en el rendimiento del ciclo es el compresor, pues necesita energía externa para funcionar, dependiendo de su rendimiento interno el ciclo tendrá un rendimiento u otro, por lo que estimaremos el rendimiento del compresor para después hacer un análisis de sensibilidad y ver la influencia del rendimiento del compresor en el ciclo. Si sensibilizamos la potencia el ciclo frente al rendimiento isentrópico del compresor se obtiene la siguiente tabla, 0200 400 600 800 1000 1200 101 102 103 104 5x104 h [kJ/kg] P [kPa] -40.15°C -1.708°C 43.08°C 95.25°C 156°C 226.9°C 0.2 0.4 0.6 0.8 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 kJ/kg-K Propane 54 Rendimiento compresor [-] Potencia del compresor [kW] EER [-] 0,7 0,4466 1,458 0,75 0,4168 1,562 0,8 0,3908 1,666 0,85 0,3678 1,77 0,9 0,3473 1,874 0,95 0,3291 1,978 Tabla 12. Resultados del ciclo de referencia para el armario de baja temperatura cuando se modifica el rendimiento del compresor. Fuente: Elaboración propia. 3.1.2 Optimización del ciclo de compresión mecánica Cuando se implementa el eyector en el ciclo se pretende aumentar la presión de aspiración del compresor para mejorar el rendimiento del mismo, al tener que proporcionar menor trabajo. Por el contrario, perderemos parte del efecto frigorífico del gas que pasa por el eyector, será el flujo primario del eyector, la salida del eyector la emplearemos en aumentar el subenfriamiento para recuperar la potencia frigorífica, es decir en bajarle la temperatura al resto del gas que pasará por el evaporador. En la Figura 55 se muestra el esquema de componentes del ciclo frigorífico, así como el mismo representado en un diagrama p-h. El ciclo con el eyector será del tipo Jep pump, es decir el flujo primario es líquido y el secundario gas. A continuación, se presenta un esquema de componentes del ciclo, y una representación esquemática de los estados del mismo en un diagrama p-h. Al implementar un eyector en el ciclo pretendemos optimizar ese ciclo y obtener un mayor rendimiento del ciclo. Figura 58: Ciclo para un armario de baja temperatura para mantenimiento de congelados Se ha considerado como principal variable de optimización del ciclo la presión a la salida del eyector, la misma determina el parámetro ω (ratio de masa) y se debe verificar la viabilidad del ciclo ya que el título de vapor del punto 1 (entrada al compresor) debe ser 100%. A continuación, se presentan los resultados obtenidos para una eficiencia del Elbel del eyector de 0.30 que es un valor cercano al máximo posible para dicha variable para un eyector de geometría óptima que maximice simultáneamente la relación de caudales y la presión a la salida, ya que la salida del eyector tiene que ser vapor. Dicho valor se ha contrastado en la literatura pudiendo alcanzar valores máximos de 0.45 y mínimos de 0.15. Por otro lado, la efectividad del intercambiador se ha considerado igual a 0.8 y rendimiento del compresor igual a 0.7. 55 Una vez analizada la variable principal de optimización se sensibilizarán los resultados para otras eficiencias del eyector y del intercambiador. P7 [kPa] x1 [-] EER [- ] ω [-] 168,0 100 1,639 138,4 170,5 100 1,646 11,94 173,0 100 1,654 6,223 175,5 100 1,646 4,2 178,0 100 1,624 3,166 180,5 100 1,606 2,538 183,0 100 1,591 2,115 185,5 100 1,579 1,812 188,0 100 1,57 1,584 190,5 0,9821 1,561 1,406 Tabla 13Análisis del EER, viabilidad el rendimiento del ciclo al modificar la presión de salida del eyector incluyendo la relación de caudales necesaria en cada caso. Fuente: Elaboración propia. De la tabla anterior podemos deducir que la presión de salida óptima del eyector está comprendida entre 185.5 kPa y 188 kPa. No debiendo superar en ningún caso los 190 kPa ya que entraría el punto 1 en zona bifásica. Podemos ver que cuanto menor es la presión de salida mayor es el EER, no obstante, sería necesario una relación de caudales cada vez mayor. El rango óptimo para la presión de salida del eyector se ha determinado por compromiso entre el aumento del rendimiento y la viabilidad de la relación de caudales. Si comparamos el rendimiento del ciclo tenemos un valor de 1.58 frente a un valor del ciclo de comparación operando con las mismas condiciones de temperatura y rendimiento del compresor, frente a 1.46 del ciclo de comparación. Esto representa un incremento del 8.2% a lo que debemos añadir que si se mantiene el caudal de refrigerante la potencia entregada por el evaporador sube hasta los 650W. Por supuesto es posible para el caso óptimo ajustar el caudal de refrigerante para mantener la potencia. En este caso el resultado sería el siguiente: Figura 59 Diagrama p-h del ciclo Jet pump optimizado para la aplicación armario de baja temperatura. Con un caudal de refrigerante de 0.00274 kg/s, del cual tras la extracción 0.00168 circulan a través 0200 400 600 800 1000 1200 101 102 103 104 5x104 h [kJ/kg] P [kPa] -40.15°C -1.708°C 43.08°C 95.25°C 156°C 226.9°C 0.2 0.4 0.6 0.8 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 kJ/kg-K Propane 56 del intercambiador y 0.00106 van a la entrada del primario del eyector. Por lo que la relación de caudales es de 1.584. La potencia es de 616.8W en este caso. Las condiciones de todos los puntos del ciclo son las siguientes h [kJ/kg] P [kPa] M [kg/s] T [ºC] 1 547.6 188.0 0.00274 -24.53 2 691.1 1534.36 0.00274 77.14 3 322.5 1534.36 0.00274 45 4 173 1534.36 0.00168 -11.26 5 173 167.76 0.00168 -30 6 540.2 167.76 0.00168 -30 7 456 188.0 0.00274 -27.07 Tabla 14: Condiciones del ciclo 3.1.2.1 Análisis de sensibilidad con la eficiencia de Elbel del eyector En la siguiente figura puede verse el efecto de aumentar y disminuir la eficiencia de Elbel del eyector. Para el mismo se ha elegido un valor cercano al mínimo y al máximo, de tal forma que se han añadido a los casos iniciales, calculados con una eficiencia de 0.3, casos análogos calculados con eficiencias de 0.2 y 0.4. Figura 60 Variación del rendimiento con la presión de salida del eyector para distintas eficiencias de eyectores. Como puede verse al aumentar la eficiencia del eyector la presión de salida del mismo debería aumentarse para mantener, o evitar reducciones significativas, del EER. De tal forma que si para una eficiencia de Elbel de 0.3 se recomendaban presiones a la salida de 185 kPa, para una eficiencia de 0.2 la presión a la salida debería ser de 180 kPa, y para una eficiencia de 0.4 la presión debería estar en el entorno de los 190 kPa. En los tres casos anteriores la potencia en el evaporador está en el entorno de los 700W y la relación de caudales del eyector se mantiene en el rango de 1.7 y 1.87. La siguiente tabla resume todos los resultados de los casos representados en la figura anterior. En la 63 Diámetro garganta (mm) 0.386 Diámetro salida primera boquilla (mm) 0.9492 Diámetro sección de mezcla (mm) 2.308 Figura 63: Esquema del eyector con sus diámetros principales 3.3 Determinación de la geometría complementaria Las relaciones matemáticas y los datos obtenidos de las referencias bibliográficas fueron implementados en una hoja excel para calcular las dimensiones geométricas que nos faltaban del eyector. Los resultados obtenidos son los siguientes: Longitudes Dimensiones (mm) Dth=0.4mm Dimensiones (mm) Dth=0.8mm Lp1 longitud de la sección convergente de la tobera primaria 25.5 23.7 Lp2 longitud de la sección divergente de la tobera primaria 2.6 0.8 Ls1 longitud exterior de la tobera primaria en la sección de entrada de la tobera secundaria 7.5 7.5 Ls2 longitud de la sección convergente de la 8.3 8.3 64 tobera secundaria LNXP distancia entre salida de la tobera primaria e inicio de la sección constante de la cámara de mezcla 4.2 4.2 Lmix longitud de sección constante de la cámara de mezcla 16.1 16.1 Ld longitud del difusor 23.8 23.8 Tabla 19: Longitudes complementarias del eyector para el armario de baja de temperatura Diámetros Dimensiones (mm) Dimensiones (mm) Dp1 diámetro de entrada de la tobera primaria 6.2 6.2 Dth diámetro en la garganta de la tobera primaria 0.4* 0.8 Dp2 diámetro de salida de la tobera primaria 0.98 0.98 Ds diámetro de entrada de la tobera secundaria 9.2 9.2 Ds1 diámetro exterior de la tobera primaria en la sección de entrada de la tobera secundaria 8.2 8.2 Ds2 diámetro exterior de la tobera primaria en la sección de salida de la misma 1.98 1.98 Dmix diámetro de la sección constante de la cámara de mezcla 2.3 2.3 Dd diámetro de salida del difusor 6.2 6.2 Tabla 20: Diámetros del eyector para el armario del baja temperatura  Ángulos (grados) p1 ángulo de la sección convergente de la tobera primaria 6.5 p2 ángulo de la sección divergente de la tobera primaria 6.5 s ángulo de la sección convergente de la tobera secundaria 22.5 d ángulo del difusor 4.7 Tabla 21: Ángulos del eyector del armario de baja temperatura En las tabla 18 y 19 tenemos dos dimensiones diferentes, la primera columna de dimensiones tiene las medidas que obtendríamos de tener un diámetro de la garganta igual a 0.4mm, el inconveniente que encontramos con un diámetro tan pequeño es la ausencia de fabricantes que lo construyan, el diámetro más pequeño por el cual empiezan a construir es 0.8mm. 65 Figura 64: Esquema del eyector con sus medidas. 3.4 Comparación con la bibliografía En esta sección nos dispondremos a comparar las medidas geométricas de nuestro eyector con otro de la bibliografía que tiene unas condiciones operacionales similares a las nuestras. Parámetros Yunxiang Li (36) Eyector Armario BT Fluido R290 R290 Ratio de presiones 1.13 1.14 Potencia 400W 650W Ratio de masa 0.97 1.584 Ratio de área 9 35.77 NXP 8 5.4 αp1 6.5º 6.5 αp2 6.5º 6.5 αs 22.5º 22.5 αd 4.7º 4.7 66 4 CONCLUSIONES El funcionamiento del eyector se basa en utilizar la energía de una corriente de alta presión para elevar la presión de otra corriente con menor presión, obteniéndose una presión intermedia. Para el caso de refrigeración con un ciclo de comprensión mecánica, la corriente de alta presión proviene de la salida del condensador o de una corriente residual a mayor presión que la salida del evaporador, la corriente de baja presión vendrá de la salida del evaporador y la presión intermedia que será la salida del eyector irá a la entrada del comprensor. El objetivo de incorporar el eyector en un ciclo de refrigeración es aumentar su rendimiento para obtener un ciclo más sostenible con el medioambiente. Otro factor que juega un papel importante en la sostenibilidad del ciclo es el referido al refrigerante que usa el ciclo. Los fluidos se pueden clasificar según la pendiente de su línea de saturación en secos si tienen una pendiente positiva y en húmedos si la pendiente es negativa, los fluidos secos serán mejores pues cuando sufren una expansión no entran en zona bifásica. También pueden ser clasificados según su composición química en halocarbonatos, compuestos creados por el hombre, en hidrocarburos, compuestos naturales creados a partir de carbonos e hidrógenos, en compuestos refrigerantes y en otros refrigerantes naturales como pueden ser el agua, amoniaco, etc. La elección de un refrigerante se hace en base a unos criterios que son: las propiedades termofísicas, el impacto medioambiental medido por el GWP y el ODP, la seguridad el fluido y el criterio económico. Siguiendo estos criterios se ha visto que el refrigerante que mejor se adapta a todos ellos es el propano. El sector de refrigeración es el responsable del 7.8% de las emisiones de GEI por lo que entra dentro de las normativas europeas de reducción de GEI. Los equipos de climatización deben cumplir con la regulación del etiquetado energético, del diseño ecológico y con la normativa de los gases fluorados de efecto invernadero que limitan los refrigerantes según su PCA, por lo que estamos en un proceso de cambio, necesitamos cambiar los refrigerantes de un alto PCA por otros de bajo PCA. Los refrigerantes alternativos serán aquellos que tengan un PCA bajo estos pueden ser los hidrocarburos, el agua, el dióxido de carbono, el amónico, etc, en el caso del amoniaco el PCA es casi nulo. Este es otro motivo por el que la elección del propano como refrigerante ha sido elegido ya que tiene un PCA bajo. Los eyectores constan de cuatro partes: boquilla primaria o de absorción, boquilla secundaria o cámara de succión, cámara de mezcla y difusor. Los eyectores se pueden clasificar según: 1. Su tipo de boquilla, en boquillas convergentes donde el fluido estará en condiciones subsónicas y en boquillas convergentes-divergentes donde el fluido estará en condiciones supersónicas tras pasar por la garganta. 2. Su tipo de cámaras de mezcla, en cámaras de área constante a la salida de la boquilla primaria en área constante (CMA), en cámaras de presión constante a la salida de la boquilla de succión (CPM) y en cámaras de velocidad constante y momento variable (CMRC) 3. Su funcionamiento, en crítico, si está por debajo de la presión crítica de salida, en subcrítico, si esta entre la presión de salida crítica y la presión de mal funcionamiento, y en mal funcionamiento, si está por encima de la presión de mal funcionamiento donde el flujo será invertido. 4. Sus fases en los fluidos de trabajo, en vapor jet si tenemos los dos flujos en estado gaseoso, en liquido jet si tenemos los dos flujos en estado líquido, en jet condensador si tenemos el primario en estado gaseoso y el secundario en estado liquido, y en jet pump si tenemos el primario en estado líquido y el secundario en estado gaseoso. 67 5. Si es fijo o variable, si podemos modificar sus parámetros geométricos para adaptarse a nuevas condiciones de operación. Cada parte que forma el eyector tendrá su propio rendimiento dependiendo de diferentes parámetros. 1. Para el rendimiento de la boquilla primaria aumenta con el ratio de diámetros y disminuye con el ratio de presiones. Para un NXP constante el ratio de área, presiones, y masa disminuyen la eficiencia hasta un mínimo y después aumenta. Para un área constante a mayor NXP menor será la eficiencia de la boquilla. 2. La eficiencia de la cámara de succión para un NXP fijo es alta para pequeños ratios masa y altos ratios de presiones y masas. 3. La eficiencia de la cámara de mezcla aumenta con el ratio de presiones hasta un máximo y disminuye con el ratio de diámetros. Para un NXP constante la eficiencia aumenta con el ratio de áreas y disminuye con el ratio de presiones y masa. Para un NXP variable aumenta para un cierto ratio de área o masa. 4. La eficiencia en el difusor disminuye con el ratio de presiones y en menor medida con el aumento de NXP. El rendimiento del eyector en su totalidad se ve afectados por diferentes parámetros geométricos, para evaluar el rendimiento del eyector lo haremos a través de su ratio de masa a mayor ratio de masa mayor rendimiento. El ratio de áreas se ve influenciado por el ratio de masa, además tiene gran sensibilidad con este parámetro, al aumentar el ratio de áreas el ratio de masa primero aumenta y luego disminuye, el ratio de área también influye en la presión crítica, pues influye en el ratio de masa que tienen influencia en la presión crítica. El NXP influencia al ratio de masa, este tiene una tendencia a aumentar y luego a disminuir con el incremento del NXP, también influye en la presión de salida. Tanto el ratio de área como el NXP tienen gran influencia en el rendimiento del eyector. La longitud de la cámara de mezcla influye en la presión de salida del eyector, tiene que tener una longitud suficiente para que se genere la onda de choque. El óptimo de NXP es proporcional al diámetro de la cámara de mezcla y es mayor cuando la presión del flujo primario aumenta. El ángulo convergente de la sección de mezcla debería aumentar cuando la presión del primario aumenta. Otros parámetros geométricos como pueden ser el ángulo divergente de la boquilla primaria, el ángulo convergente de la sección de mezcla, la longitud de la cámara de mezcla y la longitud del difusor no tiene una importancia significativa en el rendimiento del eyector. Las temperaturas de funcionamiento del eyector influyen en el rendimiento de este también. Para un aumento de la temperatura del flujo primario el ratio de masa y área aumenta, para un aumento de la temperatura del flujo secundario el ratio de masa y área aumenta, por último para un aumento de la temperatura de salida del eyector el ratio de masa dependerá de la presión crítica de salida. En resumen un aumento de la temperatura del flujo primario y una disminución de la temperatura de salida del eyector serán beneficiosos para el rendimiento del eyector, la temperatura del flujo secundario no tiene tanta importancia pero es aconsejable que aumente. Tras realizar una recopilación de diferentes fluidos de trabajo y de condiciones operacionales de ciclos donde se han implementado eyectores vemos que los eyectores que utilizan agua como refrigerante son los más voluminosos además tienen el menor ratio de masas. El ratio de presiones varía desde 1.1 para el R134 hasta 2 para el CO2 en un eyector subsónico. El ratio de masa no supera la unidad en ningún caso estudiado, el fluido de mayor ratio de masa es el propano con un 0.97. El ratio de área mayor es para el agua con un valor de 22, para los demás fluidos varía desde 9.8 a 3 siendo el ratio de área menor para el R600a. El NXP depende en gran medida de las condiciones de operación, su rango de valores es muy variado, va desde los 26mm para un eyector subsónico de R134 hasta los 2.5mm para un eyector supersónico de CO2. Podemos observar que los eyectores subsónicos tienen un mayor NXP. El ángulo de entrada primario no tiene gran influencia en el diseño de un eyector, lo podemos tomar como el que necesito para adaptar el conducto del refrigerante a la entrada del eyector, para el ángulo del difusor tomaremos la misma idea, el ángulo será el que adapte la salida del eyector a la entrada del conducto, aunque en ningún caso estudiado el ángulo del difusor ha sido mayor a 10º. Para el ángulo de salida del primario, ángulo divergente el cual solo lo tendrán los eyectores supersónicos, varía desde 1º para un eyector de CO2 hasta 6.5º para 68 un eyector de propano. El ángulo convergente de la cámara de succión tiene un rango de valores amplio desde 0º, es decir no tiene inclinación, hasta 38º. El ejemplo que hemos tomado para el diseño de un eyector es un ciclo de refrigeración de un armario de baja temperatura. Como ya sabemos el rendimiento del comprensor en un ciclo de compresión mecánica tiene gran importancia, al aumentar su rendimiento el rendimiento del ciclo también aumenta. Cuando incorporamos el eyector en el ciclo, el ciclo pasa a ser Jet pump, debemos asegurarnos que la salida del eyector sea vapor ya que irá al comprensor. Mientras mayor sea el rendimiento de Elbel mayor rendimiento del ciclo tendremos para una presión de salida del eyector dada, si unimos esto a un aumento en la eficiencia del intercambiador, que se encuentra a la salida del condensador, el rendimiento del ciclo será aún mayor. Además si aumentamos el rendimiento del comprensor para un mismo Elbel el rendimiento del ciclo aumenta, un aumento en el rendimiento del compresor mejora en mayor medida el rendimiento del ciclo, es decir el rendimiento del comprensor tiene mayor importancia en el ciclo que el del intercambiador. En resumen, mientras mejores rendimientos tengan los equipos del ciclo mayor rendimiento tendrá el ciclo con el eyector. Una vez que tenemos los datos de operación del ciclo procedemos a calcular los tres diámetros principales del eyector mediante el modelo implementado en el EES, obtenidas las tres dimensiones principales las implementamos en una hoja Excel para obtener las dimensiones restantes del eyector. Las dimensiones obtenidas son similares a las encontradas en el artículo de Yunxiang Li (36), el cual trabaja con unas condiciones operacionales cercanas a las nuestras, lo que nos da a deducir que si el eyector del artículo funciona el nuestro tendrá muchas posibilidades de funcionar. Teóricamente si comparemos el rendimiento del ciclo con eyector tenemos un valor de 1.58 frente a un valor del ciclo sin eyector de 1.46 operando con las mismas condiciones de temperatura y rendimiento del compresor. Esto representa un incremento del 8.2%. El ciclo de referencia tenía un rendimiento de 1.67 cuando el rendimiento del compresor era del 80%, por tanto, en este caso el aumento del EER es de un 8.3% al pasar de 1.67 a 1.805. Este incremento relativo es casi idéntico al que se obtiene con compresores de rendimiento 70%, lo cual indica la conveniencia de utilizar el ciclo jet-pump frente al de referencia para ambos valores del rendimiento del compresor. Cuando comparamos las magnitudes características del eyector de la bibliografía y el de estudio, obtenemos que todos los valores son similares, excepto los ratios de áreas que tienen valores muy dispares, el de Yunxiang Li tiene un valor de 9 mientras que el armario de baja temperatura tiene un valor de 33, a pesar de esta gran diferencia el diámetro de la garganta de Yunxiang li es de 1 mm y el de estudio es de 0.4mm, diámetro de la cámara de mezcla es de 3 en Yunxiang Li y el de estudio de 2.3, por lo que ambos son valores similares, lo que ocurre que al elevarlo al cuadrado para obtener el ratio el error se dispara haciendo que los valores sean tan diferentes. Otra observación es que el ratio de masa en ningún caso supera la unidad y en nuestro caso es mayor que la unidad. Por estas pequeñas observaciones es aconsejable fabricar el eyector e implementarlo de manera práctica en el ciclo, será la única manera de comprobar que el ciclo con eyector tiene mayor rendimiento que sin eyector, pues un estudio teórico no nos garantiza su buen funcionamiento, solo puede predecir el comportamiento que tendrá. Esperamos que su construcción sea llevada a cabo lo antes posible y tenga un buen funcionamiento en el ciclo, obteniendo los resultados esperados. 69 Anexo I En este anexo veremos las ecuaciones que hemos implementado en el EES para obtener los diametros principales, además de la definicion del rendimiento de Elbel. El rendimiento de Elbel se rige por la siguiente formula: Se trata de multiplicar el ratio de masa por una fracción cuyo término de arriba es la entalpia a la presión de salida del eyector a la misma entropía del flujo secundario menos la entalpía del flujo secundario, el término de abajo es la entalpía del flujo primario menos la entalpía a la presión de salida del eyector y a la entropía del flujo primario. Las ecuaciones por las que se rige el modelo matemático del eyector son las siguientes (37): 1. Para la boquilla primaria: 2. Para el flujo primario de expansión: 70 3. Para el flujo secundario 4. Para la cámara del mezcla Φ: Eficiencia debida a las pérdidas por fricción 71 5. Para la onda de choque 6. Para el difusor 72 Anexo II Relaciones implementadas en la hoja Excel sacadas de la bibliografía. 𝑇𝑎𝑛(𝛼𝑝1)=(𝐷𝑝1−𝐷𝑡 2∗𝐿𝑝1) 𝑇𝑎𝑛(𝛼𝑝2)=(𝐷𝑝2−𝐷𝑡 2∗𝐿𝑝2) 𝑇𝑎𝑛(𝛼𝑠)=(𝐷𝑠−𝐷𝑚𝑖𝑥 2∗𝐿2 ) 𝑇𝑎𝑛(𝛼𝑑)=(𝐷𝑑−𝐷𝑚𝑖𝑥 2∗𝐿𝑑 ) 𝐿𝑁𝑋𝑃 =𝐿𝑠2 2 𝐿𝑚𝑖𝑥 𝐷𝑚𝑖𝑥 =7 𝐷𝑠1 =𝐷𝑝1 +2 𝐷𝑠2 =𝐷𝑠1 +1 𝐷𝑠=𝐷𝑠1 +1