Fuentes de Energiacutea

Capiacutetulo 10 Energiacutea solar teacutermica para la produccioacuten de calor y

friacuteo Energiacutea del ambiente Energiacutea geoteacutermica

Autorbull Antonio Lecuona Neumann Catedraacutetico del Aacuterea de Maacutequinas y Motores Teacutermicos

Dpto De Ingenieriacutea Teacutermica y de Fluidos Grupo ITEA Universidad Carlos III de Madrid Leganeacutes Espantildea

2015

La informacioacuten contenida en este documento sirve de propoacutesito exclusivo como apuntes para alumnos en la ensentildeanza de la asignatura indicada y ha sido obtenida de las mejores fuentes que se han podido encontrar generalmente de reconocido prestigio No obstante ellos autores no garantizan la exactitud exhaustividad actualizacioacuten o perfeccioacuten de su contenido Por ello no seraacuten responsables de cualquier error omisioacuten o dantildeo causado por el uso de la informacioacuten contenida no tratando con este documento prestar ninguna clase de servicio profesional o teacutecnico antes bien se ofrece como simple guiacutea general de apoyo a la docencia En caso de detectar alguacuten error rogamos nos lo comunique e intentaremos corregirlo Puede contener material con copyright copy por lo que su reproduccioacuten puede no estar permitida

1

Iacutendice

101- Calefaccioacuten y agua caliente sanitaria

102- Calor del ambiente y bomba

103- Caldera y cogeneracioacuten

104- Friacuteo y calor por sorcioacuten

105- Calor de proceso e intercambiadores de calor

106- Energiacutea geoteacutermica

107- Bibliografiacutea

108- Cuestiones de autoevaluacioacuten

109- Actividades propuestas

2

Objetivos Dar a conocer las teacutecnicas de produccioacuten de calor y friacuteo con energiacuteas renovables no renovables con especial eacutenfasis en la solar teacutermica y en particular las bombas de calor por absorcioacuten y adsorcioacuten Introduccioacuten a la energiacutea geoteacutermica

101- Calefaccioacuten y agua caliente sanitaria

3

Calefaccioacuten de ambiente interior (climatizacioacuten)

bull La climatizacioacuten invernal puede producirse por aire caliente forzado o por circuito hidroacutenico siendo este segundo meacutetodo el maacutes comuacuten El sistema de aire forzado exige conductos voluminosos sin embargo con menos mantenimiento y peso

bull Cuando se usan emisores teacutermicos de tipo aerotermo o radiador la temperatura de agua habituales ronda los 60 ordmC a 80 ordmC para evitar aacutereas de intercambio excesivas dificultando estas altas temperaturas la aplicacioacuten de la energiacutea solar teacutermica

bull El sistema de suelo radiante requiere agua caliente a 30 ordmC-50 ordmC resultando idoacuteneo para el aporte solar y para calderas de condensacioacuten

bull El grado de cobertura solar ( de la demanda satisfecha) en calefaccioacuten raramente se acerca al 50 en nuestras latitudes dada la elevada potencia requerida por unidad de superficie de suelo construido 100 Wm2 en diacuteas friacuteos que suelen ser nublados Es maacutes en verano se produciriacutea calor en exceso que a) es necesario disipar b) seriacutea conveniente usar para friacuteo solar o c) almacenar hasta el invierno en almacenamiento estacional subterraacuteneo de agua caliente

bull Otra posibilidad de la solar teacutermica en diacuteas friacuteos es aportar calor solar al evaporador de una bomba de calor eleacutectrica para calefaccioacuten denominaacutendose paneles termodinaacutemicos

bull Lo expuesto hace necesario un sistema de apoyo y respaldo al solar basado en el consumo de electricidad o combustible

101- Calefaccioacuten y agua caliente sanitaria

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Calefaccioacuten de ambiente interior (climatizacioacuten)

bull La climatizacioacuten invernal puede producirse por aire caliente forzado o por circuito hidroacutenico siendo este segundo meacutetodo el maacutes comuacuten El sistema de aire forzado exige conductos voluminosos sin embargo con menos mantenimiento y peso

bull Cuando se usan emisores teacutermicos de tipo aerotermo o radiador la temperatura de agua habituales ronda los 60 ordmC a 80 ordmC para evitar aacutereas de intercambio excesivas dificultando estas altas temperaturas la aplicacioacuten de la energiacutea solar teacutermica

bull El sistema de suelo radiante requiere agua caliente a 30 ordmC-50 ordmC resultando idoacuteneo para el aporte solar y para calderas de condensacioacuten

bull El grado de cobertura solar ( de la demanda satisfecha) en calefaccioacuten raramente se acerca al 50 en nuestras latitudes dada la elevada potencia requerida por unidad de superficie de suelo construido 100 Wm2 en diacuteas friacuteos que suelen ser nublados Es maacutes en verano se produciriacutea calor en exceso que a) es necesario disipar b) seriacutea conveniente usar para friacuteo solar o c) almacenar hasta el invierno en almacenamiento estacional subterraacuteneo de agua caliente

bull Otra posibilidad de la solar teacutermica en diacuteas friacuteos es aportar calor solar al evaporador de una bomba de calor eleacutectrica para calefaccioacuten denominaacutendose paneles termodinaacutemicos

bull Lo expuesto hace necesario un sistema de apoyo y respaldo al solar basado en el consumo de electricidad o combustible

101- Calefaccioacuten y agua caliente sanitaria

4

Agua caliente sanitaria

bull El agua caliente sanitaria (ACS) es agua potable que se emplea en edificios para bantildeo cocina y limpieza Otra posibilidad es el agua de piscina climatizada que no llega a los 30 ordmC

bull Se prepara a una temperatura de 60 ordmC a 70 ordmC para evitar la proliferacioacuten de la bacteria legionela y se mezcla con agua friacutea en el punto de consumo hasta llegar a 30 ordmC - 45 ordmC

bull Estas temperaturas son compatibles con captadores solares planos y de tubos de vaciacuteo Maacutes aquiacute

bull Como la produccioacuten solar no coincide con el consumo es necesario acumular agua preparada en tanques de temperatura estratificada Asiacute el agua friacutea entrante queda en la parte baja y el agua preparada en la parte alta evitaacutendose el mezclado

bull Dado que una cobertura solar del 100 dariacutea lugar a instalaciones excesivamente grandes suele practicarse una cobertura del 30 al 70 dependiendo de las zonas climaacuteticas solaresen Espantildea lo cual estaacute regulado por el coacutedigo teacutecnico de la edificacioacuten CTE y el RITE

bull Cuando la temperatura exterior puede bajar de 0 ordmC la probable congelacioacuten reventariacutea el circuito hidraacuteulico Es necesario recurrir a circuito al exterior primario con anticongelante (p e basado en propilenglicol) o a vaciado preventivo (drainback)

bull En zonas exentas de congelacioacuten se emplea el sistema de termosifoacuten que auacutena captador y tanque en un una unidad compacta exterior ascendiendo al agua caliente al tanque sin en uso de bomba simplemente por su menor densidad

5

Las bombas de calor usan trabajo para subir el nivel teacutermico del calor que toman Su aplicacioacuten es doble

1Maacutequina frigoriacutefica mf Evacuacutean calor para refrigerar a una temperatura inferior a la ambiente enviando

la suma del calor evacuado y del trabajo suministrado en forma de calor al ambiente 119876119888 Tal es el caso del aire acondicionado Mayoritariamente hacen uso del ciclo de compresioacuten mecaacutenica = Rankine inverso

2Maacutequina caloriacutefica o bomba de calor propiamente dicha mc oacute bc Toman calor del ambiente Qs que es gratuito y renovable (o calor residual en algunos casos) bombeaacutendolo hasta una temperatura superior de utilidad es decir generando calor La potencia de bombeo onerosa (trabajo) W ha de ser compensada energeacutetica y econoacutemicamente con el calor tomado gratuitamente El trabajo requiere un valor mayor de

energiacutea primaria Epr por lo que el calor cedido Qc deberiacutea de ser mayor que la energiacutea primaria consumida

para que su uso sea justificable

de 2 a 5 en media estacional 4 en el diagrama

Eficiencia produccioacuten de 02 a 05 en media anual

electricidad d

1 para q

e la r

u

ed

e cc

prmce bc

s c

e

p

mc c

r

QQECOP

COP

Q Q

E

Q

η

W

W

W

rArreCOP

Tomado COPdel focofriacuteo

En el diagrama es 128

es 096

en e1

l diagramamf

pr

s

mf

pr e bcQ E C P

E

O

ηeCOP

El calor del ambiente puede provenir del aire del terreno o del agua (geotermia) o incluso del sol

102- Calor del ambiente y bomba

prEW

sQ

cQ

Ejemplo

6

Si en lugar de bomba de calor se usa una caldera con igual energiacutea primaria

1El material inventariable es menos costoso

2El consumo energeacutetico puede ser menos costoso si la bomba de calor es muy costosa su eficiencia baja y el coste de combustible bajo frente al de la electricidad

Las ventajas de la cogeneracioacuten quedan patentes en el siguiente diagrama

Con igual consumo primario se logran 58+30 = 88 unidades de energiacutea eficiencia global 088

bull Con igual consumo primario se obtiene menos calor que en el ejemplo anterior

bull Sin embargo la caldera puede producir calor a mayor temperatura que la bomba de calor Su COP se degrada al aumentar la diferencia de

temperatura en el bombeo

bull La electricidad producida tiene un valor de mercado mayor que el calor ~ 2 a 3 veces

bull Si se deseara igual cantidad de calor cedido que en los casos anteriores es necesario aumentar el tamantildeo del motor

bull La electricidad puede inyectarse en la red bajo el Reacutegimen Especial en Espantildea o reglamento que le siga

Ejemplo

Ejemplo

103- Calor del ambiente y bomba (cont)

7

bull En lugar de consumir trabajo como lo hace la maacutequina de compresioacuten mecaacutenica con ciclo Rankine inverso es posible consumir calor para efectuar el bombeo de calor

bull Igualmente a la maacutequina de compresioacuten mecaacutenica la de absorcioacuten logra producir vapor de un fluido puro interno que cambia de fase a alta presioacuten Tras condensarlo evacuaacutendose el calor a temperatura interna tc

el liacutequido es expansionado en una vaacutelvula y evapora a baja presioacuten absorbiendo calor a una menor temperatura interna te

bull La absorcioacuten sustituye el compresor que devuelve la alta presioacuten al vapor por un compresor termoquiacutemico que consume calor El aumento de presioacuten lo logra una bomba con un minuacutesculo consumo de trabajo

bull Este calor motriz es necesario para generar vapor desgasificando una sustancia a alta presioacuten a una temperatura media interna tg

bull Cuando esta sustancia es un soacutelido se habla de adsorcioacuten y cuando es un liacutequido se dice absorcioacuten Maacutes aquiacute More here More here Geneacutericamente sorcioacuten

bull La sustancia a baja presioacuten sorbe el vapor producido en el evaporador liberando calor a una temperatura media interna tab

bull El efecto neto es el bombeo de calor tomado a baja temperatura en el evaporador hasta una mayor temperatura en el condensador consumiendo calor a una temperatura superior en el generador Se evacuacutea calor a una temperatura intermedia en el absorbedor que suele asociarse con el condensador tiacutepicamente al ambiente en el caso de la produccioacuten de friacuteo Un video

bull Para la produccioacuten de calor (mc) el efecto uacutetil es el calor del absorbedor y condensador que puede ser hasta 22 veces el calor consumido en el generador pues se suma al calor tomado del ambiente con el evaporador

bull El calor solar puede ser empleado para alimentar el generador de una maacutequina de sorcioacuten de simple efecto More here

bull Un ejercicio de aplicacioacuten se muestra en el Cap 2 apartado 25 ejercicio 27

104- Friacuteo y calor por sorcioacuten

8

bull Para acondicionamiento de aire basta con producir agua friacutea a 4 - 12 ordmC por lo que las maacutequinas de adsorcioacuten de diverso tipo asiacute como las de absorcioacuten basadas en la disolucioacuten de agua-bromuro de litio resultan adecuadas El agua es el fluido refrigerante que cambia de fase

bull Para refrigeracioacuten industrial se requiere friacuteo bajo cero por lo que son necesarias maacutequinas con un refrigerante con solidificacioacuten a lt 0 ordmC p e amoniaco usando el agua como absorbente

bull Las maacutequinas de absorcioacuten de simple efecto necesitan calor a 70 ordmC- 110 ordmC y proporcionan un COPmf 07 a 08 maacuteximo Un COPmf 12 a 13 maacuteximo se logra con las maacutequinas de doble

efecto maacutes costosas necesitando calor a un miacutenimo de unos 150 ordmC Por lo tanto para usar energiacutea solar teacutermica requeririacutean captadores de media temperatura como los de tubos de vaciacuteo especialmente eficientes tipo Fresnel o CPCs (veacutease Cap 8)

104- Friacuteo y calor por sorcioacuten (cont)

Maacutequina de absorcioacuten de H2OLiBr Fuente httpenwikipediaorgwikiFileAbsorption_heat_pumpjpg

Maacutequina de absorcioacuten de simple efecto de H2OLiBr Fuente wwwcedengineeringcomvapor20absorption

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bull Comparacioacuten entre bombas de calor de compresioacuten mecaacutenica y por sorcioacuten como maacutequina frigoriacutefica en teacuterminos de energiacutea primaria

104- Friacuteo y calor por sorcioacuten (cont)

Aporte de energiacutea primaria o renovable

en un caso o en el otro

Figura 106- Configuraciones alternativas (en cajas de liacutenea de trazos) para la produccioacuten de refrigerante en el cual tras ser expansionado produce en este caso efecto frigoriacutefico uacutetil en

Fuente ASHRAE Handbook 2002 cap 41

NOTA Es de destacar en esta figura y en general que se denomina energiacutea primaria a la de origen foacutesil pero tambieacuten a la energiacutea original independientemente de si es renovable o no renovable Asiacute en ocasiones se calcula el denominado ldquoahorro de energiacutea primariardquo por introduccioacuten de energiacutea renovables aludiendo asiacute a que la primaria es la no renovable

10

bull La potencia teacutermica uacutetil de una maacutequina de sorcioacuten y como resultado su eficiencia se modifica cambiando las temperaturas de sus cuatro cambiadores de calor con el exterior Asiacute la potencia crece al aumentar la temperatura de generacioacuten 119905119892 (tanto del fluido interno como

correspondientemente del fluido caloportador externo que activa la maacutequina) Crece asimismo al aumentar la temperatura de vaporacioacuten 119905119890 Pero disminuye al aumentar la de absorcioacuten y de condensacioacuten (que suelen ser la misma) 119905119886119888 Un modelo simple de maacutequina de absorcioacuten lo da el de la temperatura caracteriacutestica ∆∆t que es una combinacioacuten lineal de las tres temperaturas

exteriores medias entre entrada y salida del cambiador de calor

para H2OLiBr y simple efecto

bull Resultando con la potencia nominal de la maacutequina como referencia y para un caso tiacutepico

Las temperaturas exteriores medias del circuito de agua t se diferencian de las interiores a la

maacutequina (fluido del ciclo) en unos 5 ordmC Las exteriores son mayores que las interiores si se aporta calor a la maacutequina (generador y evaporador) y menores si se toma de ella (absorbedor y condensador)

104- Friacuteo y calor por sorcioacuten (cont)

0 gtltt = tg-25tac+18te

1 0

0 2 0051 ordmCg e nomQ Q t

1 0

009 0042 ordmCe e nomQ Q t

0 0

0 Por unirse sus Por balancecircuitos exteriores energeacutetico

ac a c g eQ Q Q Q Q

(106)

(107)

(107bis)

(107tri)

Maacutequina

de

absorcioacuten

119928119944

119928119942

119928119938119940

tg

tac

te

11

104- Friacuteo y calor por sorcioacuten (cont)

Ejercicio 101- Haga uso de las Ecs (107) para

I- Determinar ∆∆t para potencia nominal de la maacutequina frigoriacutefica 119876119890119899119900119898

Solucioacuten

II- Con te = 10 ordmC y tac = 25 ordmC durante el verano en Madrid y con torre de refrigeracioacuten huacutemeda determine tg para potencia nominal

Solucioacuten hace falta una temperatura externa media de generacioacuten de

t= 119905119892 minus 25119905119886119888 + 18119905119890= 217 ordmC

119905119890 = 10 ordmC 119905119886119888 = 25 ordmCrarr 119905119892= 652 ordmC

Una temperatura de generacioacuten mayor ocasionariacutea ceteris paribus una potencia frigoriacutefica

superior a la nominal para 119876119890 de acuerdo a la Ec (107bis)

III- Compruebe que un aumento de la diferencia de temperatura para el bombeo reduce el COPmf

La diferencia de temperatura de bombeo es la diferencia entre las temperaturas medias externas de evaporacioacuten y de condensacioacuten pero ambas tienen un efecto distinto pues los factores que las afectan en la expresioacuten de ∆∆t son diferentes Ec (106) Si optamos por bajar hasta el miacutenimo admisible para una maacutequina de H2OLiBr 119905119890 = 4 ordmC y subimos hasta 119905119886119888 =29 ordmC resulta

Solucioacuten Caso base 119862119874119875119898119891 = 119876119890 119876119892=

009+0042∆∆119905 ordmCminus1

02+0051∆∆119905ordmCminus1=

009+0042times217

02+0051times217= 077

Para miacutenima 119905119890 ∆∆119905 = 652 minus 25 times 29 + 18 times 4 ordmC = minus01 ordmC rarr 119862119874119875119898119891 =009+0042timesminus01

02+0051timesminus01= 044

La subida a 119905119886119888 = 30 ordmC dariacutea 119876119890 y 119862119874119875119898119891 lt 0 que es imposible luego son nulos aunque fuera 119876119892 ge 0 que tampoco puede ser lt 0 Para producir friacuteo seriacutea necesario aumentar 119905119892

t = tg-25tac+18te

009 0042 ordmC=1 217 ordmCe e nomQ Q t t

12

105- Calor de proceso e intercambiadores de calor

bull En la industria se emplea calor a temperaturas muy diversas

bull Para facilitar el suministro es habitual el empleo de aceite teacutermico hasta unos 300 ordmC Una

fuga puede originar un incendio o resultar en un vertido toacutexico por lo que la alternativa es distribuir el calor con vapor de agua (saturado o sobrecalentado) a la presioacuten adecuada que condensa en el punto de consumo de calor y evapora en el punto de produccioacuten Su gran ventaja es el alto calor latente del cambio de fase el cual ocurre sin variacioacuten de temperatura

bull El aprovechamiento de calores residuales de la industria depende de

bull Simultaneidad de la produccioacuten con la demanda Si no se da es necesario recurrir al almacenamiento incurrieacutendose en costes adicionales y ocupacioacuten de espacio

bull Diferencia de temperatura suficiente pues los intercambiadores de calor infringen una caiacuteda de temperatura Su aacuterea de transferencia y por lo tanto el coste son menores si se dispone de una diferencia de temperatura amplia

bull La proximidad espacial Transportar energiacutea teacutermica a larga distancia es costoso

bull Teacutecnicas eficientes

bull El calor de proceso puede generarse quemando un combustible pero una opcioacuten maacutes racional es la cogeneracioacuten

bull Las bombas de calor tomando calor del ambiente solo resultan eficientes para calores de proceso a T lt 100 ordmC pues su COP disminuye al aumentar el salto teacutermico del bombeo

bull El aporte de calor de proceso con energiacutea solar requiere el uso de los captadores adecuados planos y de tubos de vaciacuteo para temperaturas inferiores a 100 ordmC y captadores de concentracioacuten para temperatura superiores veacutease Cap 7

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104- Friacuteo y calor por sorcioacuten (cont)

Ejercicio 101- Haga uso de las Ecs (107) para

I- Determinar ∆∆t para potencia nominal de la maacutequina frigoriacutefica 119876119890119899119900119898

Solucioacuten

II- Con te = 10 ordmC y tac = 25 ordmC durante el verano en Madrid y con torre de refrigeracioacuten huacutemeda determine tg para potencia nominal

Solucioacuten hace falta una temperatura externa media de generacioacuten de

t= 119905119892 minus 25119905119886119888 + 18119905119890= 217 ordmC

119905119890 = 10 ordmC 119905119886119888 = 25 ordmCrarr 119905119892= 652 ordmC

Una temperatura de generacioacuten mayor ocasionariacutea ceteris paribus una potencia frigoriacutefica

superior a la nominal para 119876119890 de acuerdo a la Ec (107bis)

III- Compruebe que un aumento de la diferencia de temperatura para el bombeo reduce el COPmf

La diferencia de temperatura de bombeo es la diferencia entre las temperaturas medias externas de evaporacioacuten y de condensacioacuten pero ambas tienen un efecto distinto pues los factores que las afectan en la expresioacuten de ∆∆t son diferentes Ec (106) Si optamos por bajar hasta el miacutenimo admisible para una maacutequina de H2OLiBr 119905119890 = 4 ordmC y subimos hasta 119905119886119888 =29 ordmC resulta

Solucioacuten Caso base 119862119874119875119898119891 = 119876119890 119876119892=

009+0042∆∆119905 ordmCminus1

02+0051∆∆119905ordmCminus1=

009+0042times217

02+0051times217= 077

Para miacutenima 119905119890 ∆∆119905 = 652 minus 25 times 29 + 18 times 4 ordmC = minus01 ordmC rarr 119862119874119875119898119891 =009+0042timesminus01

02+0051timesminus01= 044

La subida a 119905119886119888 = 30 ordmC dariacutea 119876119890 y 119862119874119875119898119891 lt 0 que es imposible luego son nulos aunque fuera 119876119892 ge 0 que tampoco puede ser lt 0 Para producir friacuteo seriacutea necesario aumentar 119905119892

t = tg-25tac+18te

009 0042 ordmC=1 217 ordmCe e nomQ Q t t

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105- Calor de proceso e intercambiadores de calor

bull En la industria se emplea calor a temperaturas muy diversas

bull Para facilitar el suministro es habitual el empleo de aceite teacutermico hasta unos 300 ordmC Una

fuga puede originar un incendio o resultar en un vertido toacutexico por lo que la alternativa es distribuir el calor con vapor de agua (saturado o sobrecalentado) a la presioacuten adecuada que condensa en el punto de consumo de calor y evapora en el punto de produccioacuten Su gran ventaja es el alto calor latente del cambio de fase el cual ocurre sin variacioacuten de temperatura

bull El aprovechamiento de calores residuales de la industria depende de

bull Simultaneidad de la produccioacuten con la demanda Si no se da es necesario recurrir al almacenamiento incurrieacutendose en costes adicionales y ocupacioacuten de espacio

bull Diferencia de temperatura suficiente pues los intercambiadores de calor infringen una caiacuteda de temperatura Su aacuterea de transferencia y por lo tanto el coste son menores si se dispone de una diferencia de temperatura amplia

bull La proximidad espacial Transportar energiacutea teacutermica a larga distancia es costoso

bull Teacutecnicas eficientes

bull El calor de proceso puede generarse quemando un combustible pero una opcioacuten maacutes racional es la cogeneracioacuten

bull Las bombas de calor tomando calor del ambiente solo resultan eficientes para calores de proceso a T lt 100 ordmC pues su COP disminuye al aumentar el salto teacutermico del bombeo

bull El aporte de calor de proceso con energiacutea solar requiere el uso de los captadores adecuados planos y de tubos de vaciacuteo para temperaturas inferiores a 100 ordmC y captadores de concentracioacuten para temperatura superiores veacutease Cap 7

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105- Calor de proceso e intercambiadores de calor

bull En la industria se emplea calor a temperaturas muy diversas

bull Para facilitar el suministro es habitual el empleo de aceite teacutermico hasta unos 300 ordmC Una

fuga puede originar un incendio o resultar en un vertido toacutexico por lo que la alternativa es distribuir el calor con vapor de agua (saturado o sobrecalentado) a la presioacuten adecuada que condensa en el punto de consumo de calor y evapora en el punto de produccioacuten Su gran ventaja es el alto calor latente del cambio de fase el cual ocurre sin variacioacuten de temperatura

bull El aprovechamiento de calores residuales de la industria depende de

bull Simultaneidad de la produccioacuten con la demanda Si no se da es necesario recurrir al almacenamiento incurrieacutendose en costes adicionales y ocupacioacuten de espacio

bull Diferencia de temperatura suficiente pues los intercambiadores de calor infringen una caiacuteda de temperatura Su aacuterea de transferencia y por lo tanto el coste son menores si se dispone de una diferencia de temperatura amplia

bull La proximidad espacial Transportar energiacutea teacutermica a larga distancia es costoso

bull Teacutecnicas eficientes

bull El calor de proceso puede generarse quemando un combustible pero una opcioacuten maacutes racional es la cogeneracioacuten

bull Las bombas de calor tomando calor del ambiente solo resultan eficientes para calores de proceso a T lt 100 ordmC pues su COP disminuye al aumentar el salto teacutermico del bombeo

bull El aporte de calor de proceso con energiacutea solar requiere el uso de los captadores adecuados planos y de tubos de vaciacuteo para temperaturas inferiores a 100 ordmC y captadores de concentracioacuten para temperatura superiores veacutease Cap 7

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105- Calor de proceso e intercambiadores de calor (cont)

bull Para transferir calor se emplean intercambiadores de calor Ponen en contacto dos flujos (a y b) y por diferencia de temperatura entre ambos se produce la transferencia de calor a traveacutes de un aacuterea de contacto total de referencia A Sin embargo suelen resultar praacutecticamente adiabaacuteticos con el exterior En un estado

estacionario la potencia transferida puede modelarse con la diferencia logariacutetmica media de temperaturas∆119879119897119898

bull U [W(m2K)] es el coeficiente global de transferencia de calor medio entre entrada y salida entre ambas

corrientes y es tanto mayor cuanto mayor es la velocidad de paso de los flujos las diferencias de temperatura y la turbulencia Es mayor tambieacuten para una calidad del flujo mayor y para propiedades del fluido favorables

Con gases entre ~ 5 y 500 W(m2K) con liacutequidos entre ~ 50 y 5000 W(m2K) More here

bull Un extremo (terminal) del intercambiador es 1 y el otro 2 Los flujos (de temperatura alta Ta y baja Tb)

pueden ser en igual sentido (ambos de 1 a 2 o de 2 a 1 co-corriente) o a contracorriente (una corriente de 1 a 2 y la otra de 2 a 1) incluso pudieran ser cruzados o una combinacioacuten en intercambiadores complejos

Co-corriente Contracorriente

bull Por otro lado considerando un balance energeacutetico para cualquiera de los dos flujos particularizando para calor especiacutefico constante y sin cambio de fase

Tempmedia1 2

1 2

1 2 Veacutease Ejercicio 8Tempmedia

2

1 2

Δ Δ0 0 Conductancia

ln Δ Δ

a b lm

lm lma

ab b a b

b

a

QUA TT

TT

Q UA T T UAT T T T T T

T

c

Ideal Ideal

a p a a b p b ba b

a b

m c Tm c T

H H

Q

(108)

(1012)

1 2

TsaTca

TcbTsb

1 2

TsaTca

TsbTcb

1 2 a c s bc b s aT T T T TT 1 2 a s c bc b s aT T T T TT

0 0 2 2a s a c a a sb ac b s b b c bc sa bT TT T T T T T TTT T

14

106- Energiacutea geoteacutermica

bull Empleo del terreno para obtener o inyectar el calor

bull Obtencioacuten de calor

1De alta temperatura Se extrae calor en terrenos de zonas activas produciendo vapor a unos 300 ordmC para primordialmente generar electricidad con ciclo Rankine

2De media y baja temperatura Se usa el calor del terreno 30 ordmC lt T lt 100 ordmC a

profundidades gt 400 m Se emplea como calor de proceso o para calefaccioacuten Solo en zonas activas generalmente volcaacutenicas

bull Obtencioacuten yo inyeccioacuten de calor a temperatura muy proacutexima a la ambiente

3De muy baja temperatura geoteacutermica somera profundidades lt 400 m y temperaturas lt 30 ordmC Usado tiacutepicamente para bombeo de calor del terreno y de las aguas en invierno cuando la temperatura ambiente es menor o como sumidero de calor del acondicionamiento ambiente por ser la temperatura del terreno menor que la ambiente Se usan pozos verticales u horizontales de 100 m En casi cualquier lugar

bull Almacenamiento estacional

bull Se basa en la reducida difusioacuten del calor cuando la masa almacenada es muy grande y la difusividad teacutermica del terreno circundante es baja

bull Calores residuales o calor solar se pueden almacenar en el terreno durante el verano y usarlo en invierno

bull Durante el invierno se puede almacenar friacuteo en el terreno (extrayendo calor) para su uso en verano

bull Si la temperatura no resulta adecuada al uso se emplea bomba de calor para adaptarla con el consiguiente consumo de electricidad

107 Bibliografiacutea

[1] Stein R S Powers J The Energy Problem ISBN 978-981-4340-31-1 Imperial CollegePress

[2] Crawley G M ed The World Scientific Handbook of Energy ISBN 978-981-4343-51-0 2013 World Scientific Publishing Co

[3] Beggs C Energy - Management Supply and Conservation (2nd Edition) 2009 ISBN978-0-7506-8670-9 Electronic ISBN 978-0-0809-4288-9 By Distribuido por Knovel

[4] Herold K E Radermacher R Klein S A Absorption Chillers and Heat Pumps Ed CRC Press 1996

[6] RHC Platform Strategic Research and Innovation Agenda for Renewable Heating amp Cooling European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling httpwwwrhc-platformorgpublications 2013

[5] RHC Platform Strategic Research Priorities for Geothermal Technology European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling httpwwwrhc-platformorgpublications 2012

15

16

101 La produccioacuten de agua caliente sanitaria resulta especialmente favorable de producir con energiacutea solar SI

102 La instalacioacuten de dispositivos de produccioacuten de ACS en edificios nuevos o rehabilitados es obligatoria en Espantildea

SI

103 Para producir ACS solar en Espantildea es necesario recurrir a captadores de tubos de vaciacuteo por las bajas temperaturas en invierno

NO

104 El ACS se puede almacenar preparada hasta su uso SI

105 Si se radica en una zona donde la helada es posible no se puede preparar el ACS hacieacutendola pasar por los captadores

SI

106 Tomar calor de la atmoacutesfera resulta posible para calefaccioacuten por intermedio de una bomba de calor SI

107 Con una bomba de calor se puede lograr habitualmente un COP para calefaccioacuten de 3 o incluso superior SI

108 Dada la temperatura alta de los gases de escape de los motores teacutermicos es posible recuperar ese calor residual para aplicaciones de calefaccioacuten y calor de proceso

SI

109 La cogeneracioacuten conlleva la produccioacuten de electricidad que puede inyectarse en la red SI

1010 El calor de refrigeracioacuten de un motor alternativo de combustioacuten interna p e un Dieacutesel tambieacuten puede usarse para calefaccioacuten

SI

1011 El calor de refrigeracioacuten de un motor alternativo de combustioacuten interna p e un Dieacutesel tambieacuten puede usarse para suministrar a una maacutequina de absorcioacuten de simple efecto

SI

1012 El calor de refrigeracioacuten de un motor alternativo de combustioacuten interna p e un Dieacutesel tambieacuten puede usarse para suministrar a una maacutequina de absorcioacuten de doble efecto

NO

108- Cuestiones de autoevaluacioacuten

17

1013 La energiacutea geoteacutermica activa de media y alta temperatura puede usarse directamente como fuente de calor SI

1014 El almacenamiento estacional en el terreno es uacutetil en instalaciones de uno o algunos chalets unifamiliares NO

1015 Obtener calor del terreno o de las aguas en invierno con bomba de calor para calefaccioacuten es especialmente uacutetil en paiacuteses friacuteos

SI

1016 Si se rechaza el calor residual del acondicionamiento de aire al terreno en verano en invierno conviene tomarlo invirtiendo el funcionamiento de la bomba de calor para evitar la saturacioacuten teacutermica del terreno

SI

1017 El ldquoradiadorrdquo de un coche refrigera el motor con un intercambiador agua-aire generalmente Estaacute dotado de aletas para favorecer la conveccioacuten con el aire forzada con un ventilador perpendicularmente a los tubos de agua iquestEs a flujo cruzado

SI

1018 Al aumentar el aacuterea de transferencia en un intercambiador de calor a resto de paraacutemetros constantes (ceteris paribus) aumenta la conductancia teacutermica

SI

1019 El tener que usar la diferencia logariacutetmica media de temperaturas para calcular la potencia caloriacutefica transferida en un intercambiador de calor se debe a que una corriente se va calentando y otra enfriando progresivamente por lo que aparecen no linealidades al ser la diferencia de temperaturas variables a lo largo del recorrido de intercambio

SI

1020 La ldquocargardquo es decir en este caso la potencia de una maacutequina de absorcioacuten se controla simplemente con las tres temperaturas de sus respectivos intercambios con el exterior

SI

1021 La potencia de un motor se puede controlar de dos maneras con el reacutegimen de giro y con la ldquocargardquo denominada a veces ldquoaceleradorrdquo

SI

1022 Un generador eleacutectrico movido por un motor convencionales ha de girar a reacutegimen fijado por la frecuencia de la red a la que estaacute conectado

SI

108- Cuestiones de autoevaluacioacuten

Actividad propuesta 102 Busque en Internet fabricantes de maacutequinas de absorcioacuten de H2OLiBr

Sugerencias BROAD CARRIER HITACHI LG SANYO SHUANGLIANG THERMAX TRANE YAZAKI Johnson ControlsYORK Climatewell Rotartica SOLARNEXT McQuay Describa los tamantildeos (potencias nominales) disponibles la fuente de calor que emplean (Llama directa gases de escape vapor agua sobrecalentada o agua caliente) el COP seguacuten sean de simple efecto doble efecto triple efecto (Kawasaki Thermal

Engineering) o efecto mitad (solamente teoacuterico) y justifique la razoacuten de ello Indique la forma de evacuacioacuten del calor (condensacioacuten por aire o por agua) Use exclusivamente el espacio reservado en esta cara

Solucioacuten Observando el cataacutelogo de Schuangliangreg wwwschaungliangcom todas operan con la disolucioacuten H2OLiBr donde el agua hace de vapor refrigerante Por ello no pueden producir frio por debajo de 0 ordmC

La versioacuten aparentemente maacutes avanzada es maacutequina de doblesimple efecto para hacer trigeneracioacuten Aprovecha calor residual de gases calientes (ge 250 ordmC y nominalmente 430 ordmC de entrada y 170 ordmC de salida) de motores o turbinas de gas con doble efecto por lo tanto cabe esperar un COP de hasta 13 simultaacuteneamente consume calor del agua caliente de las camisas de refrigeracioacuten de motores alternativos de combustioacuten interna ( ge 98 ordmC) con simple efecto ofreciendo la posibilidad de apoyo con poscombustioacutenProduce nominalmente agua friacutea a 7 ordmC retornando a 12 ordmC Cabe esperar para este calor un COP de hasta 08

El calor bombeado es evacuado al ambiente en el condensador y absorbedor de la maacutequina a una temperatura de salida nominal de 34 ordmC y retorno de 28 ordmC por lo que en un clima caacutelido ha de disponer de torre de refrigeracioacuten huacutemeda que haga bajar la temperatura del aire por evaporacioacuten de agua para posibilitar la evacuacioacuten del calor

En el modo de calefaccioacuten solo consume calor de gases calientes pues el calor del agua caliente del motor se puede consumir directamente Produce agua caliente a 60 ordmC retornando a 56 ordmC con un COP = 1

pues simplemente actuacutea de recuperador del calor de los gases de escape del motor

Disponibles con capacidades de 99 a 2646 USRt que son toneladas cortas USA de Refrigeracioacuten (toneladas de hielo hielodiacutea) 1 USRt = 3517 kW Luego se ofrecen desde 348 kW hasta 93 MW de friacuteo 18

109- Actividades propuestasFecha Apellidos nombre Grupo

17

1013 La energiacutea geoteacutermica activa de media y alta temperatura puede usarse directamente como fuente de calor SI

1014 El almacenamiento estacional en el terreno es uacutetil en instalaciones de uno o algunos chalets unifamiliares NO

1015 Obtener calor del terreno o de las aguas en invierno con bomba de calor para calefaccioacuten es especialmente uacutetil en paiacuteses friacuteos

SI

1016 Si se rechaza el calor residual del acondicionamiento de aire al terreno en verano en invierno conviene tomarlo invirtiendo el funcionamiento de la bomba de calor para evitar la saturacioacuten teacutermica del terreno

SI

1017 El ldquoradiadorrdquo de un coche refrigera el motor con un intercambiador agua-aire generalmente Estaacute dotado de aletas para favorecer la conveccioacuten con el aire forzada con un ventilador perpendicularmente a los tubos de agua iquestEs a flujo cruzado

SI

1018 Al aumentar el aacuterea de transferencia en un intercambiador de calor a resto de paraacutemetros constantes (ceteris paribus) aumenta la conductancia teacutermica

SI

1019 El tener que usar la diferencia logariacutetmica media de temperaturas para calcular la potencia caloriacutefica transferida en un intercambiador de calor se debe a que una corriente se va calentando y otra enfriando progresivamente por lo que aparecen no linealidades al ser la diferencia de temperaturas variables a lo largo del recorrido de intercambio

SI

1020 La ldquocargardquo es decir en este caso la potencia de una maacutequina de absorcioacuten se controla simplemente con las tres temperaturas de sus respectivos intercambios con el exterior

SI

1021 La potencia de un motor se puede controlar de dos maneras con el reacutegimen de giro y con la ldquocargardquo denominada a veces ldquoaceleradorrdquo

SI

1022 Un generador eleacutectrico movido por un motor convencionales ha de girar a reacutegimen fijado por la frecuencia de la red a la que estaacute conectado

SI

108- Cuestiones de autoevaluacioacuten

Actividad propuesta 102 Busque en Internet fabricantes de maacutequinas de absorcioacuten de H2OLiBr

Sugerencias BROAD CARRIER HITACHI LG SANYO SHUANGLIANG THERMAX TRANE YAZAKI Johnson ControlsYORK Climatewell Rotartica SOLARNEXT McQuay Describa los tamantildeos (potencias nominales) disponibles la fuente de calor que emplean (Llama directa gases de escape vapor agua sobrecalentada o agua caliente) el COP seguacuten sean de simple efecto doble efecto triple efecto (Kawasaki Thermal

Engineering) o efecto mitad (solamente teoacuterico) y justifique la razoacuten de ello Indique la forma de evacuacioacuten del calor (condensacioacuten por aire o por agua) Use exclusivamente el espacio reservado en esta cara

Solucioacuten Observando el cataacutelogo de Schuangliangreg wwwschaungliangcom todas operan con la disolucioacuten H2OLiBr donde el agua hace de vapor refrigerante Por ello no pueden producir frio por debajo de 0 ordmC

La versioacuten aparentemente maacutes avanzada es maacutequina de doblesimple efecto para hacer trigeneracioacuten Aprovecha calor residual de gases calientes (ge 250 ordmC y nominalmente 430 ordmC de entrada y 170 ordmC de salida) de motores o turbinas de gas con doble efecto por lo tanto cabe esperar un COP de hasta 13 simultaacuteneamente consume calor del agua caliente de las camisas de refrigeracioacuten de motores alternativos de combustioacuten interna ( ge 98 ordmC) con simple efecto ofreciendo la posibilidad de apoyo con poscombustioacutenProduce nominalmente agua friacutea a 7 ordmC retornando a 12 ordmC Cabe esperar para este calor un COP de hasta 08

El calor bombeado es evacuado al ambiente en el condensador y absorbedor de la maacutequina a una temperatura de salida nominal de 34 ordmC y retorno de 28 ordmC por lo que en un clima caacutelido ha de disponer de torre de refrigeracioacuten huacutemeda que haga bajar la temperatura del aire por evaporacioacuten de agua para posibilitar la evacuacioacuten del calor

En el modo de calefaccioacuten solo consume calor de gases calientes pues el calor del agua caliente del motor se puede consumir directamente Produce agua caliente a 60 ordmC retornando a 56 ordmC con un COP = 1

pues simplemente actuacutea de recuperador del calor de los gases de escape del motor

Disponibles con capacidades de 99 a 2646 USRt que son toneladas cortas USA de Refrigeracioacuten (toneladas de hielo hielodiacutea) 1 USRt = 3517 kW Luego se ofrecen desde 348 kW hasta 93 MW de friacuteo 18

109- Actividades propuestasFecha Apellidos nombre Grupo

Actividad propuesta 102 Busque en Internet fabricantes de maacutequinas de absorcioacuten de H2OLiBr

Sugerencias BROAD CARRIER HITACHI LG SANYO SHUANGLIANG THERMAX TRANE YAZAKI Johnson ControlsYORK Climatewell Rotartica SOLARNEXT McQuay Describa los tamantildeos (potencias nominales) disponibles la fuente de calor que emplean (Llama directa gases de escape vapor agua sobrecalentada o agua caliente) el COP seguacuten sean de simple efecto doble efecto triple efecto (Kawasaki Thermal

Engineering) o efecto mitad (solamente teoacuterico) y justifique la razoacuten de ello Indique la forma de evacuacioacuten del calor (condensacioacuten por aire o por agua) Use exclusivamente el espacio reservado en esta cara

Solucioacuten Observando el cataacutelogo de Schuangliangreg wwwschaungliangcom todas operan con la disolucioacuten H2OLiBr donde el agua hace de vapor refrigerante Por ello no pueden producir frio por debajo de 0 ordmC

La versioacuten aparentemente maacutes avanzada es maacutequina de doblesimple efecto para hacer trigeneracioacuten Aprovecha calor residual de gases calientes (ge 250 ordmC y nominalmente 430 ordmC de entrada y 170 ordmC de salida) de motores o turbinas de gas con doble efecto por lo tanto cabe esperar un COP de hasta 13 simultaacuteneamente consume calor del agua caliente de las camisas de refrigeracioacuten de motores alternativos de combustioacuten interna ( ge 98 ordmC) con simple efecto ofreciendo la posibilidad de apoyo con poscombustioacutenProduce nominalmente agua friacutea a 7 ordmC retornando a 12 ordmC Cabe esperar para este calor un COP de hasta 08

El calor bombeado es evacuado al ambiente en el condensador y absorbedor de la maacutequina a una temperatura de salida nominal de 34 ordmC y retorno de 28 ordmC por lo que en un clima caacutelido ha de disponer de torre de refrigeracioacuten huacutemeda que haga bajar la temperatura del aire por evaporacioacuten de agua para posibilitar la evacuacioacuten del calor

En el modo de calefaccioacuten solo consume calor de gases calientes pues el calor del agua caliente del motor se puede consumir directamente Produce agua caliente a 60 ordmC retornando a 56 ordmC con un COP = 1

pues simplemente actuacutea de recuperador del calor de los gases de escape del motor

Disponibles con capacidades de 99 a 2646 USRt que son toneladas cortas USA de Refrigeracioacuten (toneladas de hielo hielodiacutea) 1 USRt = 3517 kW Luego se ofrecen desde 348 kW hasta 93 MW de friacuteo 18

109- Actividades propuestasFecha Apellidos nombre Grupo

Actividad propuesta 103 Busque en Internet fabricantes de maacutequinas de absorcioacuten de NH3H2O Sugerencias APINAARANER COLIBRI-BV ENTROPIE-SAS ROBUR THERMAX VICOT PINK AOSOL SOLARNEXT Describa los tamantildeos (potencias nominales) disponibles la fuente de calor que emplean (Llama directa gases de escape vapor o agua sobrecalentada o caliente) el COP de refrigeracioacuten el COP de calefaccioacuten y justifique la razoacuten de ello Indique la forma de evacuacioacuten del calor (condensacioacuten por aire o por agua) Use exclusivamente el espacio reservado en esta cara

Solucioacuten Consultando el cataacutelogo de Roburreg httpwwwroburcom se observa

Ofrecen maacutequinas de absorcioacuten haciendo uso de la disolucioacuten NH3H2O donde el NH3 es el gas refrigerante actuando el H2O como disolvente Solo pueden ser activadas por llama directa de combustible por lo que la temperatura de consumo del calor es desconocida Como el NH3 tiene un punto de congelacioacuten muy bajo pueden producir friacuteo bajo cero y pueden instalarse en el exterior sin riesgo de congelacioacuten

El calor a enviar al ambiente actuando como maacutequina frigoriacutefica o el calor tomado del ambiente como maacutequina caloriacutefica se realiza directamente intercambiando con el aire sin necesidad de torre de refrigeracioacuten con un ventilador integral Esto simplifica y abarata la instalacioacuten

Pueden actuar como bombas de calor refrigeradoras con un COP aproximado de 05 a 065 (basado en el PCI del combustible) o calefactoras con un simple cambio de modo operativo con un COP de 15 a 165 (05 a 065+1) El calor producido para climatizacioacuten es a una temperatura baja 40-60 ordmC por lo que es necesario disponer de suelo radiante o aerotermos de gran superficie de intercambio

Esta empresa preconiza su uso simultaacuteneamente aprovechando el friacuteo producido para p e climatizacioacuten y el calor bombeado sirve para climatizar el agua de una piscina con lo que el COP conjunto puede llegar a 2 (05 + 15)

19

109- Actividades propuestasFecha Apellidos nombre Grupo

Actividad propuesta 104 Localice en Internet el consumo europeo de calor para procesos industriales (palabras de buacutesqueda calor de proceso process heat residual heat waste heat heatvalorization) y compaacuterelos con otros consumos energeacuteticos globales y valore el resultado Considere la temperatura a la que se emplea ese calor Cite el origen de sus datos Use exclusivamente el espacio reservado en esta cara

Solucioacuten En el documento ldquoKey Issues for Renewable Heat in Europe (K4RES-H) Solar Industrial Process Heat ndash WP3 Task 35 Contract EIE04204S0738607 EUROPEAN SOLAR THERMAL INDUSTRY FEDERATION 28062006rdquo se afirma ldquothe industrial sector has the biggest energy consumption in the OECD countries at approximately 30rdquo ldquoIn 2000 the energy demand in the EU-15 for industrial process heat up to 250 degC was estimated at about 300 TWhrdquo ldquoIn the EU 23 of these 30 consists of heat rather than electrical energyrdquo ldquoThe major share of energy which is needed in commercial and industrial companies for production processes and for heating production halls is below 250 degCrdquo ldquoAbout 50 of the industrial heat demand is located at temperatures up to 250 degCrdquo Finalmente ldquoSolar heat for industrial processes has a great potential to curb demand for conventional energies and thus to lessen our dependence on imported fuels and to reduce CO2 emissionsrdquo

En el documento ldquoPotential for Solar Heat in Industrial Processes C Vannoni R Battisti S Drigo IEA Task 33IV Potential for Solar Heat in Industrial Processesrdquo se cita ldquoThe recent study ldquoECOHEATCOOLrdquo reports that about 30 of the total industrial heat demand is required at temperatures below 100degC and 57 at temperatures below 400 degCrdquo

Otras fuentes de informacioacuten

httpwwwrhc-platformorgpressnewsnews-singleviewbrowse2articlesolar-thermal-energy-expanding-into-industrial-processes

httpwwwrenewableenergyworldcomreanewsarticle201202kick-starting-solar-process-heat-in-europe

httpwwweuroheatorgHeat-Roadmap-Europe-165aspx

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109- Actividades propuestas (cont)Fecha Apellidos nombre Grupo

Actividad propuesta 105 A) Haciendo uso de las Ecs (107) dibuje las graacuteficas del COP de la maacutequina de absorcioacuten como maacutequina frigoriacutefica y como maacutequina caloriacutefica en funcioacuten de tg Particularice para temperatura media exterior a la maacutequina te = 4 ordmC y evacuacioacuten seca al ambiente tamb = 30 ordmC con un salto teacutermico en la evacuacioacuten de 7 ordmC B) Determine la temperatura media miacutenima de activacioacuten 119905119892119898119894119899 que

hace 119876119890 gt 0 y tgnom a la cual se alcanza la potencia nominal C) Determine ambos COP maacuteximos asintoacuteticos D) Descubra que por encima de un cierto valor de tg no aumenta la eficiencia apreciablemente

aunque siacute la potencia E) iquestQueacute tipo de captador solar resultariacutea adecuado para activar esta maacutequina F) Compare esta tendencia con la de dos maacutequinas de Carnot en serie un motor teacutermico entre Tg y Tac cuyo trabajo (exergiacutea) mueve internamente una bomba de calor entre Te y Tac

Solucioacuten

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109- Actividades propuestas (cont)Fecha Apellidos nombre Grupo

Actividad propuesta 105 A) Haciendo uso de las Ecs (107) dibuje las graacuteficas del COP de la maacutequina de absorcioacuten como maacutequina frigoriacutefica y como maacutequina caloriacutefica en funcioacuten de tg Particularice para temperatura media exterior a la maacutequina te = 4 ordmC y evacuacioacuten seca al ambiente tamb = 30 ordmC con un salto teacutermico en la evacuacioacuten de 7 ordmC B) Determine la temperatura media miacutenima de activacioacuten 119905119892119898119894119899 que

hace 119876119890 gt 0 y tgnom a la cual se alcanza la potencia nominal C) Determine ambos COP maacuteximos asintoacuteticos D) Descubra que por encima de un cierto valor de tg no aumenta la eficiencia apreciablemente

aunque siacute la potencia E) iquestQueacute tipo de captador solar resultariacutea adecuado para activar esta maacutequina F) Compare esta tendencia con la de dos maacutequinas de Carnot en serie un motor teacutermico entre Tg y Tac cuyo trabajo (exergiacutea) mueve internamente una bomba de calor entre Te y Tac

Solucioacuten Se asumen iguales temperaturas tanto para maacutequina frigoriacutefica como caloriacutefica aunque esta uacuteltima suele bombear hasta temperaturas maacutes altas A) Valores particularizados 119905119886119888119901 = 119905119886119898119887 + 7 ordmC =

37ordmC 119905119890119901 = 4 ordmC La graacutefica muestra las potencias relativas (r) a la potencia nominal de refrigeracioacuten 119876119890119899119900119898

B) A partir de 119905119892 = 815 ordmC se degrada el calor de generacioacuten hacia 119905119886119898119887 hasta que se alcanza 119905119892119898119894119899 =

83 ordmC en que la maacutequina empieza a bombear La potencia nominal de friacuteo se alcanza para 119905119892119899119900119898 = 107 ordmC

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109- Actividades propuestas (cont)Fecha Apellidos nombre Grupo

C) 119905119892 = infin rarr 119862119874119875119898119891119898119886119909 =0042

0051= 082

119862119874119875119898119888119898119886119909 = 082 + 1 = 182

D) Las potencias crecen linealmente sin liacutemite (aunque la maacutequina se saturaraacute) y los COP apenas crecen por encima de 119905119892 asymp 95 ordmC

E) Podriacutean valer colectores planos de alta eficiencia o de tubos de vaciacuteo

F) Se desarrolla a continuacioacuten hellip

Actividad propuesta 105 (Cont) F) Compare esta tendencia con la de dos maacutequinas de Carnot en serie un motor teacutermico entre Tg y Tamb cuyo trabajo (exergiacutea) mueve internamente una bomba de calor entre Te y Tamb

Solucioacuten Al disponerse un motor teacutermico de Carnot entre 119905119892 y 119905119886119888 y una bomba de calor de Carnot

entre 119905119890 y 119905119886119888 movida por la potencia del motor W el 119862119874119875 del conjunto es el producto de ambos rendimientos 119862119874119875 = 120578119862119862119874119875119862

Motor teacutermico de Carnot 120578119862=

W 119876119892=

119876119892minus 119876119886119888 119876119892

∆119878 = 0 rarr 119876119892

119879119892=

119876119886119888

119879119886119888

120578119862=119879119892minus119879119886119888

119879119892

Bomba de Carnot 119862119874119875119898119891119862 =

119876119890

W=

119876119890 119876119886119888minus 119876119890

∆119878 = 0 rarr 119876119890

119879119890=

119876119886119888

119879119886119888

119862119874119875119898119891119862 =119879119890

119879119886119888minus119879119890

rarr 119862119874119875 = 120578119862119862119874119875119898119891119862=119879119892minus119879119886119888

119879119892

119879119890

119879119886119888minus119879119890=119905119892minus119905119886119888

119879119892

119879119890

119905119886119888minus119905119890

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109- Actividades propuestas (cont)Fecha Apellidos nombre Grupo

La figura muestra que el modelo de Carnot sobreestima el COPmf en casi un 100 No predice la temperatura miacutenima de activacioacuten ni predice el estancamiento del COP a tg elevadas

Actividad propuesta 105 A) Haciendo uso de las Ecs (107) dibuje las graacuteficas del COP de la maacutequina de absorcioacuten como maacutequina frigoriacutefica y como maacutequina caloriacutefica en funcioacuten de tg Particularice para temperatura media exterior a la maacutequina te = 4 ordmC y evacuacioacuten seca al ambiente tamb = 30 ordmC con un salto teacutermico en la evacuacioacuten de 7 ordmC B) Determine la temperatura media miacutenima de activacioacuten 119905119892119898119894119899 que

hace 119876119890 gt 0 y tgnom a la cual se alcanza la potencia nominal C) Determine ambos COP maacuteximos asintoacuteticos D) Descubra que por encima de un cierto valor de tg no aumenta la eficiencia apreciablemente

aunque siacute la potencia E) iquestQueacute tipo de captador solar resultariacutea adecuado para activar esta maacutequina F) Compare esta tendencia con la de dos maacutequinas de Carnot en serie un motor teacutermico entre Tg y Tac cuyo trabajo (exergiacutea) mueve internamente una bomba de calor entre Te y Tac

Solucioacuten Se asumen iguales temperaturas tanto para maacutequina frigoriacutefica como caloriacutefica aunque esta uacuteltima suele bombear hasta temperaturas maacutes altas A) Valores particularizados 119905119886119888119901 = 119905119886119898119887 + 7 ordmC =

37ordmC 119905119890119901 = 4 ordmC La graacutefica muestra las potencias relativas (r) a la potencia nominal de refrigeracioacuten 119876119890119899119900119898

B) A partir de 119905119892 = 815 ordmC se degrada el calor de generacioacuten hacia 119905119886119898119887 hasta que se alcanza 119905119892119898119894119899 =

83 ordmC en que la maacutequina empieza a bombear La potencia nominal de friacuteo se alcanza para 119905119892119899119900119898 = 107 ordmC

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109- Actividades propuestas (cont)Fecha Apellidos nombre Grupo

C) 119905119892 = infin rarr 119862119874119875119898119891119898119886119909 =0042

0051= 082

119862119874119875119898119888119898119886119909 = 082 + 1 = 182

D) Las potencias crecen linealmente sin liacutemite (aunque la maacutequina se saturaraacute) y los COP apenas crecen por encima de 119905119892 asymp 95 ordmC

E) Podriacutean valer colectores planos de alta eficiencia o de tubos de vaciacuteo

F) Se desarrolla a continuacioacuten hellip

Actividad propuesta 105 (Cont) F) Compare esta tendencia con la de dos maacutequinas de Carnot en serie un motor teacutermico entre Tg y Tamb cuyo trabajo (exergiacutea) mueve internamente una bomba de calor entre Te y Tamb

Solucioacuten Al disponerse un motor teacutermico de Carnot entre 119905119892 y 119905119886119888 y una bomba de calor de Carnot

entre 119905119890 y 119905119886119888 movida por la potencia del motor W el 119862119874119875 del conjunto es el producto de ambos rendimientos 119862119874119875 = 120578119862119862119874119875119862

Motor teacutermico de Carnot 120578119862=

W 119876119892=

119876119892minus 119876119886119888 119876119892

∆119878 = 0 rarr 119876119892

119879119892=

119876119886119888

119879119886119888

120578119862=119879119892minus119879119886119888

119879119892

Bomba de Carnot 119862119874119875119898119891119862 =

119876119890

W=

119876119890 119876119886119888minus 119876119890

∆119878 = 0 rarr 119876119890

119879119890=

119876119886119888

119879119886119888

119862119874119875119898119891119862 =119879119890

119879119886119888minus119879119890

rarr 119862119874119875 = 120578119862119862119874119875119898119891119862=119879119892minus119879119886119888

119879119892

119879119890

119879119886119888minus119879119890=119905119892minus119905119886119888

119879119892

119879119890

119905119886119888minus119905119890

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109- Actividades propuestas (cont)Fecha Apellidos nombre Grupo

La figura muestra que el modelo de Carnot sobreestima el COPmf en casi un 100 No predice la temperatura miacutenima de activacioacuten ni predice el estancamiento del COP a tg elevadas

Actividad propuesta 105 (Cont) F) Compare esta tendencia con la de dos maacutequinas de Carnot en serie un motor teacutermico entre Tg y Tamb cuyo trabajo (exergiacutea) mueve internamente una bomba de calor entre Te y Tamb

Solucioacuten Al disponerse un motor teacutermico de Carnot entre 119905119892 y 119905119886119888 y una bomba de calor de Carnot

entre 119905119890 y 119905119886119888 movida por la potencia del motor W el 119862119874119875 del conjunto es el producto de ambos rendimientos 119862119874119875 = 120578119862119862119874119875119862

Motor teacutermico de Carnot 120578119862=

W 119876119892=

119876119892minus 119876119886119888 119876119892

∆119878 = 0 rarr 119876119892

119879119892=

119876119886119888

119879119886119888

120578119862=119879119892minus119879119886119888

119879119892

Bomba de Carnot 119862119874119875119898119891119862 =

119876119890

W=

119876119890 119876119886119888minus 119876119890

∆119878 = 0 rarr 119876119890

119879119890=

119876119886119888

119879119886119888

119862119874119875119898119891119862 =119879119890

119879119886119888minus119879119890

rarr 119862119874119875 = 120578119862119862119874119875119898119891119862=119879119892minus119879119886119888

119879119892

119879119890

119879119886119888minus119879119890=119905119892minus119905119886119888

119879119892

119879119890

119905119886119888minus119905119890

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109- Actividades propuestas (cont)Fecha Apellidos nombre Grupo

La figura muestra que el modelo de Carnot sobreestima el COPmf en casi un 100 No predice la temperatura miacutenima de activacioacuten ni predice el estancamiento del COP a tg elevadas