INTRODUCCIÓN DE MEJORAS PARA LA CLIMATIZACIÓN DE … · como la calefacción o el aire...

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA,

ESPECIALIDAD MECÁNICA

INTRODUCCIÓN DE MEJORAS PARA LA CLIMATIZACIÓN DE VEHÍCULOS

ELÉCTRICOS

Autor: María Catalina Colino de Gonzalo

Director: Luis Manuel Mochón Castro

Madrid Agosto 2017

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE

PROYECTOS FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE

BACHILLERATO

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. María Catalina Colino de Gonzalo DECLARA ser el titular de los derechos de

propiedad intelectual de la obra: “Introducción de mejoras para la climatización de vehículos

eléctricos, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga

la Ley de Propiedad Intelectual.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la

Universidad, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no exclusiva,

por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de

reproducción, de distribución y de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición

electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación

se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión y acceso

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia habilita para:

a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a

internet y hacerla accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e

incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.

c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo

libre y gratuito a través de internet.

d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse

expresamente y obedecer a causas justificadas.

e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.

f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:

a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos

de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción

de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso

con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio,

investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes

deberes y se reserva las siguientes facultades:

➢ La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no

garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un

uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá

de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se

obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

➢ La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo

la responsabilidad exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en

nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados

del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la

Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso

de las obras.

➢ La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro.

➢ La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en

supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 9 de Julio. de 2017

ACEPTA

Fdo.

Motivos para solicitar el acceso restringido, cerrado o embargado del trabajo en el Repositorio

Institucional:

Declaro, bajo mi responsabilidad, que el Proyecto presentado con el título

“INTRODUCCIÓN DE MEJORAS PARA LA CLIMATIZACIÓN DE

VEHÍCULOS ELÉCTRICOS”

en la ETS de Ingeniería - ICAI de la Universidad Pontificia Comillas en el

curso académico 2016-2017 es de mi autoría, original e inédito y

no ha sido presentado con anterioridad a otros efectos. El Proyecto no es

plagio de otro, ni total ni parcialmente y la información que ha sido tomada

de otros documentos está debidamente referenciada.

Fdo.: María Catalina Colino de Gonzalo Fecha: 09/ 07/ 2017

Autorizada la entrega del proyecto

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Fdo.: Luis Manuel Mochón Castro Fecha: ……/ ……/2017

I

INTRODUCCIÓN DE MEJORAS PARA LA CLIMATIZACION DE

VEHÍCULOS ELÉCTRICOS

Autor: Colino de Gonzalo, María Catalina

Director: Mochón Castro, Luis Manuel

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

Resumen del proyecto

1. Introducción

Los vehículos eléctricos no emiten gases contaminantes, son silenciosos y tienen un bajo

coste de mantenimiento. Sin embargo, se enfrentan a un gran inconveniente que penaliza

el crecimiento de su mercado: la escasez de autonomía. Se puede citar por ejemplo el caso

del vehículo eléctrico de la marca Smart cuya autonomía solo le permite circular en torno

a 145 km en ciudad y condiciones ideales, es decir, sin tener encendidos dispositivos tales

como la calefacción o el aire acondicionado. De hecho, los dispositivos de climatización

actuales consumen alrededor del 45% de la energía almacenada en la batería, limitando

aún más la autonomía del vehículo.

2. Motivación

El Instituto Nacional de Seguridad e Higiene afirma que el confort térmico del conductor

de un vehículo es necesario para evitar efectos tales como la somnolencia o la falta de

concentración. Por esta razón, no se puede prescindir de la climatización del habitáculo

del vehículo para ganar autonomía.

La motivación de este proyecto es encontrar las alternativas a los sistemas de

climatización actuales para limitar el consumo de batería por calefacción o refrigeración

del interior del vehículo.

3. Estado del arte

Sistema de resistencias

Siguiendo el principio del efecto Joule, automóviles tales como el modelo Nissan Leaf,

generan aire caliente en el interior del habitáculo por medio de un sistema de resistencias,

el cual consume 1kW de energía eléctrica por cada kW de potencia calorífica producida.

Teniendo en cuenta que se necesitan de media 5kW para climatizar el coche y que este

tipo de vehículo consumiría 6kW al recorrer 100km por la ciudad a 50km/h. Encender el

equipo de climatización supone un aumento del 83% en el consumo de energía.

II

Bomba de calor

Es propia del modelo ZOE de Renault y se caracteriza por generar el doble de la potencia

que consume. Además, cuenta con la ventaja de hacer las funciones tanto de circuito de

refrigeración como de calefacción. A pesar de esto, la bomba de calor presenta problemas

de funcionamiento a muy baja temperatura ambiente ya que en estas condiciones también

disminuye la presión ambiente y por tanto en el caso del refrigerante utilizado, el R-134a,

si la temperatura es menor a la temperatura de ebullición del refrigerante a presión

atmosférica y además la presión también ha descendido no se puede garantizar que el

refrigerante vaya a estar en estado gaseoso en la entrada del compresor. Para evitar daños

el compresor tiene un sensor de presión que evita el funcionamiento de la instalación a

presión menor a la atmosférica.

Asientos climatizados

La Universidad Técnica de Munich demostró que se puede obtener confort térmico en el

habitáculo del coche sólo con calentar o enfriar los asientos y por tanto, necesitando

menos energía. Este calentamiento o enfriamiento se llevaría a cabo por medio de células

de Peltier las cuales solo necesitarían 0,16kW para aclimatar los asientos. Sin embargo,

todavía no se ha utilizado esta tecnología en vehículos.

4. Definición de objetivos

Este proyecto tiene por objetivo:

o Establecer el refrigerante que permita operar con mayor eficiencia a la bomba de

calor.

o Garantizar que no haya riesgo de bloqueo de la bomba de calor debido a la baja

presión ambiente.

o Mejorar el comportamiento energético de la instalación mediante la introducción

de elementos adicionales.

o Verificar en el laboratorio el comportamiento energético de una célula de Peltier.

5. Metodología y recursos empleados

o Estudio de la bomba de calor

El fluido refrigerante utilizado influye en la operatividad del circuito, por eso se ha

decidido comparar las propiedades termodinámicas de cinco refrigerantes de uso común

para elegir tres de ellos y más adelante, comparar su comportamiento energético.

Después, se han tomado los dos refrigerantes que presenten mejor relación entre la

potencia generada y la potencia consumida (COP), y se ha comprobado su

comportamiento en dos circuitos a los que se les han introducido mejoras adaptadas al

refrigerante. De esta manera se ha elegido el refrigerante y el ciclo respectivo que

optimiza el comportamiento energético de la instalación.

III

Para concluir esta parte, se ha comparado el trabajo que consumiría cada mes el ciclo de

refrigeración mejorado con el trabajo consumido por ciclo actual. También se ha

comparado el precio y el impacto ambiental del refrigerante propuesto con los del

refrigerante utilizado actualmente.

Todos los cálculos se van a realizar mediante el software EES.

o Estudio de una célula de Peltier

Figura 1: Circuito utilizado para el estudio de la célula de Peltier

La potencia consumida por una célula depende de la temperatura de cada una de sus caras.

Para poder realizar el cálculo de la potencia se ha ido al laboratorio y se ha medido la

evolución de la temperatura de cada una de las caras de la célula en función de la tensión

y de la intensidad de alimentación.

En un principio se quería fijar la tensión a 12V, tensión de alimentación del cenicero de

un vehículo, y medir la evolución de las temperaturas al variar la corriente. Sin embargo,

solo se pudieron tomar 3 medidas en esas condiciones y el resto de medidas se tomaron

variando la tensión en función de la intensidad.

Este apartado se concluyó mediante el estudio del impacto energético y económico de la

integración de los asientos calefactados.

Para realizar este estudio se ha tomado una célula de Peltier TEC-12706, un disipador de

calor, un termómetro digital, un polímetro, una placa de interconexión y una fuente de

alimentación.

6. Resultados

o Estudio de la bomba de calor

R-22 R-290 R-717 R-134a R-744

Presión crítica 3 1 5 2 4

Calor latente de vaporización 2 3 5 1 4

Temp ebullición 3 4 2 1 5

Capacidad volumétrica 1 5 2 3 4

Volumen específico 4 2 1 3 5

Estabilidad 1 1 5 5 5

Toxicidad 1 5 1 5 5

ODP/GWP 1 4 5 1 4

Nota 16 25 26 21 36

Tabla 1: Evaluación de las propiedades termodinámicas de los refrigerantes

IV

Se ha puntuado cada refrigerante según sus propiedades, siendo el 1 la peor nota y 5 la

mejor. De esta manera se ha obtenido una calificación para cada refrigerante, permitiendo

la elección de los 3 refrigerantes con mejor nota. Estos son: el R-744, el R-717 y el R-

290. Sin embargo, el R-290 es un refrigerante altamente inflamable que pone en peligro

la seguridad de los pasajeros por lo que se descarta su utilización. Por lo tanto, los

refrigerantes cuyo comportamiento energético se va a estudiar son: el R-744, el R-717 y

el R-134a.

Figura 2: Comparación COP de los tres refrigerantes seleccionados

Tras aplicar el primer principio de la termodinámica al circuito de refrigeración simple

trabajando en condiciones de compresión isentrópica y utilizando los tres refrigerantes

mencionados anteriormente, se demuestra que el R-134a es el refrigerante que presenta

peor relación entre la potencia generada y la consumida y por consiguiente se va a

descartar su utilización.

Tras añadir un eyector y un ciclo secundario (debido a la toxicidad del refrigerante) al

ciclo de refrigeración para el R-717 y un regenerador al ciclo para el R-744, se concluye

que el ciclo que mejora el COP de la instalación es el ciclo para R-744 con regenerador

trabajando en condiciones subcríticas. Esto se debe a la imposibilidad del R-717 a operar

sin un circuito secundario.

Figura 3: Comparación COP de los ciclos mejorados para cada refrigerante

Una vez que se ha decidido el refrigerante que se va a utilizar y el circuito en el que se va

a trabajar, se ha realizado un estudio del impacto energético y medioambiental que

4,881

3,4314,252

5,881

4,4315,252

R-717 R-134A CO2

Verano Invierno

5,765

3,0233,9

1,741

5,427

2,92

4,361

1,112

R717-EYECTOR R717-EYECTOR+CS R744-SUBCRÍTICO R-744-SUPERCRÍTICO

Bomba de calor Refrigeración

V

acompaña a la utilización del refrigerante R-744 respecto a la utilización actual del R134a

operando en un circuito simple

El nuevo sistema consume menos energía en cada estación del año, este ahorro es tal que

en mese como julio se consume un 17% menos de energía respecto a la energía consumida

en el ciclo actual.

Figura 4: Comparación del consumo de energía del ciclo mejorado y del ciclo convencional

Además, el R-744 es un gas menos contaminante que el R-134a. El flujo másico medio

del ciclo de R-134a vale 0,05 kg/s, este flujo tiene el mismo impacto en el efecto

invernadero que 71 kg/s de R-744.

Económicamente, el cambio de refrigerante también supone una mejora. El precio del R-

134a es de 14€/kg y de acuerdo con la ley 16/2013 que regula los impuestos sobre los

gases contaminantes se espera que su precio suba a 26€/kg. Por el contrario, el R-744 es

un refrigerante de muy bajo coste puesto que su precio oscila los 0,08 €/kg..

o Estudio de la célula de Peltier

Figura 6: Evolución de la temperatura de la célula para tensión variable y tensión fija

La temperatura de la cara caliente de la célula siempre supera los 29ºC mientras que la

temperatura mínima de la cara fría es de 21ºC. Como la cara caliente siempre está a una

temperatura superior a la deseada, se va a utilizar el lado frío de la célula para la

climatización de los asientos. La obtención de una temperatura de la cara fría próxima a

la deseada (24ºC) supone el consumo de una potencia de 3W, alimentando la célula a 12V

y 0,25A.

Wcomp R134a (W) WcompReg (W)

VI

7. Conclusiones

Aunque a priori la célula de Peltier presente mejores resultados que la bomba de calor,

hay que tener en cuenta que climatizar los 5 asientos del coche supondría utilizar 1885

células que consumirían 5,6kW y conllevarían un coste de 5843€. Comparando el

coste tanto energético como económico de ambos sistemas se puede concluir que el

circuito mejorado de la bomba de calor es la mejor alternativa a los sistemas de

climatización actuales.

VII

STUDY OF IMPROVEMENTS TO THE AIR CONDITIONING

SYSTEMS FOR ELECTRIC VEHICLES.

Author: Colino de Gonzalo, María Catalina

Directors: Mochón Castro, Luis Manuel

Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

Abstract of the project

1. Introducción

Electric vehicles pollute less than conventional vehicles, they are more silent and they

have a lower maintenance cost. Nevertheless, the autonomy of electric vehicles is limited

by the energy consumption of the engine. To illustrate, the vehicle Smart Electric Drive

has an autonomy of 145km when circulating at a maximum speed of 50km/h. If there is

electric device working, for example the air conditioning, the autonomy is even lower. In

fact, the cooling and heating systems of an electric vehicle can consume the 45% of the

energy of the battery.

2. Motivation

The Spanish National Institute of Health and Hygiene claims that thermal comfort is

essential to avoid somnolence or lack of concentration while driving. Therefore, it is not

possible to avoid air conditioning the interior of the vehicle to gain autonomy.

As a result, the motivation of this project is to find alternatives to the current heating and

cooling systems to reduce the consumption of energy from the battery.

3. State of the art technology

System of resistances

According to Joule´s effect, Nissan´s Leaf model generates hot air in the interior of the

vehicle by a system composed by resistances. This circuit consumes 1kW per kW

generates. As it is necessary to generate 5kW to heat the air and the vehicle consumes

6kW to travel 100km at 50km/h, turning on the heating increases an 83% the energy´s

consumption.

Heating pump

It is used on Renault´s model; ZOE as it generates the double of energy that it consumes.

Besides, it can be used to heat or to refrigerate the air. However, the heating pump does

VIII

not work when the temperature of the ambient is extremely low as the exterior pressure

also decreases and it is not sure that the fluid is gaz.

Heated/Cooled seats

The Technical University of Munich stated that it is possible to achieve thermal comfort

by just heating/cooling the passengers´ seats. The energy to heat/refrigerate the seats

should be generated by Peltier´s cells which only consume 0,16kW. This technology has

not been used yet.

4. Definition of the aims of the project

The aims of this study are:

o Choose the fluid that optimizes the performance of the heating pump

o Guarantee that the heating pump works at low temperatures.

o Improve the energetic performance of the refrigeration cycle by integrating new

elements to the heating pump

o Verify on the laboratory the performance of the Peltier´s cells

5. Methodology

o Study of a heating pump

The fluid used on the cycle has a great influence on the performance of the heating pump.

That´s why, by comparing the thermodynamic properties of the 5 most common fluids, 3

fluids have been chosen to study their energetic performance. Then, two different circuits

have been designed for the two fluids presenting the best relation between the generated

power and the consumed power (COP). As a result, it has been selected the fluid and the

new circuit that optimizes the performance of the refrigeration cycle.

Finally, it has been compared the energy´s consumption of the new cycle with the energy

consumption of the current cycle. In addition, it has also been compared the price and the

environmental impact of the proposed fluid and the fluid that is currently used.

All the calculations have been made by using the EES software.

o Study of a Peltier´s cell

Figure 1: Circuit used for the study of a Peltier´s cell

IX

The power consumed by a cell depends on the temperature of each face of the cell. These

temperatures have been obtained on the laboratory by measuring the evolution of the

temperature of each face according to the voltage and the current provided.

Finally, it has been studied the energetic and economic impact of the integration of this

system.

For this part of the study it has been used: a TEC-12706 cell, a heat exchanger, a digital

thermometer, a polymetre and a generator of intensity.

6. Results

o Study of the heating pump

R-22 R-290 R-717 R-134a R-744







Toxicidad 1 5 1 5 5

ODP/GWP 1 4 5 1 4

Nota 16 25 26 21 36

Table 1: Evaluation of the properties of the fluids

Each fluid has been graded according to its properties, 1 is the grade for the fluid

presenting the worst result and 5 is the grade for the one presenting the best result. As

result, the R-744, R-717 and R-290 should be classified for the next step but, the R-290

is an inflammable fluid so it is dangerous for the passengers. Then, it has been compared

the COP of the R-744, R-717 and R-134a.

Figure 2: : COP of the three refrigerants operating on the simple circuit

The R-134a is the fluid which has the lowest COP, therefore it has been designed two

different circuits, one for the R-717 (which includes and ejector and a secondary circuit

due to the fluid´s toxicity) and one for the R-744 (including an intermediate heat

exchanger) and their COP have been compared. The cycle presenting the best results is

the one for the R-744 working on subcritical conditions as it is not possible to use the R-

717 without the secondary circuit.

4,881

3,4314,252

5,881

4,4315,252

R-717 R-134A CO2

Verano Invierno

X

Figure 3: COP of the new refrigeration circuits

This new system consumes less energy per month than the current cycle , to illustrate in

July the new system saves a 17% of energy regarding the current cycle.

Figure 4: Graph comparing the power consumption of the proposed cycle and the current cycle

Besides, the R-744 pollutes less than the R-134a. The medium R-134a flow is 0,05kg/s

and it has the same effect on the environment as 71kg/s of R-744.

Regarding the cost of the refrigerants, the price of the R-134a is expected to increase up

to 26€/kg due to the law 16/2013 which regulates the taxes on coolants. On the contrary,

the R-744 is a cheap coolant as it only costs 0,08 €/kg.

o Study of the Peltier´s cell

Figure 6: Variation of the temperatures according to the voltage and the current

Regarding the resulting temperatures, it can be inferred that the cold face of the cell will

be the face used to refrigerate the car´s seats as the hot face temperatures are higher than

5,765

3,0233,9

1,741

5,427

2,92

4,361

1,112

R717-EYECTOR R717-EYECTOR+CS R744-SUBCRÍTICO R-744-SUPERCRÍTICO



XI

the desired temperature. The nearest obtained temperature to the desire temperature is

24ºC and it is reached at 12V and 0,25A. Besides the power consumed is 3W

7. Conclusion

Even though it seems that Peltier´s cells are better than the heating pump, the 5 seats of

the vehicle need 1885 cells. This number of cells working at the same time would

consume 5,6kW and just the cost of the cells would be 5843€. As a result, the improved

heating pump is the system that increases the autonomy of the car and that costs less.

1

Índice

Tabla de Figuras ................................................................................................................................... 3

Tabla de Tablas .................................................................................................................................... 5

Tabla de Ecuaciones ............................................................................................................................... 7

1. Memoria descriptiva ..................................................................................................................... 9

1.1 Introducción ................................................................................................................................... 9

1.2 Declaración de objetivos .............................................................................................................. 10

1.3 Metodología ................................................................................................................................. 10

2. Estado del arte de los sistemas de climatización existentes ........................................................ 15

2.1. Calefacción de un vehículo convencional: ............................................................................... 16

2.2. Refrigeración de un vehículo convencional: ............................................................................ 16

2.3. Bomba de calor para vehículos eléctrico ................................................................................. 17

2.4. Sistemas termoeléctricos para vehículos eléctricos................................................................. 18 2.4.1. Principios de la termoelectricidad ...................................................................................... 19 2.4.2. Sistema de resistencias ....................................................................................................... 21 2.4.3. Asientos climatizados mediante células de Peltier ............................................................. 22

2.5. Conclusión ............................................................................................................................... 24

3. Estudio de una bomba de calor ................................................................................................... 25

3.1. Introducción ............................................................................................................................. 25

3.2. Variantes con respecto al ciclo de refrigeración simple .......................................................... 31 3.2.1. Acumulador de alta presión ............................................................................................... 33 3.2.2. Sistema con eyector como elemento de expansión ........................................................... 34 3.2.3. Sistema con intercambiador de calor intermedio .............................................................. 35 3.2.4. Sistema de refrigeración sobrealimentado ........................................................................ 36 3.2.5. Sistema de compresión simple con propósito múltiple ..................................................... 36 3.2.6. Licuefacción de gases ......................................................................................................... 37 3.2.7. Sistemas de compresión múltiple ....................................................................................... 37

3.3. El líquido de refrigeración ........................................................................................................ 38 3.3.1. Designación y clasificación de los refrigerantes ................................................................. 38 3.3.2. Clasificación de los refrigerantes ........................................................................................ 40 3.3.3. Propiedades medioambientales ......................................................................................... 41 3.3.4. Presentación de algunos refrigerantes ............................................................................... 43 3.3.5. Criterios de elección de refrigerantes ................................................................................ 43

3.4. Analisis de resultados .............................................................................................................. 71 3.4.1. Circuito para CO2 con eyector ............................................................................................. 72 3.4.2. Mejora de la autonomía respecto al ciclo actual ................................................................ 73 3.4.3. Mejora del impacto ambiental respecto al ciclo actual ...................................................... 75 3.4.4. Mejora económica respecto al ciclo actual ........................................................................ 75

3.5. Elección de los componentes del circuito ................................................................................ 75 3.5.1 Tipos de compresor ............................................................................................................ 75 3.5.2 Tipos de condensador......................................................................................................... 82 3.5.3 Tipos de evaporador ........................................................................................................... 86

2

3.5.4 Tipos de válvulas ................................................................................................................. 94 3.5.5 Conclusión ................................................................................................................................ 97

4. Estudio de una célula de Peltier .................................................................................................. 99

4.1. Introducción ............................................................................................................................. 99

4.2 Elección del modelo a estudiar ................................................................................................... 100

4.3 Analisis de Resultados ................................................................................................................ 101

5. Conclusión ................................................................................................................................ 107

6. Bibliografía ............................................................................................................................... 109

7. Anexos ...................................................................................................................................... 111

7.1 Código en EES ............................................................................................................................. 111 7.1.1. Circuito de refrigeración simple para R-134a ................................................................... 111 7.1.2. Circuito de refrigeración simple para R-744 ..................................................................... 112 7.1.3. Circuito de refrigeración simple para R-717 ..................................................................... 114 7.1.4. Circuito de refrigeración con eyector para R-717 ............................................................ 115 7.1.5. Circuito de refrigeración con regenerador en régimen subcrítico ................................... 117 7.1.6. Circuito de refrigeración con regenerador en régimen supercrítico ................................ 118

3

Tabla de Figuras Figura 1. Célula de Peltier TEC-12706 11 Figura 2. Disipador de calor 12 Figura 3. Termómetro digital 12 Figura 4. Polímetro 13 Figura 5. Fuente de alimentación 13 Figura 6. Esquema circuito de calefacción del vehículo convencional 16 Figura 7.Esquema circuito de refrigeración de un vehículo convencional. (6) 16 Figura 8. Esquema bomba de calor. (10) 17 Figura 9. Efecto Seebeck. (9) 19 Figura 10. Efecto Seebeck con voltaje. (9) 19 Figura 11. Efecto Thomson. (9) 20 Figura 12. Efecto Joule. (9) 20 Figura 13. Efecto Peltier. (9) 20 Figura 14. Efecto Peltier: Movimiento de electrones. (9) 21 Figura 15. Asientos climatizados. (12) 23 Figura 16. Esquema del circuito de refrigeración de la bomba de calor. (2) 25 Figura 17. Diagrama Presión-Entalpía en el circuito. (2) 27 Figura 18. Eyector (1) 34 Figura 19. Circuito con eyector 35 Figura 20. Sistema con intercambiador de calor intermedio (1) 35 Figura 21. Esquema de la compresión por etapas (1) 37 Figura 22. Clasificación de los refrigerantes según su seguridad (4) 40 Figura 23. GWP de diversos refrigerantes 42 Figura 24. Gráfica de la presión crítica de diversos refrigerantes 45 Figura 25. Gráfica de los calores latentes de vaporización de diversos refrigerantes 46 Figura 26. Gráfica de la temperatura de ebullición de diversos refrigerantes 47 Figura 27. Gráfica de la capacidad volumétrica de diversos refrigerantes 47 Figura 28. Gráfica del volumen específico de diversos refrigerantes en estado vapor saturado 48 Figura 29. Diagrama T-s para R-134a 52 Figura 30. Diagrama T-s para R-744 55 Figura 31. Comparación de COPs frigoríficos 56 Figura 32. Comparación de COPs bomba de calor 56 Figura 33. Comparación potencias consumidas según el refrigerante 57 Figura 34. Flujo másico según el refrigerante 58 Figura 35. Coste según el refrigerante 58 Figura 36. Circuito de refrigeración con eyector 59 Figura 37. Diagrama de fases del circuito con eyector 61 Figura 38. Comparación de COPs utilizando R-717 63 Figura 39. Comparación de trabajos medios consumidos utilizando R-717 63 Figura 40. Comparación de flujos másicos medios utilizando R-717 64 Figura 41. Circuito mejorado para el C02. (1) 65 Figura 42. Diagrama P-h del ciclo mejorado del CO2 en condiciones supercríticas 66 Figura 43. Comparación de COPs utilizando R-717 68 Figura 44. Comparación de COPs del circuito con R717 y del circuito con R-744 68 Figura 45. Comparación final de los COPs de los circuitos mejorados 70 Figura 46. Comparación del circuito de R744 con eyector y con regenerador 73 Figura 47. Comparación trabajo consumido por el R134a y el R744 según la estación 74 Figura 48. Compresor alternativo. (1) 76 Figura 49. Compresor de paletas. (1) 78 Figura 50. Compresor de tornillo. (1) 79 Figura 51. Compresor centrífugo. (1) 80 Figura 52. Condensador por agua. (1) 83 Figura 53. Condensador evaporativo (1) 84 Figura 54. Condensador por aire por convección forzada. (1) 85

4

Figura 55. Evaporador Aire-Refrigerante. (1) 87 Figura 56. Evaporador Refrigerante-Refrigerante 87 Figura 57. Evaporador inundado. (1) 88 Figura 58. Evaporador seco. (1) 89 Figura 59. Evaporador plano. (1) 89 Figura 60. Evaporador de tubos y aletas. (1) 90 Figura 61. Evaporador de placas. (1) 91 Figura 62. Evaporador de tubos descubiertos. (1) 92 Figura 63. Evaporador Coaxial. (1) 92 Figura 64. Evaporador Carcasas-Tubos. (1) 93 Figura 65. Válvula termostática. (1) 95 Figura 66. Válvula de expansión electrónica. (1) 96 Figura 67. Circuito de la célula de Peltier 101 Figura 68. Evolución de la temperatura de la célula a 12V 102 Figura 69. Evolución de la temperatura de la célula a tensión variable 104 Figura 70. Dimensiones de un asiento de coche. (10) 105 Figura 71. Comparación entre la bomba de calor y la célula de Peltier 108

5

Tabla de Tablas Tabla 1. Estado del refrigerante en cada punto. 27 Tabla 2. Efectos en la salud y el medio ambiente de diversos refrigerantes 48 Tabla 3. balance de propiedades refrigerantes elegidos 49 Tabla 4. propiedades del ciclo simple para el R-134a 51 Tabla 5. Resultado de aplicar el primer principio en un ciclo sencillo con R-134a 52 Tabla 6. propiedades del ciclo simple para el R-717 53 Tabla 7. Diagrama T-s para R-717 53 Tabla 8. Resultado de aplicar el primer principio en un ciclo sencillo con R-717 54 Tabla 9. de definición de las propiedades del ciclo simple para el R-744 54 Tabla 10. Resultado de aplicar el primer principio en un ciclo sencillo con R-744 55 Tabla 11. Resultado COPideal 56 Tabla 12. Coste en €/h según el refrigerante 58 Tabla 13. Niveles de presión en el circuito con eyector 60 Tabla 14. propiedades del R-717 en el ciclo con eyector (Puntos 1-5) 61 Tabla 15. propiedades del R-717 en el ciclo con eyector (Puntos 6-10) 61 Tabla 16. Valores del COP de refrigeración y de calefacción 62 Tabla 17. Resultados de los tres circuitos utilizando R-717 62 Tabla 18.Resultados del ciclo de C02 mejorado, en condiciones supercríticas 66 Tabla 19. COP del ciclo de CO2 mejorado en condiciones supercríticas 66 Tabla 20. Resultados del ciclo de C02 mejorado, en condiciones subcríticas 67 Tabla 21. COP del ciclo de CO2 mejorado en condiciones subcríticas 67 Tabla 22. Evaluación del ciclo del R717 y ciclo del R-744 69 Tabla 23. Balance final para la elección de refrigerante 71 Tabla 24. Propiedades del ciclo de R744 con eyector puntos 1-5 72 Tabla 25. Propiedades del ciclo de R744 con eyector puntos 6-10 72 Tabla 26. Comportamiento energético del R744 con eyector 72 Tabla 27. Consumo energético por estaciones 74 Tabla 28. Coste instalación bomba de calor 97 Tabla 29. Características de dos modelos de células. 100 Tabla 30. Resultados de la temperatura a 12 V 102 Tabla 31. Resultados de la potencia a 12V 102 Tabla 32. Resultados de la temperatura a tensión variable 103 Tabla 33. Resultados de la potencia a tensión variable 104

7

Tabla de Ecuaciones

Ecuación 1. Proceso adiabático 25 Ecuación 2. Proceso isentrópico 26 Ecuación 3. Relación de presiones de los puntos 2-3 26 Ecuación 4. Relación de presiones de los puntos 1-4 26 Ecuación 5. Primer principio aplicado en la válvula 26 Ecuación 6. Variación de energía cinética 26 Ecuación 7. Variación de energía potencial 26 Ecuación 8. Conservación de la masa 27 Ecuación 9. Primer principio de la termodinámica 27 Ecuación 10. Desarrollo del primer principio de la termodinámica 28 Ecuación 11. Desarrollo final del primer principio de la termodinámica 28 Ecuación 12. Primer principio aplicado al compresor 28 Ecuación 13. Primer principio aplicado al condensador 28 Ecuación 14. Balance de energía en el condensador 29 Ecuación 15. Calor absorbido por el aire en el condensador 29 Ecuación 16. Entalpía específica del aire 29 Ecuación 17. Primer principio aplicado en la válvula 29 Ecuación 18. Título del refrigerante a la salida de la válvula 29 Ecuación 19. Primer principio aplicado al evaporador 30 Ecuación 20. Balance de energía en el evaporador 30 Ecuación 21. Calor absorbido por el aire en el condensador 30 Ecuación 22. Coeficiente de operatividad en modo calefacción 30 Ecuación 23. Coeficiente de operatividad en modo refrigeración 30 Ecuación 24. Trabajo de una máquina frigorífica 30 Ecuación 25. Rendimiento de Carnot/ COP ideal en refrigeración 31 Ecuación 26. Rendimiento de Carnot/ COP ideal en calefacción 31 Ecuación 27. Rendimiento de Carnot/ COP ideal simplificado 31 Ecuación 28. Rendimiento del compresor 32 Ecuación 29. Rendimiento volumétrico 33 Ecuación 30. Relación de compresión 50 Ecuación 31. Calor liberado por la cara caliente 99 Ecuación 32. Calor absorbido por la cara fría 99 Ecuación 33. Calor por pérdidas de Joule 99 Ecuación 34. Calor por conducción 99 Ecuación 35. Flujo total por la cara caliente 100 Ecuación 36. Flujo total por la cara fría 100 Ecuación 37. Potencia consumida por la placa 100 Ecuación 38: Coeficiente de Seebeck. 100

Universidad Pontificia de Comillas

Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)

Grado en Ingeniería Electromecánica – Especialidad Mecánica

Memoria descriptiva

8




Memoria descriptiva

9

1. Memoria descriptiva

1.1 Introducción

Los vehículos eléctricos presentan numerosas ventajas frente a los vehículos

convencionales. El motor eléctrico permite circular sin contaminar, además este motor es

silencioso y conlleva menos gastos de mantenimiento. A pesar de esto, los vehículos

eléctricos no tienen la suficiente autonomía para recorrer grandes distancias. Por ejemplo,

los vehículos eléctricos de la marca Smart solo pueden recorrer el equivalente a 145km

en ciudad y sin tener en cuenta el uso de otros dispositivos que tengan necesidad de

electricidad para funcionar como es el sistema de climatización. De hecho, este es el

sistema que más energía consume después del motor eléctrico, tanto es así que este

sistema puede representar más de un 45% de la potencia consumida.

El sistema de climatización de un vehículo es aquel sistema que permite regular la

temperatura del interior del vehículo. Por lo tanto, los pasajeros pueden establecer la

temperatura del habitáculo según sus necesidades lo cual permite garantizar tanto la

comodidad de los pasajeros como su seguridad.

El interior de un vehículo puede alcanzar temperaturas negativas en invierno o por el

contrario temperaturas rondando los 40ºC en verano. El frío y el exceso de calor tienen

efectos negativos en el conductor ya que afectan a su estado de bienestar y más importante

aún a su concentración al volante lo que provoca errores de conducción y aumenta el

riesgo de accidentes. Gracias al sistema de climatización del vehículo se pueden evitar

estos problemas, manteniendo la temperatura interior entre 20ºC y 23ºC que son los

valores necesarios para las personas para estar en situación de confort.

La implantación de un sistema de climatización es necesaria en todos los vehículos para

minimizar los riesgos en la carretera. Sin embargo, como se verá más adelante, los

sistemas de climatización de los vehículos eléctricos consumen un alto porcentaje de

batería, es decir, tienen un coste energético alto de manera que se evita su uso para

economizar energía sin tener en cuenta los riesgos que esto conlleva a la hora de circular.




Memoria descriptiva

10

1.2 Declaración de objetivos

Este proyecto tiene como finalidad encontrar la manera de mejorar la autonomía del

vehículo eléctrico. Para ello se han fijado los siguientes objetivos:

o Establecer el refrigerante que permita operar con mayor eficiencia a una bomba

de calor.

o Garantizar que no haya riesgo de bloqueo de la bomba de calor debido a la baja

temperatura ambiente.

o Mejorar el comportamiento energético de la instalación mediante la introducción

de elementos adicionales.

o Verificar en el laboratorio el comportamiento energético de una célula de Peltier.

1.3 Metodología

El estudio llevado a cabo se ha dividido en tres fases:

o Estado del arte de las tecnologías existentes:

Se han estudiado los sistemas de climatización que se están integrando en la actualidad

en los vehículos eléctricos con la finalidad de analizarlos y ver los posibles cambios que

se podrían hacer para mejorarlos. De esta manera se han podido establecer los siguientes

objetivos del proyecto: mejora de la operatividad de la bomba de calor mediante la

introducción de nuevos componentes y el cambio de refrigerante, poner solución al riesgo

de congelación del refrigerante utilizado en la actualidad a baja temperatura, y finalmente,

verificar el comportamiento energético de una célula de Peltier.

o Estudio de la bomba de calor:

La bomba de calor actual es capaz de producir el doble de potencia calorífica de la

eléctrica que consume. Para estudiar cómo mejorar esta relación, primero se han

estudiado las propiedades termodinámicas y el comportamiento energético de los fluidos

refrigerantes. Después, se han tomado los dos refrigerantes que presentaban mejores

resultados y se han diseñado dos circuitos de refrigeración distintos, de tal manera que




Memoria descriptiva

11

cada uno se adapte a las necesidades del respectivo refrigerante. A continuación, se han

comparado, tanto desde el punto de vista energético como económico, el impacto de cada

circuito y se ha tomado el circuito y el refrigerante que presentaba mejores resultados.

Finalmente, se ha terminado estudiando la mejora energética, económica y

medioambiental que supone la integración del nuevo circuito con respecto al circuito

actual.

Los cálculos necesarios para estudiar el comportamiento energético de cada instalación

se han realizado utilizando el software: Engineering Equations Solver (EES)

o Estudio de la célula de Peltier:

La Universidad Técnica de Munich publicó un estudio que afirma que se puede obtener

confort térmico solo con climatizar los asientos. El estudio propone el uso de células de

Peltier pues la potencia consumida por una célula es muy baja, en torno a 0,16W.

Este apartado tiene como finalidad comprobar el adecuado funcionamiento de la célula

de Peltier. Para realizar esta verificación, se han utilizado los siguientes aparatos:

- Una célula de Peltier de tipo TEC-12706

Figura 1. Célula de Peltier TEC-12706




Memoria descriptiva

12

- Un disipador de calor para evitar el sobrecalentamiento de la célula

Figura 2. Disipador de calor

- Una placa de interconexión para poder conectar los elementos del circuito

- Un termómetro digital que permita obtener la temperatura de cada cara de la célula

Figura 3. Termómetro digital




Memoria descriptiva

13

- Un polímetro que permita comprobar que no haya cortocircuitos

Figura 4. Polímetro

- Una fuente de alimentación

Figura 5. Fuente de alimentación




Estado del arte de los sistemas de climatización existentes

15

2. Estado del arte de los sistemas de climatización existentes

Hoy en día conviven vehículos convencionales, vehículos híbridos y vehículos eléctricos.

Debido a sus diferencias en el tipo de motor cada vehículo tiene unas necesidades

diferentes a la hora de diseñar el sistema de climatización.

El vehículo convencional, aquel que funciona con motores térmicos de gasolina o Diesel,

consta de dos sistemas separados: uno de ellos encargado de la calefacción y otro

destinado a la refrigeración.

o El sistema de calefacción dirige hacia el habitáculo el aire calentado por parte

del calor del circuito de refrigeración del motor. Por esta razón calentar el

interior del vehículo no supone un consumo adicional de energía.

o El sistema de climatización inyecta aire frío en el habitáculo a través de un

circuito frigorífico (compuesto fundamentalmente por un evaporador, un

compresor, un condensador y una válvula de expansión). Este proceso sí

conlleva un consumo adicional de combustible.

El vehículo eléctrico, al contrario que el convencional, se caracteriza por un alto

rendimiento del motor eléctrico, entorno al 90%). Esto quiere decir que la cantidad de

calor que disipa es despreciable y, por tanto, insuficiente para acondicionar térmicamente

el interior del habitáculo durante la época fría. Por consiguiente, además del circuito de

refrigeración, el vehículo eléctrico necesitará un circuito de calefacción independiente del

circuito del motor.

A continuación, se presentarán de manera más detallada los diferentes sistemas de

climatización, tanto de los vehículos convencionales como de los vehículos eléctricos.





16

2.1. Calefacción de un vehículo convencional:

Figura 6. Esquema circuito de calefacción del vehículo convencional

El circuito de calefacción es el mismo que el circuito de refrigeración del motor. Consta

de un bucle caliente “warm loop” en el motor, y un bucle frío, “cold loop”,en el

habitáculo. El bucle frío está compuesto de un termostato y de un radiador: el termostato

deja entrar al refrigerante en el bucle frío cuando la temperatura de este es suficientemente

elevada (en torno a 88ºC).

2.2. Refrigeración de un vehículo convencional :

Figura 7.Esquema circuito de refrigeración de un vehículo convencional. (6)

La refrigeración del vehículo, al contrario que el de calefacción, proporciona aire frío en

el interior del habitáculo. Para lograrlo, se necesita un sistema adicional, que funciona

con un fluido frigorífico y que consta de los siguientes elementos:

o Compresor, encargado de aspirar, comprimir y poner en circulación el gas. El

aumento de la temperatura del gas a su paso por el compresor facilita el

intercambio de calor en el condensador.





17

o Condensador, donde el gas a alta presión, la cual se mantiene prácticamente

constante, pasa a fase líquida. El calor extraído se cede al ambiente.

o Filtro deshidratante y filtro de habitáculo, encargados de eliminar las

impurezas. Además, el filtro deshidratante se encarga de retener la humedad

y controlar la calidad de la condensación.

o Válvulas trinarías y válvulas de expansión, ambas encargadas de regular la

presión. Las válvulas trinarías, o presostato, controlan el arranque del

compresor y de ventiladores jugando con la presión, mientras que la válvula

de expansión termostática sirve para hacer caer bruscamente la presión y la

temperatura del líquido dejándolo en estado bifásico.

o Evaporador que permite al refrigerante en estado bifásico absorber calor del

aire del habitáculo. Tras la evaporación del refrigerante, éste vuelve al

compresor para comenzar de nuevo el ciclo. Para evitar fallo del compresor,

hay que asegurar que no le entre fluido frigorífico en fase líquida, lo que

requiere recalentar ligeramente el refrigerante tras su paso por el evaporador.

2.3. Bomba de calor para vehículos eléctrico

Figura 8. Esquema bomba de calor. (10)





18

El funcionamiento de la bomba de calor fue descrito por Carnot en 1824. Más adelante,

Lord Kelvin introdujo la reversibilidad del ciclo, lo que conlleva la obtención tanto de

frío como de calor. No obstante, hasta 2014 no se comenzó a utilizar este sistema como

climatizador de coches eléctricos.

La bomba de calor sigue el esquema del circuito de refrigeración del vehículo

convencional que se ha presentado anteriormente: compresión, condensación,

estrangulamiento y evaporación. La diferencia reside en que ahora el sistema cuenta con

una válvula inversora de manera que el evaporador hace las veces de condensador y el

condensador la función de evaporador. De esta manera, el efecto térmico útil sobre el

habitáculo es el calor cedido por el ahora condensador (modo calefacción), y no el calor

absorbido por el evaporador (modo refrigeración)

Como es propio de los sistemas de bomba de calor, proporcionan más energía térmica

que la consumida, la necesaria para arrastrar el compresor, lo que se mide a través del

COP (energía calorífica útil entre la energía consumida). Un calor típico del COP está en

torno a 3. El modelo “ZOE” de “Renault” presenta un COP de 2, es decir, aporta 2kW de

energía térmica por cada kW consumido)

2.4. Sistemas termoeléctricos para vehículos eléctricos

La termoelectricidad es el fenómeno que permite que crear una tensión a partir de una

diferencia de temperatura y viceversa.

Este apartado tiene como finalidad presentar los principales principios de la

termoelectricidad y sus posibles aplicaciones en refrigeración y calefacción.





19

2.4.1. Principios de la termoelectricidad

• Efecto Seebeck

Este efecto fue descubierto por el físico alemán Thomas Seebeck en 1821, quien observó

que al situar una brújula entre dos materiales conductores distintos y cuyos puntos de

unión están a diferente temperatura, la aguja de la brújula se pone en movimiento.

Figura 9. Efecto Seebeck. (9)

Este hecho le llevó a descubrir que al unir dos materiales conductores de naturaleza

distinta (A y B), y cuyos puntos de unión están a diferente temperatura, se cree una

diferencia de potencial V1 y V2. Este efecto es un ejemplo de una fuerza electromotriz

inducida.

Figura 10. Efecto Seebeck con voltaje. (9)

• Efecto Thomson

Este efecto fue descubierto por William Thomson (Lord Kelvin) en 1851, mediante el

cual al hacer pasar una corriente por ciertos materiales, se genera un gradiente térmico

(de naturaleza distinta al que tiene lugar por efecto Joule), que hace posible el bombeo de

calor. El intercambio de calor por efecto Thomson es proporcional a la intensidad I.





20

Figura 11. Efecto Thomson. (9)

• Efecto de Joule

Este efecto fue enunciado en 1841 por físico inglés James Prescott Joule. Joule midió el

cambio de temperatura de un trozo de alambre al que había expuesto a una corriente

conocida y un tiempo determinado. Este cambio de temperatura se debe a la resistencia

que opone el material al paso de la corriente.

Figura 12. Efecto Joule. (9)

• Efecto Peltier

Este efecto fue enunciado en 1834 por el relojero francés Jean Peltier. Peltier descubrió

que: al unir las extremidades de un hilo de bismuto a un acumulador eléctrico por medio

de dos hilos de cobre, uno de los puntos de unión cobre-bismuto se calentaba mientras

que el otro se enfriaba.

Figura 13. Efecto Peltier. (9)





21

Peltier concluyó que dos materiales conductores de naturaleza distinta, a y b, unidos en

dos nudos, en X e W, y a los que se les impone una corriente I entre Y y Z; se produce

una liberación de calor, Q, en una de las uniones mientras que en la otra unión se absorbe

calor.

Este proceso conlleva:

Figura 14. Efecto Peltier: Movimiento de electrones. (9)

- Un movimiento de los electrones en sentido contrario a la corriente.

- Un movimiento de los protones en el mismo sentido que la corriente.

- Un movimiento de la superficie fría a la caliente tanto por parte de los protones

como de los electrones.

- Una disminución de la entropía de la superficie caliente.

A continuación, se presentan los diferentes sistemas de climatización que siguen los

principios de la termoelectricidad:

2.4.2. Sistema de resistencias

El sistema de resistencias eléctricas sigue el principio del “Efecto Joule”. Este efecto fue

presentado a mediados del siglo XIX por el físico inglés James Prescott Joule. Establece

que: al hacer pasar una corriente eléctrica por un conductor, el conductor se calienta

debido a que opone una resistencia al paso de la corriente. Este aumento de temperatura





22

se traduce en un intercambio de calor entre el conductor y el aire exterior de tal manera

que el aire exterior se calienta.

El problema de este sistema es su coste energético ya que por cada kilovatio de calor

producido se consume un kilovatio de energía eléctrica procedente de la batería del

vehículo. Por ejemplo: el modelo de coche “Smart Fortwo Electric Drive” tiene una

batería de 17kWh y una autonomía de 145km (según indica su ficha técnica), es decir que

en circunstancias ideales consume unos 12kWh cada 100km. Un coche en ciudad puede

circular a una velocidad máxima de 50km/h. Suponiendo que el vehículo circulase a esta

velocidad de manera constante, consumiría unos 6kW. Teniendo en cuenta que hacen

falta una media de 5kW para climatizar el habitáculo, si se dispone de un sistema de

resistencias solo el consumo de la calefacción supone un aumento del 83% del consumo

de energía total de la batería. Se ha tomado 50km/h como velocidad de referencia puesto

que a máxima velocidad, menor es el porcentaje de aumento de consumo de batería

debido a la calefacción por resistencias. Por lo tanto, si un 83% de aumento ya es un valor

elevado, en una ciudad en la que la velocidad media es menor (atascos, semáforos o zonas

con velocidad limitadas), el consumo relativo debido a este tipo de calefacción sería aún

mayor.

Si además se quieren evitar la posibilidad de altas tensiones en el habitáculo y el riesgo

de incendios, las resistencias han de calentar un fluido intermedio que es el que cederá

calor al aire exterior. Este último sistema, propio de vehículos como el Nissan Leaf,

disminuye aún más la autonomía del automóvil.

2.4.3. Asientos climatizados mediante células de Peltier

Un estudio de la “Universidad Técnica de Múnich” concluye que estos elementos se

pueden utilizar para la climatización de los elementos en proximidad a los pasajeros

como, por ejemplo: los asientos. Con ello se ahorra energía pues no hace falta calentar el

habitáculo entero y el pasajero percibe tanto o incluso más confort que antes.

Estas son las ventajas y los inconvenientes del uso de células de Peltier según este estudio:

o Ventajas:

- Su nivel de respuesta es bastante alto.





23

- Los elementos de Peltier que fueron instalados tienen una potencia conjunta de

1,6kW mientras que cada asiento necesita 0,15kW para calentarse.

- Se puede recuperar el calor de los componentes electrónicos maximizando la

eficiencia del sistema.

- Permite la climatización remota cuando el coche esté en carga

- Proporcionan versatilidad al automóvil ya que comprende la calefacción y la

refrigeración del vehículo.

- No se necesita ningún fluido que tenga que comprimirse, evaporarse…

o Inconvenientes:

- Se necesitan materiales caros. Los materiales más utilizados son: el Bismuto, el

Telurio, el Antimonio y el Selenio.

Por otro lado, los asientos climatizados ya se están instalando en algunas marcas de coche

como por ejemplo “KIA motors”. Sin embargo, su sistema está formado por un conjunto

de resistencias que calientan el asiento. Como se ha visto en el apartado anterior, las

resistencias consumen bastante energía por lo que sería recomendable sustituir este

sistema por una célula de Peltier.

Figura 15. Asientos climatizados. (12)





24

2.5. Conclusión

Actualmente existen tres posibles opciones a la hora de elegir el sistema de climatización

del vehículo. El sistema por resistencias no solo supone un alto consumo de electricidad,

sino que además solo sirve de calefacción de manera que haría falta un sistema adicional

para refrigerar el vehículo. Por estas razones no se va a continuar el estudio de este

circuito.

Por otro lado, está la bomba de calor, la cual sirve tanto para calentar como enfriar el

habitáculo, además de producir, en modo calefacción, el doble de la potencia calorífica

que consume. La única pega que presenta es el que no funciona a temperaturas muy bajas

puesto que su refrigerante, el R-134a, puede no encontrarse en fase gaseosa a la

temperatura ambiente de invierno de lugares fríos como Canadá (-30ºC). De acuerdo con

esto, este proyecto va a estudiar las mejoras que se puedan introducir en este circuito con

la finalidad de mejorar su comportamiento técnico. También se van a estudiar los

refrigerantes para ver cuál es el refrigerante que optimiza los resultados de la instalación.

Finalmente, los estudios de la universidad técnica de Munich sobre las células de Peltier

muestran resultados favorables, sin embargo, este tipo de sistema de climatización

todavía no se ha instaurado. Para comprobar que efectivamente la introducción de células

de Peltier supone una mejora, se van a probar su operatividad conectando una célula al

mechero de un vehículo eléctrico.




Estudio de una bomba de calor

25

3. Estudio de una bomba de calor

3.1. Introducción

La bomba de calor es el sistema que permite tanto calentar como refrigerar el interior del

vehículo ya que la válvula permite cambiar el sentido de circulación del refrigerante.

A continuación, se van a definir los puntos de funcionamiento del sistema, así como el

estado del refrigerante en cada punto, tanto para el funcionamiento en modo calefacción

como en modo aire acondicionado.

La siguiente figura muestra el circuito de simple de la bomba de calor y la numeración

de las etapas:

Figura 16. Esquema del circuito de refrigeración de la bomba de calor. (2)

Primero, antes de comenzar los cálculos se van a establecer las hipótesis que facilitaran

la obtención de resultados:

o La compresión es adiabática, es decir, no se produce intercambio de calor Q

con el exterior:

Q=0 Ecuación 1. Proceso adiabático





26

o La compresión es reversible, es decir, la variación de entropía s en el

compresor es nula y por lo tanto el rendimiento del compresor es del 100%:

s1=s2

Ecuación 2. Proceso isentrópico

o Las pérdidas de carga en los intercambiadores son despreciables de tal manera

que sólo hay dos presiones en el circuito: la presión de alta entre la salida del

compresor y la entrada en la válvula, y la presión de baja entre la salida de la

válvula y la entrada al compresor. En otras palabras:

p2=p3

Ecuación 3. Relación de presiones de los puntos 2-3

p4=p1

Ecuación 4. Relación de presiones de los puntos 1-4

o La válvula de expansión no intercambia calor con el exterior, es adiabática, y

no produce ni consume trabajo. Por consiguiente, la entalpía específica h es

constante:

h3=h4

Ecuación 5. Primer principio aplicado en la válvula

o La velocidad de entrada y de salida de los aparatos se considera constante por

lo que la variación de energía cinética K va a ser nula.

ΔK=0

Ecuación 6. Variación de energía cinética

o La variación de energía potencial Ep del sistema es despreciable:

ΔEp=0

Ecuación 7. Variación de energía potencial





27

o Dado que se considera régimen estacionario, el flujo m es constante:

𝒅𝒎

𝒅𝒕=0, ∑me-∑ms=0, me=ms

Ecuación 8. Conservación de la masa

En segundo lugar, se van a establecer el estado del refrigerante en cada punto:

1 2 3 4

Vapor Saturado Vapor Sobrecalentado Líquido Saturado Mezcla Bifásica

Tabla 1. Estado del refrigerante en cada punto.

De esta manera, el siguiente diagrama refleja el comportamiento del refrigerante en el

circuito:

Figura 17. Diagrama Presión-Entalpía en el circuito. (2)

En tercer lugar, se va a proceder a hacer el estudio termodinámico de los procesos que tienen

lugar en el compresor, el condensador y el evaporador.

El primer principio de la termodinámica establece que:

ΔE=Q-W

Ecuación 9. Primer principio de la termodinámica





28

ΔE es la variación de energía interna

W es el trabajo de las fuerzas móviles, tanto trabajo generado como consumido

Q es el calor que intercambia el sistema con el exterior

Desarrollando la ecuación se obtiene que:

ΔH+ΔK+ΔEp=Q-W

Ecuación 10. Desarrollo del primer principio de la termodinámica

∆H es la variación de entalpía.

Aplicando las hipótesis pertinentes:

mΔh=Q-W

Ecuación 11. Desarrollo final del primer principio de la termodinámica

A continuación, se va a aplicar el primer principio a cada uno de los elementos del

sistema.

El compresor, como se ha dicho anteriormente, no intercambia calor con el exterior de tal

manera que:

W12=∑m(h2-h1)

Ecuación 12. Primer principio aplicado al compresor

El compresor consumirá este trabajo de la batería del coche eléctrico. Así se permite el

paso de vapor saturado, a la entrada, a vapor sobrecalentado a su salida.

El condensador sí que intercambia calor con el exterior pues esta es su función principal,

sin embargo, ni genera ni consume trabajo, por lo tanto:

Q23=∑m(h2-h3)

Ecuación 13. Primer principio aplicado al condensador





29

Este calor corresponde a un salto entálpico desde la salida del compresor hasta

condiciones de líquido saturado. Por otro lado, este calor lo cede el refrigerante al aire del

habitáculo, de tal manera que el aire recibe la misma cantidad de calor:

Q23=- Qaire_condensador

Ecuación 14. Balance de energía en el condensador

La expresión del calor vista por el aire es:

Qaire_condensador=maire*(hsalida-hentraada)

Ecuación 15. Calor absorbido por el aire en el condensador

A diferencia del fluido frigorífico, cuya entalpía se va a obtener de tablas; en el caso del

aire se puede expresar como:

h=cpT

Ecuación 16. Entalpía específica del aire

cp es la capacidad calorífica del aire

T es la temperatura del aire

La válvula permite pasar de la presión de alta a la presión de baja. La expansión no consume ni

genera trabajo, tampoco absorbe ni cede calor, por consiguiente, es un proceso isentálpico:

h3=h4

Ecuación 17. Primer principio aplicado en la válvula

El resultado de la expansión es refrigerante en estado bifásico, es decir, una parte en forma

de vapor y otra como líquido. El porcentaje de vapor, o título x del vapor, se expresa

como:

𝒙4=𝒉𝟒−𝒉𝒇

𝒉𝒈−𝒉𝒇

Ecuación 18. Título del refrigerante a la salida de la válvula

hg es la entalpía del refrigerante cuando está en fase de vapor saturado





30

hf es la entalpía del refrigerante cuando está en fase de líquido saturado

Finalmente, el evaporador sigue el mismo principio que el condensador. La diferencia

reside en que ahora el calor es absorbido por el refrigerante. Este calor conlleva un salto

entálpico desde la entrada del evaporador hasta las condiciones de vapor saturado a la

presión de baja. Las ecuaciones que describen este proceso son las siguientes:

Q41=∑m(h1-h4)

Ecuación 19. Primer principio aplicado al evaporador

Q41=- Qaire_evaporador

Ecuación 20. Balance de energía en el evaporador

Qaire_evaporador=maire(hsentrada-hsalida)

Ecuación 21. Calor absorbido por el aire en el condensador

Una vez que el líquido a salido del evaporador, entra en el compresor para iniciar el ciclo.

Finalmente, existe un parámetro llamado coeficiente de operatividad, COP, que muestra

la relación entre el calor proporcionado y la electricidad consumida.

COPcalefacción=𝑸𝒄

𝑾

Ecuación 22. Coeficiente de operatividad en modo calefacción

COPrefrigeración=𝑸𝒇

𝑾

Ecuación 23. Coeficiente de operatividad en modo refrigeración

Qc es el foco caliente

Qf es el foco frío

W es el trabajo consumido por el circuito en kW, el trabajo del compresor, cuya expresión viene

dada por:

W=Qc-Qf

Ecuación 24. Trabajo de una máquina frigorífica





31

El valor máximo que puede llegar a tener el COP viene dado por el rendimiento de Carnot,

cuyas expresiones son:

ηcarnot_R=𝑻𝒇

𝑻𝒄−𝑻𝒇

Ecuación 25. Rendimiento de Carnot/ COP ideal en refrigeración

ηcarnot_c=𝑻𝒄

𝑻𝒄−𝑻𝒇

Ecuación 26. Rendimiento de Carnot/ COP ideal en calefacción

Tf es la temperatura absoluta del foco frío (evaporador).

Tc es la temperatura absoluta del foco caliente (condensador).

Teniendo en cuenta que las temperaturas caliente y fría del circuito están próximas a la

temperatura del habitáculo Tint y del ambiente exterior Tamb al vehículo, para el modo

calefacción se puede expresar de forma aproximada:

ηcarnot_c=𝑻𝒊𝒏𝒕

𝑻𝒊𝒏𝒕−𝑻𝒂𝒎𝒃

Ecuación 27. Rendimiento de Carnot/ COP ideal simplificado

Este parámetro permite disponer de la siguiente información sobre el ciclo de

refrigeración:

o Si COPreal = COPideal, se trata de una máquina frigorífica reversible.

o Si COPreal < COPideal se trata de una máquina no reversible (real).

o Si COPreal > COPideal es imposible, vulnera el segundo principio.

3.2. Variantes con respecto al ciclo de refrigeración simple

El apartado anterior muestra el circuito de refrigeración trabajando en condiciones ideales

que difieren bastante de la realidad. Las condiciones reales de funcionamiento se

caracterizan por lo siguiente:





32

o Las pérdidas de carga tienen lugar en todos los componentes del circuito:

compresor, condensador, válvula y evaporador.

o El compresor no es completamente adiabático ni la compresión es un proceso

reversible. Esto último conlleva que exista un rendimiento del compresor ya

que una parte de la potencia recibida se disipa. El valor de este rendimiento

es:

𝜼compresor=𝑾𝒊𝒅𝒆𝒂𝒍

𝑾𝒓𝒆𝒂𝒍=

𝒉𝟏−𝒉𝟐𝒔

𝒉𝟏−𝒉𝟐

Ecuación 28. Rendimiento del compresor

h2s es la entalpía específica del punto dos para condiciones isentrópicas entre los puntos 1 y 2.

o El refrigerante no sale del condensador en condiciones de líquido saturado,

sino que hay un subenfriamiento de tal manera que la temperatura de salida

del refrigerante es menor que la temperatura de saturación, pero mayor que la

temperatura ambiental.

o La válvula no es completamente adiabática, sino que se producen unas

ganancias de calor que conllevan que la entalpía específica a su salida sea

mayor que a su entrada.

o El refrigerante no sale del evaporador en condiciones de vapor saturado, sino

que hay un sobrecalentamiento de tal manera que la temperatura de salida del

refrigerante es mayor que la temperatura de saturación.

o El cambio del caso de condiciones ideales frente al de condiciones reales

también afecta al coeficiente de operatividad de tal manera que:

o El subenfriamiento del condensador afecta positivamente al COP en

condiciones de aire acondicionado. Esto se debe al aumento de la producción

frigorífica puesto que al disminuir la entalpía a la salida del condensador (h3),

disminuye la entalpía a la entrada del evaporador (h4) de tal manera que el

calor intercambiado en el evaporador (Q41) aumenta. Este es el calor del foco

frío, por consiguiente, el COPrefrigeración es mayor que el del circuito ideal.





33

o El sobrecalentamiento del refrigerante a la salida del evaporador aumenta o

disminuye el COP dependiendo del rango de presiones de trabajo ya que el

sobrecalentamiento aumenta la producción frigorífica, pero a la vez hace que

entre más aire caliente en el compresor lo cual o aumenta el consumo de

trabajo del compresor o disminuye el caudal que circula (al disminuir el

caudal, disminuye el rendimiento volumétrico y esto a aumenta el COP)

𝜼volumétrico=𝒄𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍 𝒓𝒆𝒂𝒍 𝒅𝒆𝒔𝒑𝒍𝒂𝒛𝒂𝒅𝒐

𝒄𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍 𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒐 𝒅𝒆𝒔𝒑𝒍𝒂𝒛𝒂𝒅𝒐

Ecuación 29. Rendimiento volumétrico

Con el objetivo de aumentar la capacidad de respuesta del circuito de refrigeración que

trabaja en condiciones reales, mejorar el rendimiento de los aparatos o minimizar las

irreversibilidades; se pueden introducir mejoras al circuito simples de refrigeración. Estas

mejoras se presentan a continuación:

3.2.1. Acumulador de alta presión

La introducción de un acumulador de alta presión al sistema permite la regulación de la

carga de refrigerante para cada condición de trabajo pues el refrigerante sobrante se queda

en el acumulador. Este aparato se sitúa entre el condensador y la válvula y permite obtener

un menor consumo de energía en comparación con el sistema primitivo sobrecargado.

Más adelante se estudiará la cantidad de refrigerante necesaria para el circuito trabajando

en modo calefacción y la cantidad de refrigerante necesaria trabajando en modo

climatización. Según los resultados obtenidos se considerará la posibilidad de incluir un

acumulador en el circuito

Adicionalmente a lo que se ha mencionado, también se recomienda la integración de un

acumulador intermedio a la entrada del compresor con el fin de evitar la entrada de líquido

en el compresor.





34

3.2.2. Sistema con eyector como elemento de expansión

Figura 18. Eyector (1)

Un eyector es un dispositivo de bombeo sin partes móviles que utiliza una corriente

motriz para su funcionamiento. La presión final que se obtiene es una presión intermedia

entre la presión del fluido motriz y el aspirado.

La introducción de un eyector en el circuito simple reduce las irreversibilidades del

proceso de expansión y aumenta la presión de aspiración del compresor. Esto reduce el

trabajo consumido por el compresor mientras que aumenta la diferencia de entalpía entre

la entrada y la salida del evaporador. Ambos acontecimientos conllevan un aumento en

el COP del sistema.

El eyector se sitúa entre el condensador y el evaporador y conecta a su vez con la entrada

del compresor. Además, a la salida del evaporador se coloca una válvula de expansión.

Entonces, desde el punto de vista de la presión, el eyector divide el sistema en cuatro

niveles de presión:

o La entrada del compresor

o La salida del compresor, la entrada y salida del condensador

o La entrada y salida del evaporador

o La presión de mezcla del eyector

La introducción de este aparato al circuito de refrigeración es interesante puesto que el

coeficiente de operatividad aumentará por lo que se reduce el trabajo de compresión.





35

Figura 19. Circuito con eyector

3.2.3. Sistema con intercambiador de calor intermedio

Figura 20. Sistema con intercambiador de calor intermedio (1)

La introducción de un intercambiador de calor intermedio conlleva una transferencia de

calor entre el propio refrigerante en dos puntos diferentes del circuito. Por un lado, el

intercambiador se encuentra entre el condensador y la válvula, aplicando un

subenfriamiento adicional al fluido. Por otro lado, el intercambiador sobrecalienta el

fluido entre la salida del evaporador y la entrada del compresor. De esta manera se evita

la entrada de mezcla bifásica en el compresor pues esta lo dañaría gravemente.

Adicionalmente, el subenfriamiento del fluido disminuye el título de vapor a la entrada

del evaporador y por consiguiente aumenta la diferencia de entalpía entre la entrada y la

salida de este, aumentando el valor del calor de evaporación. Sin embargo, la influencia





36

de este fenómeno sobre el COP depende del incremento del trabajo específico del

compresor.

Este sistema se recomienda en el caso de utilizar refrigerantes naturales como el dióxido

de carbono, CO2, cuyas temperaturas críticas son menores o iguales a la temperatura

ambiente, lo cual lleva a trabajar en la zona transcrítica. Sin embargo, este ciclo necesita

enfriadores en lugar de condensadores, de tal manera que no se produzca en ellos cambio

de fase. Por otro lado, la presencia de intercambiadores intermedios permitirá obtener a

final de la expansión un título menor del refrigerante. Esto aumentaría el salto entálpico

en el evaporador, aumentando el intercambio de calor en él.

3.2.4. Sistema de refrigeración sobrealimentado

El sistema de refrigeración sobrealimentado consta de un compresor, un condensador, un

depósito acumulador de alta presión, una bomba, un evaporador, un dispositivo de

expansión y un depósito acumulador de baja presión.

Su principal ventaja es que permite trabajar con caudales importantes sin penalizar el

nivel de presiones del ciclo. Esto se debe a que el acumulador de baja permite desvincular

el flujo que circula por el evaporador del flujo que se comprime en el compresor y que

determina el nivel de presiones del ciclo. Además, este aparato garantiza que todo el

refrigerante que entra en el compresor lo hace en estado de vapor recalentado, evitando

que entre líquido en el compresor.

3.2.5. Sistema de compresión simple con propósito múltiple

Este sistema consta de un evaporador y una válvula adicional que trabajan en paralelo a

la válvula de expansión del circuito sencillo. Cada válvula expansiona el refrigerante a

dos temperaturas de evaporación diferentes.

Este sistema se puede encontrar en autobuses en los que el conductor recibe aire en la

parte delantera del autobús a una temperatura y los pasajeros desde el techo del autobús

a otra temperatura diferente.





37

3.2.6. Licuefacción de gases

La licuefacción de gases es necesaria para refrigerantes cuyas temperaturas críticas son

extremadamente bajas como, por ejemplo, el helio a -268ºC.

3.2.7. Sistemas de compresión múltiple

Consiste en que la compresión se realiza en varias etapas con enfriamiento intermedio

entre dichas etapas.

Figura 21. Esquema de la compresión por etapas (1)

Con ello se consigue, fundamentalmente, reducir el trabajo de compresión. Este sistema

se utiliza tanto en procesos de congelación como en procesos en los que la diferencia de

temperatura de condensador y del evaporador supera los 50ºC. El uso de un sistema de

compresión simple cuando esta diferencia de temperatura supera los 50ºC puede producir

los siguientes problemas:

o Disminución de la vida útil del compresor, puesto que las altas temperaturas

de descarga del compresor pueden provocar problemas de lubrificación del

refrigerante debidas a su descomposición y a su pérdida de propiedades.

Además, el compresor se encuentra expuesto a mayores tensiones térmicas.

o Disminución del rendimiento volumétrico del compresor, pudiendo llegar a

ser nulo. Esto se debe a que, al aumentar la diferencia de temperatura entre el

evaporador y el condensador, también aumenta la diferencia entre la presión

de baja y de alta y por consiguiente, la relación de compresión. El aumento de





38

la relación de compresión es inversamente proporcional al rendimiento

volumétrico.

o Disminución del COP, ya que al aumentar la diferencia de temperatura y de

presión, también aumenta la diferencia de entalpía entre la entrada y la salida

del compresor. Esto conlleva una mayor cantidad de trabajo consumida por el

compresor y una disminución del coeficiente de operatividad.

El sistema de compresión por etapas supone un beneficio para un sistema bajo estas

circunstancias ya que reduce la temperatura final de descarga del compresor, al mismo

tiempo reduce la relación de compresión y finalmente reduce el trabajo específico de

consumido por el compresor.

3.3. El líquido de refrigeración

El refrigerante es el fluido que circula por el interior del circuito de compresión. Los

refrigerantes tienen entre sus características, elevadas entalpias de vaporización-

condensación.

A continuación, se van a estudiar las propiedades de los refrigerantes puesto que la

elección de los componentes del circuito y las condiciones de trabajo del ciclo dependen

del fluido refrigerante que se utilice.

3.3.1. Designación y clasificación de los refrigerantes

Debido a la gran cantidad de fluidos de refrigeración existentes, en 1956 se desarrolló el

sistema estándar de designación de refrigerantes. Este sistema sigue vigente hoy en día,

encontrándose en el Reglamento de Seguridad para instalaciones frigoríficas.

Cada refrigerante se designa por la letra R seguida de 4 cifras siguiendo las siguientes

especificaciones:





39

o Refrigerantes derivados del: metano, propano y butano:

La primera cifra de la derecha indica, si no hay bromo en el compuesto, el número de

flúor en su molécula. La siguiente cifra simboliza el número de átomos de hidrógeno más

uno mientras que la próxima a esta indica el número de átomos de carbono menos uno.

Finalmente, se indica el número de enlaces dobles de carbono de la molécula. La

penúltima o la última se omiten en caso nulo. Si la molécula contuviese bromo, se añadiría

una B al final, junto con el número de átomos de bromo. Por otro lado, si fuese necesario,

se añadirían tantos átomos de cloro como fuesen necesarios para los enlaces de carbono.

o Refrigerantes derivados del etano pudiendo dar lugar a isómeros:

Las reglas anteriores se aplican de la misma manera a estos refrigerantes. La diferencia

reside en que a la derecha del todo se coloca una letra minúscula: “a”, “b”, “c” … en

orden creciente de asimetría. En caso de no aparecer ninguna letra, la asimetría es nula.

Para ilustrar lo que se acaba de explicar se va a tomar como ejemplo al R-134a. Se

empieza por el 4 que marca el número de átomos de flúor. A continuación, el 3 muestra

el número de átomos de hidrógeno menos 1, es decir solo hay 4 átomos de hidrógeno. El

1 hace referencia al número de átomos de carbono menos 1, por lo que también contiene

2 átomos de carbono. El guion marca que el último número es cero y por tanto marca la

ausencia de enlaces de carbono. Finalmente, la letra “a” minúscula señala el grado de

asimetría con los isómeros que pueden darse lugar. Al tratarse de la letra “a”, la asimetría

será leve.

o Refrigerantes derivados del propano pudiendo dar lugar a isómeros

Las reglas del principio se aplican de la misma manera, sin embargo, al final se añaden

dos letras minúsculas. La primera letra designa el número de átomos del enlace de

carbono intermedio mientras que la segunda letra indica el orden de asimetría, según el

mismo criterio que en el caso anterior.

o Refrigerantes formados por mezclas puras

Estos refrigerantes se caracterizan por la designación de ambos componentes según las

normas anteriores. El primer refrigerante será el de menor temperatura de ebullición.





40

Además, aparece la fracción másica de cada componente entre paréntesis: R-125/143a

(50.0/50.0)

o Hidrocarburos

Los hidrocarburos se designan dentro de la gama: R-600. En el caso de los hidrocarburos

saturados de 4 a 8 átomos de carbono: se escribe el número de átomos de carbono menos

4 a la derecha del todo. De esta manera, el pentano se denomina: R-601.

o Compuestos inorgánicos

Los compuestos inorgánicos se clasifican dentro de la gama R-700. Las dos últimas cifras

indican el peso molecular del compuesto. Este es el caso del dióxido de carbono,

denominado R-744 ya que es un compuesto inorgánico de peso molecular 44g

3.3.2. Clasificación de los refrigerantes

Los refrigerantes pueden ser peligrosos para el ser humano y para el medio ambiente, por

eso se han establecido una serie de criterios de clasificación según su nivel de toxicidad

e inflamabilidad. Esta clasificación también se encuentra contenida en el Reglamento de

Seguridad para instalaciones frigoríficas.

Los refrigerantes se clasifican con una letra mayúscula que indica la toxicidad, seguida

de un número que indica la inflamabilidad. De esta manera existen los refrigerantes de

las siguientes clases:

Figura 22. Clasificación de los refrigerantes según su seguridad (4)





41

o Clase A: no son tóxicos para volúmenes superiores a 400 ppm

o Clase B: sí son tóxicos para volúmenes inferiores a 440 ppm

o Clase 1: no se produce una llama para temperaturas de 60ºC y 101kPa

o Clase 2: presentan un límite inferior de inflamabilidad mayor que 0,1kg/m3 a

23ºC y 101kPa. Además, su calor de combustión es más pequeño de 19MJ/kg.

o Clase 3: presentan un límite inferior de inflamabilidad menor que 0,1kg/m3 a

23ºC y 101kPa. Además, su calor de combustión es más grande de 19MJ/kg.

A esta clasificación hay que añadirle la siguiente clasificación en grupos:

o Grupo L1: refrigerantes no tóxicos ni inflamables, es decir, estos refrigerantes

son de alta seguridad.

o Grupo L2: refrigerantes tóxicos y/o inflamables al mezclarse con aire en

porcentaje de volumen igual o superior al 3.5%. Es decir, se trata de

refrigerantes de seguridad media.

o Grupos L3: refrigerantes tóxicos y/o inflamables al mezclarse con aire en

porcentaje de volumen inferior al 3.5%. Es decir, se trata de refrigerantes de

seguridad baja.

3.3.3. Propiedades medioambientales

El efecto que tienen los refrigerantes sobre el medio ambiente es decisivo a la hora de

escoger el refrigerante. Existen dos parámetros de medida del daño que ejercen los

refrigerantes al ambiente: la capacidad de destrucción de la capa de ozono y la

contribución al recalentamiento global.

o Capacidad de destrucción de la capa de ozono

Se ha demostrado que las emisiones de refrigerantes que contienen floro o bromo están

destruyendo la capa de ozono. El ODP (Ozone Depletion Potential) indica la contribución

de cada refrigerante a la destrucción del ozono de la estratosfera. Este fenómeno conlleva





42

la sobrexposición de los seres humanos a la radiación ultravioleta puesto que la capa de

ozono es quien filtra la radiación.

A fin de minimizar los riesgos, la Unión Europea estableció bajo el reglamento 2037/2000

la prohibición de los refrigerantes CFC en el año 2000 y el fin de la utilización de HCFC

regenerado para finales de 2015.

o Contribución al calentamiento global

El parámetro que mide las consecuencias de los gases de efecto invernadero es el GWP,

Global Warming Potential.

Los refrigerantes también toman parte en el efecto invernadero. A pesar de que el CO2 es

la sustancia más celebre cuando se habla de calentamiento global, muchos refrigerantes

tienen efectos muchos peores sobre este problema medioambiental. De hecho, el C02 es

el gas tomado como referencia a la hora de establecer el efecto del resto de refrigerantes.

De esta manera, el siguiente gráfico muestra el GWP de diferentes refrigerantes respecto

al del CO2:

Figura 23. GWP de diversos refrigerantes

1430

1810

1 1 20

R134a R22 R717 co2 R290

GWP





43

3.3.4. Presentación de algunos refrigerantes

Los siguientes párrafos están destinados a la presentación de los fluidos de refrigeración

que más se utilizan en la actualidad. Estos refrigerantes son: R-134a, R-717, R-290 y R-

744.

o R-134a: Este refrigerante se utiliza en instalaciones comerciales tanto de alta

como de media temperatura. Se utiliza tanto en aplicaciones de automoción

como en instalaciones de supermercados.

o R-717 (Amoniaco): Es el refrigerante más utilizado en el sector industrial a

pesar de ser tóxico y ligeramente inflamable, ya que presenta una elevada

producción frigorífica, una elevada eficiencia y uno elevados coeficientes de

transmisión de calor. Este refrigerante se puede utilizar con bastante seguridad

puesto que, en caso de fuga, esta se detecta rápidamente debido a que el

amoniaco es menos denso que el aire. Se suele utilizar con compresores de

tornillo.

o R-290 (Propano): Este refrigerante era muy utilizado en climatización

industrial, sin embargo, su alta capacidad de inflamación le hace muy

peligroso. Hoy en día suele utilizar en pequeñas instalaciones de aire

acondicionado en las que la carga de refrigerante no supera los 50g y con

compresores de scroll.

o R-744 (Dióxido de carbono): Este refrigerante se utiliza desde el siglo XIX,

sin embargo, actualmente está resurgiendo como sustituto de otros

refrigerantes gracias a sus propiedades medioambientales y a la seguridad que

ofrece. Todavía más, presenta unas buenas propiedades de transferencia de

calor y elevadas capacidades frigoríficas.

3.3.5. Criterios de elección de refrigerantes

Como se ha visto anteriormente, un refrigerante es aquel fluido capaz de absorber grandes

cantidades de calor de otro cuerpo.





44

La elección acertada de un refrigerante para una instalación frigorífica es fundamental

para asegurar el buen funcionamiento del circuito de refrigeración. Por esa razón se van

a utilizar diversos criterios de evaluación de los fluidos y así garantizar que las

condiciones de funcionamiento del circuito son las mejores posibles.

La metodología para encontrar el mejor refrigerante va a ser la siguiente: En primer lugar,

se van a estudiar las propiedades de los líquidos de refrigeración más comunes (estos han

sido citados en el apartado anterior). En segundo lugar, se va a estudiar el comportamiento

energético de los tres fluidos que mejores propiedades hayan presentado en el apartado

anterior, en circuito de refrigeración simple. Como complemento a este segundo apartado,

se va a realizar un estudio económico y medioambiental de estos tres fluidos. Finalmente,

se van a elegir dos refrigerantes y se van a introducir mejoras al circuito de refrigeración

simple según el refrigerante. El refrigerante y su circuito asociado que presenten mejores

resultados serán los elegidos como instalación de climatización para vehículos eléctricos.

• Propiedades de los refrigerantes

El libro titulado “Portuario del frío” indica que para que un fluido sea un buen

refrigerante para la bomba de calor debe reunir las siguientes características:

o Una presión y una temperatura que no sean demasiado altas en el condensador

ni demasiado bajas en el evaporador

o Una presión de saturación elevada para garantizar que la presión de salida del

compresor es menor que la de saturación. Esto se debe a que si la presión de

salida del compresor es mayor a la de saturación, no se produce cambio de

estado en el condensador.

o Un calor latente de evaporación muy elevado para poder conseguir un mayor

efecto frigorífico.

o Una temperatura de ebullición menor a la temperatura ambiente en

condiciones normales de presión y temperatura.

o Una relación baja entre la presión de salida o descarga y la presión de

aspiración o entrada del compresor





45

o Un volumen específico pequeño del vapor saturado para que nuestro aparato

tenga un tamaño menor.

o Estabilidad química y seguridad contra riesgo de incendio

o Baja toxicidad

o Miscibilidad con el aceite lubricante.

Una vez conocidas las características de. un refrigerante apropiado para el sistema se

procede al estudio de las propiedades termodinámicas de los refrigerantes más comunes

hoy en día: R-22, R-134a, Amoniaco (R-717), Propano (R-290) y Dióxido de carbono

(R-744).

La condensación es la etapa en la que se aprovecha el calor que el fluido refrigerante

emplea en cambiar de estado para calentar el aire. Por esta razón es imprescindible

asegurar que se produzca cambio de estado en el condensador. La condición necesaria

que garantiza el cambio de estado del refrigerante es: que la presión de salida del

compresor sea menor a la presión crítica del fluido.

El siguiente gráfico muestra las presiones críticas de los refrigerantes mencionados

anteriormente en función de sus temperaturas de saturación:

Figura 24. Gráfica de la presión crítica de diversos refrigerantes

0

20

40

60

80

100

120

140

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Presion de saturación (kPa) en función de T (C)

R717 R22 R134a R744 R290





46

El amoniaco, cuyo punto de saturación es el de 11,4Pa a 133ºC, es el fluido que presenta

una mayor presión crítica y que mejor garantizará el cambio de estado en el condensador.

El siguiente fluido que con mayor presión crítica es el dióxido de carbono cuyo punto

crítico se obtiene para una presión de 7,37Pa y una temperatura de 30ºC.

Seguidamente, se comparan los calores latentes de vaporización. Cuanto mayor sea el

calor latente de vaporización menor será el gasto másico circulante.

Figura 25. Gráfica de los calores latentes de vaporización de diversos refrigerantes

Una vez más el amoniaco seguido del dióxido de carbono es el fluido que mejor se adapta

a las especificaciones. El calor latente del amoniaco llega a valer 1369kJ/kgk mientras

que el del dióxido de carbono solo vale 632kJ/kgk.

Por otro lado, se quiere que la temperatura de ebullición del gas sea mucho menor que la

temperatura ambiente para garantizar que el fluido se encuentre en estado gaseoso en la

entrada del compresor.

233,7

1369

215,9

632

425,31

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

R-22

R717 (AMONIACO)

R-134A

R744 (CO2)

R-290 (PRPANO)

Calor latente vaporización (kJ/kgk) a 1,013

bar





47

Figura 26. Gráfica de la temperatura de ebullición de diversos refrigerantes

Todos los refrigerantes cumplen que sus temperaturas de ebullición son muy bajas,

especialmente el dióxido de carbono cuya temperatura llega a valer -78.4ºC. Esta

propiedad es importante debido a que en países como Canadá la temperatura en invierno

puede rondar los -40ºC.

Una relación baja entre la presión de salida o descarga y la presión de aspiración o entrada

del compresor. Es decir, se busca que la capacidad volumétrica del compresor sea alta:

Figura 27. Gráfica de la capacidad volumétrica de diversos refrigerantes

-40,8

-26,2

-78,4

-45,1

R-22

R717 (AMONIACO)

R-134A

R744 (CO2)

R-290 (PRPANO)

-100 -80 -60 -40 -20 0

Temperatura de ebullición (ºC)

4,382

2.862

22.542

3.9

0 10000 20000 30000 40000 50000

R717 (AMONIACO)

R-134A

R744 (CO2)

R-290 (PRPANO)

Capacidad volumetrica





48

El propano seguido por el dióxido de carbono son los fluidos con mayor capacidad

volumétrica mientras que el amoniaco presenta una capacidad volumétrica despreciable.

Además de lo anterior, se quiere que el sistema ocupe el menor espacio posible por eso

se quiere un volumen específico pequeño para el fluido en estado de vapor saturado:

Figura 28. Gráfica del volumen específico de diversos refrigerantes en estado vapor saturado

El dióxido de carbono es el fluido que permitiría economizar el mayor espacio posible.

Por el contrario, la utilización del amoniaco como líquido de refrigeración supondría un

sistema de gran tamaño con respecto al de los otros fluidos.

Más allá de las condiciones que se han evaluado anteriormente, es muy importante tener

en cuenta los efectos que estos refrigerantes tienen en nuestra salud y en el medio

ambiente. La siguiente tabla muestra si los fluidos presentados anteriormente son

inflamables, tóxicos y el grado de influencia negativa que los refrigerantes pueden

tener en el efecto invernadero y en el deterioro de la capa de ozono (O.D.P. (Ozon

Depletion Potential) / G.W.P (Global Warming Potential))

Refrigerante R-22 R717 R-134a R744 R-290

Inflamable Si Si No No Si

Tóxico Si Si No No No

ODP/GWP 0/1200 0/0 0/1300 0/1 0/3

Tabla 2. Efectos en la salud y el medio ambiente de diversos refrigerantes

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09

Volumen específico (m3/kg)

R717 R22 R134a R744 R290





49

Tanto el dióxido de carbono como el R-134a son los únicos refrigerantes que no son ni

inflamables ni tóxicos. Sin embargo, el R-134a presenta un gran potencial de

calentamiento climático en comparación con el potencial del R-744, del R-717 y del R-

290.

Como se ha mencionado anteriormente, tras este estudio se han de elegir 3 refrigerantes

para continuar a con las pruebas de selección de fluido de refrigeración. Para realizar esta

selección se les han puesto notas a los refrigerantes según la adecuación de sus

propiedades al circuito, siendo el 1 la peor nota y 5 la mejor nota. A continuación, se

muestran la tabla con las notas de cada refrigerante.

R-22 R-290 R-717 R-134a R-744







Toxicidad 1 5 1 5 5

ODP/GWP 1 4 5 1 4

Nota 16 25 26 21 36

Tabla 3. balance de propiedades refrigerantes elegidos

Gracias a las notas de cada refrigerante se pueden elegir los tres posibles refrigerantes

para el circuito. queda claro que el dióxido de carbono es uno de los candidatos a ser el

líquido de refrigeración elegido. Seguidamente se encuentran el R-717 y el R-290, sin

embargo, el R-290 es un refrigerante altamente inflamable, poniendo en peligro la

seguridad de los pasajeros por lo que se descarta su utilización. (El R-717 no se ha

eliminado por su toxicidad puesto que este problema se puede solucionar añadiendo un

circuito secundario) Por lo tanto, los refrigerantes cuyo comportamiento energético se va

a estudiar son: el R-744, el R-270 y el R-134a.

A partir de aquí se va a continuar el estudio de los refrigerantes teniendo en cuenta solo:

el R-134a, el R-717 y el R-744.





50

• Comportamiento energético de la instalación

El estudio del comportamiento energético de la instalación es de gran importancia a la

hora de escoger un fluido de refrigeración. Este líquido influye en el trabajo que consume

el compresor de la batería. De esta manera, cuanto mayor sea el trabajo consumido por el

compresor, menor será la autonomía del vehículo.

Los próximos párrafos están destinados al estudio de la relación entre el calor producido

y el calor consumido, es decir al estudio del COP. Como ya se ha visto anteriormente,

cuanto mayor sea el COP del refrigerante, será mayor la eficiencia del ciclo. Para realizar

este estudio se han tomado los tres refrigerantes seleccionados en el apartado anterior: el

R-134a, el R-717 y el R-744.

El procedimiento para obtener el COP ha sido el siguiente: Siguiendo los pasos y las

ecuaciones presentadas en la introducción se han obtenido, usando el Software EES, los

parámetros que definen los diferentes puntos del circuito de refrigeración. Gracias a ello

se han obtenido los valores que permiten la obtención de los valores del calor del

condensador y del evaporador y del trabajo. Finalmente se ha obtenido el COP.

Antes de presentar los resultados se van a precisar los datos que se han establecido para

realizar los cálculos:

o Presión de baja: Normalmente su valor es un poco mayor al de la presión

atmosférica para evitar fugas de refrigerante. Esta presión suele oscilar entre

los valores de 1 bar y 2 bares. Sin embargo, el uso de R-744 hace imposible

trabajar a estas presiones, de tal manera que se ha fijado la presión de baja a 6

bares para todos los refrigerantes.

o Presión de alta: Normalmente su valor oscila entre los 6 bares y los 8 bares.

Dado que la presión de baja que se ha tomado es mayor a la habitual, se va a

tomar una presión de alta que respete la relación de compresión estándar. Por

lo tanto:

𝟐

𝟖=

𝟔

𝑷𝒂𝒍𝒕𝒂, 𝑷𝒂𝒍𝒕𝒂 = 𝟐𝟒𝒃𝒂𝒓

Ecuación 30. Relación de compresión





51

o La temperatura ambiente: Según la Agencia Estatal de Meteorología la

temperatura mínima en invierno en Madrid es de -2.5ºC mientras que la

máxima en verano es de 40ºC. Por consiguiente, estas son las temperaturas

que se han tomado del aire a la entrada del evaporador o del condensador,

según la estación.

o La temperatura de entrada al habitáculo: Como ya se ha mencionado con

anterioridad, según un estudio, la temperatura óptima en el habitáculo es de

23ºC.

o La masa del aire: Según la empresa de climatizadores para autobús SANZ

CLIMA, el flujo másico de entrada en el habitáculo es de 800 m3/kg, es decir

0,2597 kg/s.

Gracias a estos datos se ha podido realizar el estudio del ciclo de refrigeración simple

para los tres refrigerantes, considerando la compresión isentrópica, es decir, que el

rendimiento del compresor es del 100%. A continuación, se encuentran los resultados

de este estudio:

o Comportamiento energético del R-134a

1 2 3 4

P (bar) 6 24 24 6

T (C) 21,55 81,46 75,66 21,55

h(kJ/kg) 262,4 290,5 166,2 166,2

s(kJ/kgK) 0,92 0,92 0,56 0,595

v(m3/kg) 0,034 0,008 0,001 0,016

x 1 1 0 0,468

Tabla 4. propiedades del ciclo simple para el R-134a





52

Figura 29. Diagrama T-s para R-134a

Verano Invierno

mR134a (kg/s) 0,04617 0,05

COP 3,431 4,43

W (kW) -1,295 -1,5

Qev (kW) 4,443 5,1

Qcond (kW) -5,738 -6,6

Th (C) 23 23

Tamb (C) 40 -2,5

Tabla 5. Resultado de aplicar el primer principio en un ciclo sencillo con R-134ª





53

o Comportamiento energético del R-717

1 2 3 4

P (bar) 6 24 24 6

T (C) 9,27 113,9 56,52 9,273

h(kJ/kg) 1471 1676 474,1 474,1

s(kJ/kgK) 5,50 5,50 1,89 1,97

v(m3/kg) 0,21 0,07 0,002 0,04

X 1 1 0 0,18

Tabla 6. propiedades del ciclo simple para el R-717

Tabla 7. Diagrama T-s para R-717





54

Verano Invierno

mR717 (kg/s) 0,0044 0,0055

COP 4,90 5,90

W (kW) -0,91 -1,13

Qev (kW) 4,44 5,53

Qcond (kW) -5.53 -6,66

Th (C) 23 23

Tamb (C) 40 -2,5

Tabla 8. Resultado de aplicar el primer principio en un ciclo sencillo con R-717

o Comportamiento energético del R-744

1 2 3 4

P (bar) 6 24 24 6

T (C) -53,12 35,94 -13,42 -53,12

h(kJ/kg) -75,13 -13,33 -337,9 -337,9

s(kJ/kgK) -0,62 -0,62 -1,852 -1,81

v(m3/kg) 0,063 0,022 0,001 0,015

X 1 1 0 0,238

Tabla 9. de definición de las propiedades del ciclo simple para el R-744





55

Figura 30. Diagrama T-s para R-744

Verano Invierno

mCO2 (kg/s) 0,017 0,020

COP 4,252 5,25

W (kW) -1,045 -1,27

Qev (kW) 4,443 5,40

Qcond (kW) -6,665 -5,48

Th (C) 23 23

Tamb (C) 40 -2,5

Tabla 10. Resultado de aplicar el primer principio en un ciclo sencillo con R-744

Ahora que se dispone de los COPs correspondientes a cada tipo de refrigerante se puede

realizar la comparación entre ellos, pero antes de empezar, se ha de verificar que todos

los coeficientes cumplen el ser menores o iguales que el COPideal. Aplicando las hipótesis

tomadas en la ecuación 18, el coeficiente teórico toma los valores siguientes:





56

Tabla 11. Resultado COPideal

Figura 31. Comparación de COPs frigoríficos

Figura 32. Comparación de COPs bomba de calor

Se puede observar que los tres ciclos establecidos son posibles ya que cumplen que el

valor de su COP menor que el valor teórico. Además, esto indica que los tres circuitos

4,8813,431

4,252

17,41176471

R-717 R-134a CO2 ideal

COP refrigeración

5,881

4,4315,252

11,60784314

R-717 R-134a CO2 ideal

COP bomba de calor

COPideal_bc 11,60 COPideal_ref 17,41





57

son irreversibles por lo que a partir de ahora se van a tener en cuenta las irreversibilidades

a la hora de realizar los cálculos. Por otro lado, los gráficos anteriores muestran que el

refrigerante que presenta mayor eficiencia tanto en verano como en invierno es el R-717.

Por el contrario, el refrigerante que presenta peores condiciones de operación es el R-

134a. Para asegurarse de que el R-134a es el refrigerante que menos interesa usar en este

ciclo, se han comparado los trabajos de compresión:

Figura 33. Comparación potencias consumidas según el refrigerante

Una vez más el R-717 es el refrigerante que mejor actúa puesto que consume la menor

potencia, preservando la autonomía del vehículo. También se cumple que el R-134a

resulta ser el refrigerante menos adecuado pues es aquel que disminuirá el tiempo de gasto

de batería del vehículo eléctrico.

Adicionalmente, aprovechando que en este apartado se ha obtenido los valores del flujo

másico necesario de cada refrigerante; se ha decidido realizar un estudio económico del

uso de cada uno de los tres refrigerantes.

1,133

1,504

1,269

0,9103

1,295

1,045

R-717 R-134A CO2

Trabajo del compresor

Invierno Verano





58

Figura 34. Flujo másico según el refrigerante

Figura 35. Coste según el refrigerante

Este estudio permite darse cuenta de que a pesar de que el flujo másico necesario del R-

744 (CO2) es mayor que el del R-717, el precio del kg de dióxido de carbono es tan bajo

que el coste de usar este refrigerante es mucho menor que el del amoniaco:

Sustancia €/h

R134a 2514,96

R717 108,01

co2 0,54

Tabla 12. Coste en €/h según el refrigerante

0,00500050,01872

0,0499

mR717 (kg/s) mCO2 (kg/s) mR134a (kg/s)

Flujo másico circuito simple (kg/s)

2514,96

108,01080,539136

R134a R717 co2

Coste Refrigerante





59

Finalmente, queda claro que se descarta el uso del R-134a como líquido de refrigeración

de la instalación. Sin embargo, todavía se puede investigar más sobre que refrigerante es

el más adecuado puesto que el COP del R-717 es un poco mayor, pero el precio de carga

del R-744 es más de un orden de magnitud menor que el del R-717.

A continuación, se van a concebir dos instalaciones frigoríficas mejoradas y adaptadas a

cada refrigerante para ver que circuito es más adecuado para el vehículo eléctrico.

Seleccionando entre los posibles elementos de mejora en los que ya se ha profundizado,

se ha decidido añadir un eyector al circuito que utiliza amoniaco como refrigerante

mientras que en el caso del dióxido de carbono se ha optado por añadir un regenerador y

utilizar el condensador como enfriador.

o Circuito de refrigeración con Eyector para el R-717

Figura 36. Circuito de refrigeración con eyector

La introducción de un eyector al circuito de refrigeración influye positivamente el coefi-

ciente de operatividad del sistema pues como se ha visto anteriormente, un eyector dis-

minuye las irreversibilidades del sistema y aumenta el salto entálpico en el evaporador.

Por otro lado, la introducción de un eyector conlleva trabajar en cuatro niveles de presión

diferentes:

- La salida del compresor, el condensador y la entrada del eyector (N1)





60

- La salida del eyector y la entrada del compresor (N2)

- La presión de mezcla del eyector (N3)

- La entrada y salida del evaporador (N4)

El criterio de selección de las presiones ha sido el siguiente:

- Mantener la relación de compresión (Pentrada = Psalida/4)

- Mantener el valor de la presión de alta a 8 bares

- La presión mínima no puede ser menor que la presión atmosférica para evitar

fugas en el circuito. En este caso, se va a tomar el valor de la presión atmos-

férica para trabajar en condiciones críticas

- El valor de la presión de mezcla va a ser el valor intermedio entre la presión

de entrada al compresor y la presión del evaporador.

De esta manera, los valores de las presiones de cada uno de los niveles son los siguientes:

N1 N2 N3 N4

P (bar) 8 2 1,5 1,013

Tabla 13. Niveles de presión en el circuito con eyector

Una vez que se conocen las presiones y el comportamiento termodinámico del fluido en

cada punto, se puede proceder al cálculo del COP del circuito gracias al software EES. A

continuación, se va a mostrar el diagrama T-s del ciclo, así como las propiedades de cada

punto del circuito y el COP del circuito. Finalmente se va a comparar los valores de

los COPs con los resultados obtenidos en el caso de un circuito simple. Se ha de tener en

cuenta que todos los valores mostrados a continuación han sido obtenidos considerando

que el rendimiento del compresor es del 70% (rendimiento propio de un compresor de

tamaño adecuado al circuito de refrigeración de un coche).





61

Figura 37. Diagrama de fases del circuito con eyector

1 2 3 4 5

P (bar) 2 8 8 1,013 1,013

T(C) -18,85 96,71 17,84 -33,33 -33,33

h(kJ/kg) 1439 1682 283,3 283,3 1418

v(m3/kg) 0,5946 0,2173 0,00163 0,194 1,124

s(kJ/kgK) 5,887 6 1,3 1,4 6,12

x 1 1 0 0,1712 1

Tabla 14. propiedades del R-717 en el ciclo con eyector (Puntos 1-5)

6 7 8 9 10

P (bar) 1,013 2 2 1,5 1,5

T(C) -33,33 -18,85 -18,85 -25,21 25,21

h(kJ/kg) 776,5 776,5 113,8 113,8 1430

v(m3/kg) 0,60 0,30 0,0015 0,018 0,77

s(kJ/kgK) 3,4 3,28 0,67 0,67 6

x 0,53 0,5 0 0,021 1

Tabla 15. propiedades del R-717 en el ciclo con eyector (Puntos 6-10)





62

Invierno Verano

COP 5,76 5,43

Tabla 16. Valores del COP de refrigeración y de calefacción

Se observa que el COP obtenido tanto para el funcionamiento en modo bomba de calor

como en modo de refrigeración es bastante elevado ya que por cada kW consumido se

ganan más de 5kW.

Ahora se va a estudiar la mejora del comportamiento energético de la instalación, com-

parando los COPs, los trabajos consumidos y el flujo másico necesario de tres circui-

tos. Estos tres circuitos son: los circuitos de referencia (el circuito simple trabajando en

las condiciones del apartado anterior (es decir, en un rango de presiones altas), y el se-

gundo es el circuito simple trabajando en las condiciones normales de presión en circuitos

de refrigeración de coches) y el circuito con eyector incorporado. En los tres casos se ha

considerado que el rendimiento del compresor es del 70%.

Simple alta P Simple CN Eyector

COP refrigeración 3,42 4,16 5,43

COP bomba de calor 4,42 5,17 5,76

Wmed compr(W) 1404,5 1177,5 987,35

mR med (kg/s) 0,005 0,004 0,004

Tabla 17. Resultados de los tres circuitos utilizando R-717





63

Figura 38. Comparación de COPs utilizando R-717

Figura 39. Comparación de trabajos medios consumidos utilizando R-717

3,417

4,4174,16

5,1695,427

5,765

COP REFRIGERACIÓN COP BOMBA DE CALOR

Comparación de COPs para R717

Simple alta Presion Simple CN Eyector

1404,5

1177,5

987,35

W MEDIO COMPRESOR (W)






64

Figura 40. Comparación de flujos másicos medios utilizando R-717

Se demuestra que añadir un eyector ha mejorado considerablemente la eficiencia del sis-

tema puesto que el COP de refrigeración ha aumentado un 30% respecto al del circuito

simple trabajando en condiciones normales, el trabajo medio consumido ha disminuido

un 16%, lo cual aumenta la autonomía del sistema, y finalmente el flujo másico medio

también ha disminuido un 4%, disminuyendo a largo plazo los costes relativos al refrige-

rante.

o Circuito de refrigeración con Regenerador para el R-744

El R-744 es un refrigerante cuyo punto crítico se obtiene a una temperatura inferior a la

temperatura media de verano en Madrid. Es decir, este fluido se encuentra en condiciones

de vapor sobrecalentado a la temperatura ambiente en verano. Como consecuencia, en el

caso del CO2 se va a utilizar un enfriador en vez de un condensador pues el fluido a la

salida del compresor va a estar en condiciones supercríticas (por encima del punto crítico)

que no permiten el cambio de estado en este intercambiador de calor. Además, este

circuito va a contar con un regenerador que permita obtener un título menor a la entrada

del evaporador y así aumentar el calor absorbido por este.

0,0048125

0,0042475

0,0040705

MR MED (KG/S)






65

Figura 41. Circuito mejorado para el C02. (1)

Para realizar los cálculos que permitan obtener el COP de la instalación se han fijado los

valores de ciertos parámetros según los siguientes criterios:

-Se mantiene la tasa de compresión de los apartados anteriores

-Se toma como presión de alta presión siguiente a la presión crítica

- La temperatura del punto 4 es la temperatura justo mayor a la temperatura crítica

para así asegurar que se trabaja en condiciones transcríticas

-La variación de temperatura del refrigerante entre los puntos 1-6 es de 10ºC pues

esta es la variación de temperatura más común en los intercambiadores de calor.

-El rendimiento del compresor es del 70%

Gracias a estas hipótesis y al software EES se ha definido el estado del refrigerante en

cada uno de los puntos del sistema, lo cual ha permitido realizar el estudio del

comportamiento energético de la instalación trabajando en condiciones supercríticas. A

continuación, se muestra el diagrama P-h de la instalación que permite observar las fases

del ciclo y los resultados:





66

Figura 42. Diagrama P-h del ciclo mejorado del CO2 en condiciones supercríticas

1 2 3 4 5 6

P (bar) 18,75 74,77 74,77 74,77 18,75 18,75

T(C) -11,59 106,3 32,62 31,98 -21,59 -21,59

h(kJ/kg) -57,77 37,02 -128 -140,1 -140,1 -69,79

v(m3/kg) 0,022 0,008 0,003 0,003 0,0156 0,02

s(kJ/kgK) -0,73 -0,66 -1,15 -1,193 -1 -0,78

x 1 1 1 1 0,75 1

Tabla 18.Resultados del ciclo de C02 mejorado, en condiciones supercríticas

Invierno Verano

COP 1,74 1,11

Tabla 19. COP del ciclo de CO2 mejorado en condiciones supercríticas

Se puede observar que el COP de la instalación trabajando en estas condiciones es muy

bajo, de hecho, es mucho menor que el coeficiente del circuito simple trabajando en

condiciones subcríticas que se ha obtenido en el apartado anterior. Se probó a aumentar

la presión y la temperatura del punto 4 sin obtener mejoras considerables. Antes de





67

descartar la validez del regenerador a la hora de mejorar la eficiencia de la instalación, se

va a estudiar este ciclo trabajando en las condiciones de presión del apartado anterior, es

decir, a 6 bares en la zona de baja y 24 bares en la zona de alta. Además, el enfriador

anterior funcionará como condensador. De esta manera se obtendrán los resultados

siguientes:

1 2 3 4 5 6

P (bar) 6 24 24 24 6 6

T(C) -43,12 75,98 -13,92 -17,5 -53,12 -53,12

h(kJ/kg) -65,95 27,6 -337,9 -347,1 -347,1 -75,13

v(m3/kg) 0,066 0,025 0,001 0,001 0,014 0,063

s(kJ/kgK) -0,57 -0,5 -1,85 -1,88 -1,85 -0,62

x 1 1 0 0 0,21 1

Tabla 20. Resultados del ciclo de C02 mejorado, en condiciones subcríticas

Invierno Verano

COP 3,9 4,36

Tabla 21. COP del ciclo de CO2 mejorado en condiciones subcríticas

Se observa que el COP de la instalación es mucho mejor que el coeficiente de la

instalación trabajando en condiciones por encima del punto crítico. Se ha probado si el

este último valor del COP mejora al fijar la variación de temperatura entre los puntos 1-

6 en 20ºC (pues este valor también corresponde a los valores estándar de variación de

temperatura de un intercambiador) pero la variación es despreciable. También se ha

probado a aumentar la presión del circuito hasta llegar a la presión máxima que permita

trabajar en condiciones no supercríticas, sin embargo, al aumentar la presión disminuye

el COP. Finalmente, mediante el gráfico siguiente se establece la comparación de los

COPs de los distintos ciclos para R-744, contando todas ellas con un rendimiento del

compresor del 70%:





68

Figura 43. Comparación de COPs utilizando R-717

Como se observa en el gráfico, el COP de la instalación con regenerador operando en

régimen subcrítico aumenta un 47% la eficiencia del sistema.

Una vez estudiados los dos candidatos posibles para el circuito de refrigeración del

automóvil, se comparan sus COPs así como se realiza un balance de sus características

que permita establecer que refrigerante es el más adecuado.

Figura 44. Comparación de COPs del circuito con R717 y del circuito con R-744

3,97 3,9

1,741

3,849

2,47

2,97

4,361

1,112

4,27

2,2

SIMPLE REGENERADOR SUBCRÍTICOREGENERADOR SUPERCRÍTICO A PCRITREGENERADOR SUB. CON T1-T6=20REGENERADOR SUB. A PMÁX

Comparación COPs para CO2

COPbc COPref

3,9

5,765

4,361

5,427

CO2-REGENERADOR R717-EYECTOR

Comparación COP mejorados

COPbc COPref





69

Respecto al coeficiente de operatividad es más atractivo utilizar el amoniaco pues el paso

de usar el eyector en lugar del regenerador supone casi un aumento del 50% en la

eficiencia del sistema. Sin embargo, el comportamiento energético no es la única

propiedad para tener en cuenta a la hora de decidir que refrigerante es el óptimo para el

ciclo de refrigeración. Por esta razón se ha hecho un balance de los beneficios de cada

uno de los refrigerantes. Se han puesto una nota para cada una de las propiedades

estudiadas anteriormente de tal manera que se le pone un 1 al refrigerante que más

destaque en una propiedad y 0 al refrigerante que menos destaque en esa propiedad. La

tabla siguiente muestra los resultados obtenidos.

Propiedades R-717 R-744

Inflamable 0 1

Tóxico 0 1

ODP/GWP 1 1

Calor latente vaporización

(kJ/kgK)

1 0

Temperatura ebullición (C) 0 1

Capacidad volumétrica

(kg/m3)

1 0

Condiciones críticas (kPa/C) 1 0

COP bc 1 0

COPref 1 0

Flujo másico medio (kg/h) 1 0

Coste (€) 0 1

Nota final 7 5

Tabla 22. Evaluación del ciclo del R717 y ciclo del R-744

El R-717 es el refrigerante con mejor nota por lo que parecería lógico escoger el R-717 y

el ciclo de refrigeración con eyector. A pesar de ello, existen tres propiedades importantes

en las que el dióxido de carbono es más adecuado que el R-717. Estas propiedades son:





70

- El coste del refrigerante, siendo el coste del amoniaco dos órdenes de

magnitud mayor que el coste del R-744.

- La temperatura de ebullición: el hecho de que la temperatura de ebullición del

amoniaco sea similar a la temperatura alcanzada en invierno en varios países

del mundo puede provocar que el circuito no funcione debido al riesgo de

congelación del refrigerante.

- El amoniaco es un gas muy tóxico.

Estudiando en mayor profundidad el reglamento de utilización del amoniaco se ha

descubierto que debido a su toxicidad, no es posible el intercambio directo de aire y

amoniaco a través del condensador/evaporador. La solución a este problema sería añadir

dos circuitos secundarios que por un lado intercambien calor con el

condensador/evaporador del ciclo de amoniaco y, por otro lado, intercambien calor con

el aire según se quiera refrigerar o calentar. El gran inconveniente de esta instalación es

el tamaño puesto que llegaría a ocupar aproximadamente tres veces lo que ocupaba el

circuito simple. Además, se ha calculado la eficiencia energética de este nuevo circuito

operando con R-744 como fluido secundario y se han obtenido los siguientes resultados

al comparar los COPs:

Figura 45. Comparación final de los COPs de los circuitos mejorados

3,023

3,9

5,765

2,92

4,361

5,427

R717-EYECTOR + CS CO2-REGENERADOR R717-EYECTOR

Comparación COP final






71

Se concluye que el circuito final correspondiente al refrigerante R-717 es mucho menos

eficiente que el circuito del dióxido de carbono con regenerador. Además, hay que tener

en cuenta que el espacio en el capó del coche (donde se situaría el circuito) es limitado y

al tener que introducir un circuito secundarios, el volumen de la instalación se dobla. De

esta manera se restablece el balance demostrando que el fluido óptimo para la

climatización del vehículo eléctrico es el dióxido de carbono:

R-717 R-744

Inflamable 0 1

Tóxico 0 1

ODP/GWP 1 1

Calor latente vaporiza-

ción (kJ/kgK)

1 0

Temperatura ebullición

(C)

0 1

Capacidad volumétrica

(kg/m3)

0 1

Condiciones críticas

(kPa/C)

1 0

COP bc 0 1

COPref 0 1

Tamaño 0 1

Nota 3 8

Tabla 23. Balance final para la elección de refrigerante

3.4. Analisis de resultados

El apartado anterior consistió en la comparación de diversos refrigerantes para elegir el

refrigerante que optimiza el consumo energético de la instalación. Se concluyó que el

refrigerante que mejor se adapta al circuito es el dióxido de carbono, también conocido

como R-744.

El apartado anterior también demostró que se puede mejorar la relación entre el calor

generado y el trabajo consumido del ciclo del CO2 añadiendo un regenerador al circuito

simple.





72

Por otro lado, también se verificó que añadir un eyector en lugar de un regenerador es

otra manera de mejorar la operatividad de la instalación. Sin embargo, esta comprobación

solo se llevó a cabo con el fluido R-717 por lo que existe la posibilidad de que añadir un

eyector al circuito del R-744 presente mejores resultados que añadir el regenerador. Por

esta razón, a continuación, se va a comparar el circuito del R-744 con regenerador y con

eyector para decidir cuál es el circuito que menos limita la autonomía del vehículo

eléctrico.

3.4.1. Circuito para CO2 con eyector

El eyector, como ya se ha explicado anteriormente, divide al circuito en 4 niveles de

presión. Las presiones establecidas para este circuito han sido elegidas teniendo en cuenta

que la presión mínima de trabajo del dióxido de carbono es de 6 bares y que se quiere

mantener la relación de compresión (1:4). De esta manera, la tabla siguiente muestra las

propiedades termodinámicas del circuito:

1 2 3 4 5

P (bar) 8 32 32 6 6

T(C) -46,01 70,62 -3,18 -53,12 -53,12

h(kJ/kg) -72,92 15,96 -314,4 -314,4 -75,13

v(m3/kg) 0,048 0,018 0,001 0,02 0,063

s(kJ/kgK) -0,65 -0,57 -1,76 -1,70 -0,62

x 1 1 0 0,30 1

Tabla 24. Propiedades del ciclo de R744 con eyector puntos 1-5

6 7 8 9 10

P (bar) 6 8 8 7 7

T(C) -53,12 -46,01 -46,01 -49,37 -49,37

h(kJ/kg) -239,5 -239,4 -405,9 -405,9 -73,91

v(m3/kg) 0,033 0,024 0,00087 0,0019 0,054

s(kJ/kgK) -1,36 -1,39 -2,125 -2,125 -0,64

x 0,52 0,5 0 0,020 1

Tabla 25. Propiedades del ciclo de R744 con eyector puntos 6-10

COPbc COPref Wbc (W) Wref (W)

3,71 3,73 1623 1041

Tabla 26. Comportamiento energético del R744 con eyector





73

Comparando los resultados obtenidos con los resultados para el circuito de refrigeración

con regenerador, se demuestra que en el caso del dióxido de carbono es mejor usar un

circuito con regenerador pues consumiendo prácticamente el mismo trabajo, presenta un

mayor coeficiente de operatividad:

Figura 46. Comparación del circuito de R744 con eyector y con regenerador

3.4.2. Mejora de la autonomía respecto al ciclo actual

Los resultados anteriores han demostrado que el ciclo de refrigeración para CO2 con

regenerador es el que presenta mejor coeficiente de operatividad. Ahora, este apartado

tiene como objetivo demostrar que este circuito disminuirá la potencia consumida

respecto a los ciclos actuales que usan R134a como líquido de refrigeración.

Para realizar este estudio se han tomado las temperaturas medias de cada mes en el centro

de la ciudad de Madrid. Después se ha obtenido la potencia consumida cada mes por el

circuito de CO2 con refrigeración y por el ciclo simple utilizando R134a.

3,71 3,73

3,9

4,361

COPBC COPREF

Comparación de COP con R744

Eyector Regenerador





74

Mes Temperatura (C) R134a (W) R744 (W)

jun-16 23,8 0 0

jul-16 28,1 555 458

ago-16 27,5 489,7 404,6

sep-16 23 0 0

oct-16 17 461 401,4

nov-16 9,7 1022 889,7

dic-16 8,3 1129 983,3

ene-17 6 1306 1137

feb-17 9,2 1060 923,1

mar-17 12,2 829,8 722,5

abr-17 16 537,8 468,3

may-17 20,1 222,8 194

Tabla 27. Consumo energético por estaciones

Se ha considerado que en septiembre y en junio no se pone en marcha el ciclo debido a

que la temperatura deseada en el habitáculo es igual a la temperatura ambiente.

Figura 47. Comparación trabajo consumido por el R134a y el R744 según la estación

Se puede observar que el trabajo consumido por el compresor es menor, todos los meses,

en el caso del regenerador. El ahorro de energía consumida representa de media un 13%,

pudiendo llegar a un 17,5% en meses como julio o agosto.






75

3.4.3. Mejora del impacto ambiental respecto al ciclo actual

El CO2 es uno de los refrigerantes que tiene menos efecto negativo sobre la capa de ozono,

tanto es así, que a la hora de medir el impacto que los refrigerantes tienen en el medio

ambiente, este impacto se mide en kg equivalentes de CO2. Es decir, 1kg de R-134a tiene

el mismo efecto sobre el medio ambiente que 1430 kg de CO2. De esta manera, si el valor

medio del flujo másico de R-134a que circula por la instalación es de: 0,05 kg/s; este flujo

másico daña la atmosfera al mismo nivel que un flujo de 71kg/s de CO2.

El ciclo utilizando dióxido de carbono como refrigerante tiene un flujo másico medio de

0,02kg/s de tal manera que el impacto ambiental del ciclo nuevo es mucho menor.

3.4.4. Mejora económica respecto al ciclo actual

El R-744 también se caracteriza por ser uno de los líquidos de refrigeración más baratos

del mercado, aún más si se tiene en cuenta que a su precio no se le suman los impuestos

propios de los gases contaminantes. El precio del kg de este refrigerante es de 0.008€.

Por el contrario, el R-134a es un refrigerante de elevado coste sobre todo debido a los

impuestos, ya que en el año 2017 el impuesto sobre el refrigerante hace que su precio

suba a 14€/kg y de acuerdo con la ley 16/2013 los impuestos van a subir en el año 2017,

llegando a los 26 €/kg.

3.5. Elección de los componentes del circuito

Una vez que ya se han elegido tanto el refrigerante como el circuito de refrigeración, se

pueden elegir los componentes que van a formar el circuito. Para ello, primero se van a

estudiar las tecnologías existentes y a continuación, se van a elegir aquellos instrumentos

que se adapten mejor a las propiedades de cada circuito (potencia necesaria, rango de

temperaturas, rendimiento…)

3.5.1 Tipos de compresor





76

El compresor, como ya se ha visto anteriormente, es el encargado de aumentar la presión

del circuito y, por tanto, también de aumentar la tempera. Esto conlleva la obtención de

vapor sobrecalentado a la salida del compresor y a la entrada del condensador.

Existen dos grandes grupos dentro de los tipos de compresores: los compresores de

desplazamiento positivo y los compresores dinámicos. La diferencia entre ellos reside en

la manera de producir el aumento de presión: El compresor de desplazamiento positivo

primero encierran un gas dentro de un recinto cerrado, seguidamente se reduce el volumen

del gas confinado mediante una acción mecánica. Por otro lado, el compresor de tipo

dinámico comunica energía cinética al gas confinado para convertir esta energía en

presión gracias a un compresor.

Estos dos grupos de compresores se dividen a su vez en subgrupos: Los compresores de

desplazamiento positivo pueden ser de pistón alternativo o rotativos, mientras que los

pistones dinámicos se dividen en compresores axiales, no utilizados en circuitos

frigoríficos, y compresores centrífugos.

A continuación, se van a explicar detalladamente los subgrupos de compresores y se

elegirá el compresor más adecuado para el circuito de refrigeración del vehículo eléctrico.

a) Compresores de pistón alternativo

Figura 48. Compresor alternativo. (1)





77

Este tipo de compresor se caracteriza por utilizar un pistón como mecanismo de

compresión. Estos compresores pueden ser herméticos si el motor y el compresor están

en la misma carcasa; semi-herméticos en el caso en el que la carcasa mencionada

anteriormente puede abrirse desde el exterior; o abiertos cuando el motor y el compresor

se encuentran en dos carcasas independientes.

El compresor de pistón es el más utilizado en refrigeración comercial ya que puede llegar

a ser un 50% más barato que por ejemplo el compresor de tornillo que explica más

adelante. A pesar de necesitar un mantenimiento frecuente, cada 10.000 horas

aproximadamente, es fácil de arreglar.

La gran desventaja de este compresor es el tener un rendimiento volumétrico que varía

con la tasa de compresión. Esto se debe a la existencia de un volumen muerto que por un

lado evita golpes en el compresor, pero por otro lado impide que se introduzca la cantidad

de refrigerante máxima admitida por el compresor, según sus propiedades. El volumen

muerto aumenta al aumentar la tasa de compresión, de este modo, el rendimiento

volumétrico disminuye con la tasa de compresión.

Además de esto, existen otros factores que afectan al rendimiento volumétrico del

compresor alternativo, por ejemplo, la presencia de válvulas de expansión pues en ellas

se producen pérdidas de carga.

b) Compresores rotativos

Los compresores rotativos son máquinas de desplazamiento positivo que se pueden

dividir en: compresores de tornillo, de paletas o compresores de scroll. Estos últimos se

caracterizan por mantener una relación de compresión fija.

Los compresores rotativos son máquinas sometidas a un movimiento de giro constante,

por consiguiente, el flujo también es constante lo que disminuye las vibraciones

mecánicas con respecto a los compresores alternativos.

Además. su rendimiento volumétrico es bastante alto, entre 65% y 80%, según sus

condiciones de funcionamiento.





78

Los compresores rotativos para aire acondicionado son muy utilizados en climatizadores

domésticos puesto que están sujetos a una menor vibración que los compresores

alternativos. Además, no disponen de válvulas de admisión y admiten elevadas relaciones

de compresión.

• Compresores de paletas

Figura 49. Compresor de paletas. (1)

Estos compresores poseen unas paletas que se sitúan en las ranuras de un rotor excéntrico

situado en el cilindro.

Este tipo de máquina se caracteriza por:

- Ser muy silencioso.

- No emplear válvulas, así se producen menos pérdidas de carga.

- Tener un par de arranque limitado por la presión de arranque.

- Ser de accionamiento directo, sin acciones intermedias.

- Bajo mantenimiento.

- Necesidad de una gran precisión en su fabricación

• Compresor de tornillo





79

Figura 50. Compresor de tornillo. (1)

El compresor helicoidal o de tornillo es aquel que comprime un fluido al hacerlo pasar

entre dos tornillos en movimiento. Uno de los tornillos es macho mientras que el otro es

un tornillo hembra.

Este tipo de compresor se caracteriza por que admite tasas de compresión más altas que

el compresor alternativo ya que, dispone de sistemas de enfriamiento por inyección de

líquido o enfriamiento de aceite. Esta relación de compresión está determinada por los

orificios de aspiración y de descarga.

El compresor de tornillo es el compresor más común en refrigeración industrial. Entre sus

ventajas se encuentra que al tener menos partes móviles que otros compresores, esta

máquina es menos susceptible a dañarse por lo que necesita menos mantenimiento. Sin

embargo, esta máquina cuenta con ciertos inconvenientes, por ejemplo, su precio es muy

elevado ya que se ha de fabricar con una gran tolerancia.

• Compresor de scroll

El compresor de scroll es aquel que comprime el gas gracias al movimiento orbital de una

espiral. A pesar de ser considerado una máquina de tipo rotativa presenta diferencias

tecnológicas con el compresor de tornillo y el de paletas.





80

Un compresor de scroll se caracteriza por que la relación de compresión es fija pues viene

determina por las características geométricas de las espirales.

c) Compresores centrífugos

Figura 51. Compresor centrífugo. (1)

Los compresores centrífugos son aquellos que aportan energía al gas al poner en rotación

una rueda impulsora. El flujo de gas es descargado a la periferia a mayor velocidad y

presión que al entrar.

Existen dos tipos de compresores centrífugos: los compresores centrífugos radiales y los

compresores centrífugos axiales.

• Compresor centrífugo radial

El compresor centrífugo radial es aquel que produce un aumento de presión a partir de la

caída de la velocidad del refrigerante a la salida del difusor del compresor. Los impulsores

de estos motores son motores eléctricos o turbinas de gas

Estos compresores se caracterizan por: altas velocidades de rotación del motor, llegando

a utilizarse velocidades de 30000rpm., capacidad de manejo de grandes volúmenes de

gas con bajas relaciones de presión puesto que las velocidades son muy altas. En general





81

se utilizan para desplazar unos 1.500 m3/h Una gama de potencias entre los 350kW y los

12000kW. Se utilizan con refrigerantes pesados como los fluidos halogenados.

• Compresor centrífugo axial

Los compresores de flujo axial se diferencian de los radiales en que el aire circula en

paralelo al eje del compresor. Cuentan con varios rotores intercalados con estatores en los

que el aire acelerado por el rotor aumenta su presión. Estos compresores se utilizan en

sustituyendo a los centrífugos cuando se necesitan potencias mayores a los 800CV

d) Elección del compresor

A la hora de elegir un compresor adecuado para el circuito de refrigeración se ha de

tener en cuenta:

-La fiabilidad mecánica: el compresor es la parte más sensible del circuito y cuya

rotura afecta todo el ciclo. Si el compresor se rompe, toda la línea de producción

de frío/calor se bloquea y se estropea.

-El rendimiento energético: El compresor es la máquina que consume la energía

eléctrica del motor y por tanto es el componente del circuito que afecta a la

autonomía del vehículo. Se ha de tomar aquella máquina que menos pérdidas

produzca en el circuito y que permita obtener frío o calor con la mayor eficiencia

posible.

Este proyecto estudia el ciclo de refrigeración para un vehículo eléctrico por lo que el

compresor se va a alimentar eléctricamente (ya sea en corriente continua o alterna). Los

tipos de compresor que se suelen usar en este caso son:

- Compresores de scroll o semiherméticos para potencias elevadas

- Compresores herméticos para potencia bajas debido a las vibraciones.





82

Conociendo las marcas habituales proveedoras de compresores de estos tipos de compre-

sores (compresores semiherméticos: Bock, Bitzer, Frascold, Copeland…, compresores de

Scroll: Copeland, Danfoss…, compresores herméticos: Danfoss, L’Unité hermetique, Te-

cumseh…) se pueden ver las características de cada modelo y así saber cuál es el modelo

que mejor se adapta a las necesidades del circuito.

Gracias a los datos que proveen estas empresas sobre sus compresores se sabe que se

considera alta potencia a toda potencia mayor o igual a 1,5CV mientras que baja potencia

es toda potencia menor a 1,5CV. En el caso del circuito de refrigeración propuesto, la

potencia máxima consumida por el compresor será de 1137 W lo que equivale justo a

1,524CV por lo que se descarta el uso de un compresor hermético. Encontrar un compre-

sor para el R744 es complicado ya que el R-744 todavía no es un refrigerante de uso

frecuente en refrigeración. Dentro de los modelos existentes, el único modelo que se

adapta a las condiciones de trabajo en régimen subcríticos es la gama de compresores

Copeland Scroll ZO, puesto que están concebidos para ser utilizados en sistemas de re-

frigeración de baja temperatura con R744. Destaca en especial el modelo ZO34K3E ya

que se ajusta al consumo de trabajo máximo teórico y a la potencia calorífica máxima que

se necesita para intercambiar suficiente calor con el aire.

3.5.2 Tipos de condensador

El condensador es el intercambiador de calor que recibe el fluido de refrigeración en

estado de vapor sobrecalentado y disipa calor al ambiente de manera que a su salida el

refrigerante está en estado de líquido.

El proceso que sigue el fluido durante la condensación se divide en tres etapas:

1) Inicialmente se tiene vapor sobrecalentado, este vapor se ha de enfriar,

mediante un intercambio de calor, hasta la temperatura de saturación para que

se pueda producir el cambio de estado

2) Una vez que se tiene en fluido en las condiciones de saturación, se produce la

condensación. El fluido cede calor al aire exterior, todo ese calor se emplea en





83

condensar el refrigerante por lo que es un proceso a temperatura y presión

constante.

3) Finalmente, el líquido se enfría hasta la temperatura deseada.

La clasificación de los condensadores se establece según la manera de disipar el calor y

según el medio utilizado para la transmisión de calor. Así, se pueden distinguir tres tipos

diferentes de condensadores: los condensadores por agua, los condensadores evaporativos

y los condensadores por aire.

A continuación, se exponen las características de estos tres tipos de condensadores y se

presentará la elección más adecuada para la bomba de calor.

a) Condensadores por agua

Figura 52. Condensador por agua. (1)

El condensador por agua es aquel en el que el refrigerante disipa calor directamente al

agua por transferencia sensible.

La magnitud de calor cedido al agua está condicionada a la masa de agua disponible ya

que el coste del metro cúbico de agua es elevado (puede llegar a 1,91 euros en ciudades

como Barcelona) y por tanto se intenta reducir su caudal al mínimo necesario. Además,

este sistema necesita una bomba para poner en circulación el agua, de manera que se

producen perdidas de carga de la bomba de entre 1 y 6 m.c.a.





84

Finalmente, esta máquina se caracteriza por producir un aumento de 5ºC en la temperatura

del agua y por obtener una temperatura de saturación de 10ºC superior a la temperatura

de entrada del agua.

b) Condensadores evaporativos

Figura 53. Condensador evaporativo (1)

El condensador evaporativo, también conocido como condensador latente, está formado

por un condensador de tubos en el que el refrigerante entra a la batería de tubos por la

parte superior y sale por la parte inferior de esta. Esta batería de tubos está dentro de una

caja con entrada de aire por la parte inferior y salida por la parte superior. Por otro lado,

esta máquina consta de una bomba que lleva el agua a unos pulverizadores situados a la

salida del aire.

Este sistema se utiliza para los casos en los que el aire sale demasiado caliente del

condensador pues el rocío de agua enfría este aire.

Este sistema se caracteriza porque la temperatura de condensación final suele superar

entre 4ºC y 7ºC a la temperatura del agua de refrigeración. Por otro lado, la velocidad de

salida del aire está entre los 1,6m/s y los 2,5m/s.





85

c) Condensadores por aire

Figura 54. Condensador por aire por convección forzada. (1)

El condensador por aire es aquel en el que se produce un intercambio de calor entre el

refrigerante y el aire.

A pesar de que el aire tiene un calor específico pequeño respecto al agua y que por lo

tanto se necesitarían grandes cantidades de aire para obtener la misma cantidad de calor;

la gran ventaja de este tipo de intercambiador de calor reside en que el aire es gratuito.

Además, si se ponen aletas en los tubos, se obtiene un mayor coeficiente global de

transmisión de calor.

Este tipo de condensador se caracteriza por la salida del aire a una velocidad entre los

2m/s y los 6m/s, una temperatura de condensación alrededor de 15ºC superior a la

temperatura ambiente y entre 7ºC u 8ºC superior a la temperatura de salida del aire.

d) Elección del tipo de condensador

El objetivo de este proyecto consiste en establecer el mejor sistema de climatización del

habitáculo del coche eléctrico, por lo tanto, el condensador de agua queda descartado.

Esto se debe a que se quiere intercambiar calor entre el refrigerante y el aire exterior para

luego introducir ese aire, calentado o enfriado, en el interior del vehículo.





86

El condensador evaporativo tampoco es el más adecuado para el circuito. Este

condensador se utiliza en el caso en el que la temperatura final del aire sea demasiado

elevada mientras que en el caso del ciclo establecido el aire sale siempre a 23ºC.

Finalmente, el condensador elegido para el ciclo de refrigeración con regenerador es el

condensador de aire por convección forzada.

3.5.3 Tipos de evaporador

El evaporador es una máquina térmica cuya función es exactamente la contraria a la del

condensador. El evaporador absorbe calor del exterior dando lugar al cambio de estado

del refrigerante de líquido a vapor.

Los evaporadores se clasifican según los tres criterios siguientes:

1) Según el medio a enfriar: los evaporadores pueden refrigerar aire, líquidos u otros

refrigerantes.

2) Según las condiciones de salida del refrigerante: el refrigerante a la salida del

evaporador puede encontrarse en mezcla bifásica o en vapor saturado según el

tipo de evaporador utilizado.

3) Según las características constructivas: los evaporadores presentan diferencias en

sus diseños de acuerdo con las necesidades del circuito.

A continuación, se explican detalladamente los diferentes tipos de evaporadores

existentes y se establece la elección del evaporador más adecuado para este

estudio.

a) Evaporadores según el medio a enfriar:

El intercambio de energía dentro de un evaporador puede ser un intercambio entre fluidos

de la misma naturaleza o entre fluidos distintos. De esta manera existen tres tipos de

evaporadores distintos:





87

• Evaporadores Aire-Refrigerante

Este es el sistema más habitual de evaporación del refrigerante, consiste en enfriar el aire

a partir del intercambio de calor entre el aire y el refrigerante.

Figura 55. Evaporador Aire-Refrigerante. (1)

• Evaporadores Refrigerante-Refrigerante

Este sistema es propio de los circuitos de refrigeración por etapas en cual el

intercambiador funciona como evaporador en un lado del circuito (el ciclo de alta

temperatura) y como evaporador en el otro (ciclo de baja temperatura).

Figura 56. Evaporador Refrigerante-Refrigerante





88

• Evaporadores Líquido-Refrigerante

Este sistema es propio de los procesos alimentarios en los que interesa enfriar un medio

líquido.

b) Evaporadores según el estado de salida del refrigerante:

• Evaporadores Inundados

Figura 57. Evaporador inundado. (1)

Este tipo de evaporador no llega a cambiar totalmente el estado del refrigerante, sino que

el fluido sale de la máquina en estado de mezcla bifásica. La transferencia de calor es

buena ya que se debe solo a la evaporación sin producir un sobrecalentamiento al final.

Este sistema es propio de sistemas de doble etapa o en circuitos que tengan un separador

de líquido a la entrada del compresor, puesto que la entrada de líquido en el compresor lo

daña severamente.





89

• Evaporadores Secos

Figura 58. Evaporador seco. (1)

Esta variante de los evaporadores es la más habitual pues asegura el cambio total de fase

del refrigerante, llegando incluso a recalentarlo. De este modo, los circuitos en los que el

evaporador está seguido de un compresor evitan daños en el compresor.

c) Evaporadores según las características constructivas:

• Evaporadores Planos

Figura 59. Evaporador plano. (1)

Los evaporadores planos son aquellos que están formados por la unión de dos láminas en

cuyo interior están los tubos por los que circula el refrigerante. Una vez producida la





90

evaporación en los tubos mencionados, se transmite el calor por convección al resto de la

lámina de metal que forma la máquina frigorífica. Debido a la ausencia de un ventilador

la convección natural es reducida, lo cual limita la transmisión de calor y por tanto solo

se utiliza este intercambiador para potencias pequeñas.

Normalmente es un evaporador por aire pues al ser por líquido hay que tener cuidado

pues existe el riego de que acumule hielo.

Este tipo de evaporador suele estar hecho de aluminio, lo que hace que se pueda adaptar

a diversas formas de la cavidad donde se encuentra. Se suele utilizar para la conservación

de alimentos, por ejemplo, en neveras.

• Evaporadores de Tubos y Aletas

Figura 60. Evaporador de tubos y aletas. (1)

Estos evaporadores por aire evaporan el refrigerante en el interior de unos tubos que están

en contacto con unas láminas de metal (aletas). De esta manera se aumenta la superficie

de transferencia de calor al aire. La separación entre las aletas depende de la temperatura

de trabajo: Cuanto mayor sea la temperatura, menor debe de ser la separación. Este es el

caso de los evaporadores de aire acondicionado cuyas temperaturas de evaporación son

lo suficientemente altas para que no se forme escarcha y por tanto la separación entre las

aletas es de alrededor de 1,8mm. Además, para optimizar al máximo su funcionamiento,

presentan varios circuitos en paralelo.





91

Existen dos tipos de evaporadores de este estilo: los estáticos o de convección natural y

los de convección forzada. La diferencia reside en que los de convección forzada cuentan

con ventiladores que fuerzan la circulación del aire, aumentando su caudal y aumentado

el coeficiente de convección

Estos intercambiadores son los más utilizados debido a su amplia gama de potencias, su

rendimiento y su capacidad de adaptarse a la forma de la cavidad donde se situé.

• Evaporadores de placas

Figura 61. Evaporador de placas. (1)

Los evaporadores de placas son aquellos en los que ambas fluidos se encuentran

separados unas placas metálicas. Estas placas permiten un elevado flujo de calor ya que

los metales son materiales conductores. Se pueden usar varios intercambiadores en

paralelo.

La principal ventaja de estos intercambiadores reside en el amplio rango de potencias de

utilización. Sin embargo, tiene los siguientes inconvenientes: no se pueden abrir por lo

tanto no se pueden limpiar conque es necesario utilizar fluidos con los que evitar las

incrustaciones. Además, existe el riesgo de congelación del fluido secundario en su

interior, lo cual rompería la máquina. Para evitar roturas, se debe realizar un control de

temperaturas de ambos fluidos antes de la entrada de a la máquina.





92

Estos evaporadores sirven tanto para sistema Refrigerante-Líquido como sistemas

Refrigerante-Refrigerante.

• Evaporadores de Tubos descubiertos

Figura 62. Evaporador de tubos descubiertos. (1)

Este intercambiador se sitúa en el interior de un tanque abierto que contiene el líquido a

enfriar. Suele contar con un agitador que aumenta la convección y evita la estratificación.

• Evaporadores Coaxiales

Figura 63. Evaporador Coaxial. (1)





93

Estos evaporadores están constituidos por tubos ubicados en el interior de camisas.

Funcionan con líquido que puede circular en el mismo sentido que el refrigerante o a

contracorriente.

Tienen la ventaja de servir para un amplio rango de potencias y de poder colocarse en

paralelo. Sin embargo, hay que tener cuidado con el riesgo de congelación del fluido

secundario.

• Evaporadores Carcasas-Tubos

Figura 64. Evaporador Carcasas-Tubos. (1)

Este evaporador de enfriamiento de líquido se basa en el paso del refrigerante por unos

tubos que enfrían el líquido que fluye por la carcasa. Cuentan con deflectores que animan

el movimiento continuo, equicorriente o a contracorriente, del líquido.

d) Elección evaporador

El evaporador del circuito de refrigeración establecido produce un intercambio de calor

entre un refrigerante y el aire. Además, en el evaporador se produce cambio de estado

pues el refrigerante entra en el evaporador estando en fase de mezcla bifásica y sale del

evaporador como vapor saturado. Se puede concluir que el evaporador del circuito será

un evaporador seco de tipo aire-refrigerante.





94

Respecto a la forma del evaporador, puede ser tanto plano como de tubos y aletas. El

condensador plano posee la ventaja de poder adaptar al medio en el que se encuentra lo

cual es muy útil puesto que el capot del coche cuenta con un espacio reducido en su

interior. A pesar de esto, se necesita un dispositivo que obligue al aire a pasar por el

evaporador e intercambiar calor, por lo que es más adecuado añadir al sistema un

dispositivo que incorpore un ventilador. Por lo tanto, se va a tomar el evaporador de tubos

y aletas por convección forzada.

En el caso del regenerador, se va a tratar de un intercambiador de calor de seco de tipo

refrigerante-refrigerante. En cuanto a la forma, se va a tomar el evaporador de placas pues

es el único que se adapta al intercambio de calor entre dos refrigerantes.

3.5.4 Tipos de válvulas

El circuito de refrigeración convencional cuenta con una válvula de expansión encar-

gada de cambiar las condiciones de presión y de temperatura del circuito de manera que

nos permite pasar de la presión de alta a la presión de baja de forma isentálpica.

Además de esta válvula, también puede ser interesante añadir otro tipo de válvulas que

garanticen que el refrigerante a la entrada del compresor sea vapor en su totalidad. Puesto

que, como ya se ha mencionado, la entrada de una gota de líquido en el compresor puede

dañarlo o incluso provocar su rotura.

Los próximos párrafos muestran las posibilidades existentes a la hora de escoger una

válvula para los fines mencionados.

a) Capilares

Los capilares son el sistema más sencillo y de hecho son bastantes comunes en circuitos

de aire acondicionado. El resultado a su salida es la obtención de fluido altamente

sobrecalentado.

El diámetro de los capilares oscila entre los 0.6mm y los 2.5mm. En el caso de los sistemas

formados por un evaporador seguido de un compresor, los capilares cuentan con un





95

diámetro reducido pero una gran longitud. La elección de las dimensiones de los capilares

que mejor van con el circuito viene determinada por tablas en función de la capacidad

frigorífica. Además, así se pueden determinar las condiciones óptimas de funcionamiento

pues estas son limitadas.

b) Válvulas termostáticas

Figura 65. Válvula termostática. (1)

Estas válvulas se componen de una aguja, un diafragma y un muelle cuya presión viene

determinada por un tornillo de ajuste. Su funcionamiento consiste en que, por un lado del

diafragma, la presión del evaporador realiza un movimiento de cierre de la válvula;

mientras que por el otro lado del diafragma, la presión del muelle actúa abriendo la

válvula. La finalidad es que, al encender el compresor, ambas presiones se igualen y

valgan lo mismo que la presión del muelle.

Las ventajas de estas válvulas son que mantienen las mismas condiciones de temperatura

y de presión en el evaporador y que supone un ahorro de energía con respecto al uso de

capilares. Así, son las válvulas más utilizadas en refrigeración comercial. Además, per-

mite mantener el grado de sobrecalentamiento en el evaporador, lo cual evita daños en el

compresor que serían causador por la entrada de líquido en él.





96

c) Válvulas de expansión electrónicas

Figura 66. Válvula de expansión electrónica. (1)

Las válvulas de expansión electrónicas se usan de la misma manera que las válvulas

termostáticas, solo que funcionan con un motor eléctrico.

La apertura de estas válvulas la controlan unos analizadores electrónicos de presión y

temperatura.

Según el diseño de las válvulas se pueden distinguir dos tipos de máquinas: las válvulas

solenoides, cuya apertura se controla por pulsos de tiempo, y las válvulas motorizadas o

magnéticas cuya apertura es por etapas.

La gran ventaja de estas válvulas es que sus curvas de trabajo se pueden regular según los

intereses del circuito. Entonces, las válvulas de expansión electrónicas sirven tanto para

calentar como para enfriar. Incluso se pueden establecer diferentes algoritmos para el

orden de apertura y cierre de la válvula.

d) Elección del tipo de válvula

El ciclo de refrigeración propuesto cuenta con un regenerador encargado de sobrecalentar

el fluido a la salida del evaporador por lo que no será necesario incorporar un dispositivo

a la entrada del compresor. Sin embargo, sí que se necesita una válvula que separe la zona

de baja de la zona de alta. En este caso se va a elegir una válvula termostática pues es el





97

tipo de válvula que menos energía consume y, por tanto, es la válvula que permite tener

mayor autonomía.

3.5.5 Conclusión

Los elementos del circuito que se van a utilizar en el ciclo mejorado de refrigeración para

R-744 son los siguientes:

- Compresor de scroll

- Condensador de aire por convección forzada

- Evaporador de tubos y aletas por convección forzada

- Intercambiador de calor de placas de placas

- Valvula de expansión termoestática

La selección de los distintos componentes que forman parte del ciclo de refrigeración

permite calcular el coste del circuito de refrigeración. Así, se han buscado en internet los

precios de mercado de cada uno de los componentes de tal manera que gracias a la

empresa Copeland se ha obtenido el precio del compresor, gracias a la empresa NRF

(proveedora de equipamiento de refrigeración a marcas como KIA, Valeo..) se saben los

precios del condensador, el evaporador, el regenerador y de la válvula de expansión del

regenerador. La tabla siguiente muestra los precios de cada componente, así como el coste

total de la instalación:

Precio (€)

Compresor Copeland ZO 500

Condensador NRF 70

Evaporador NRF 80

Regenerador NRF 80

Válvula NRF 50

Total 780

Tabla 28. Coste instalación bomba de calor




Estudio de una célula de Peltier

99

4. Estudio de una célula de Peltier

4.1. Introducción

Una célula de Peltier es capaz de generar energía a partir de la circulación de una corriente

a través de ella. Esto se debe a que la célula se compone de la unión dos materiales

conductores distintos y al circular la corriente se produce un intercambio de calor entre

ellos de tal manera que una de las caras de la célula se calienta mientras que la otra se

enfría. Es decir, la cara caliente cede calor a la cara fría, la cual absorbe ese calor.

El calor liberado en la cara caliente de la célula queda definido por la siguiente ecuación:

Qcc =αITc

Ecuación 31. Calor liberado por la cara caliente

Qc es el calor liberado por la cara caliente

α es el coeficiente de Seebeck

I es la corriente que circula por la célula

Tc es la temperatura de la cara caliente

Del mismo modo, el calor que la cara fría absorbe se define por la siguiente ecuación:

Qcf =αITf

Ecuación 32. Calor absorbido por la cara fría

Qf es el calor absorbido por la cara fría

Tf es la temperatura de la cara fría

Por otro lado, en la célula se producen pérdidas debido al efecto Joule. Estas pérdidas,

las cuales se distribuyen por igual entre las dos caras, se definen mediante la ecuación:

Qj = 1

2 I2R

Ecuación 33. Calor por pérdidas de Joule

Qj es el calor por pérdidas de Joule

R es la resistencia eléctrica

Además, tiene lugar un fenómeno de conducción térmica debido a la diferencia de

temperatura entre las caras. Esta diferencia viene dada por la expresión:

Qt = 𝑻𝒄−𝑻𝒇

𝑹𝒕𝒉

Ecuación 34. Calor por conducción





100

Qt es el calor por conducción

Rth es la resistencia térmica entre ambas caras en ohmios

Estos datos nos permiten obtener el flujo total por cada cara cuyas expresiones son:

QC=Qcc+Qj -Qt

Ecuación 35. Flujo total por la cara caliente

QF=Qcf -Qj -Qt

Ecuación 36. Flujo total por la cara fría

Finalmente, la potencia calorífica disipada por la célula es igual a:

Pc =Qc – Qf = α (Tc -Tf)I + I2R

Ecuación 37. Potencia consumida por la placa

Mientras que la potencia consumida por el sistema es igual a:

Pcons =I*V

Hace falta tener en cuenta que el valor del coeficiente de Seebeck viene dado por la

expresión;

α=𝐕

𝐓𝐜−𝐓𝐟

Ecuación 38: Coeficiente de Seebeck.

4.2 Elección del modelo a estudiar

Previamente a realizar las medidas sobre la placa, se han estudiado las características de

las placas que se pueden obtener en el mercado. De esta manera se puede distinguir entre

los dos modelos presentados en la siguiente tabla:

Tipo TEC1-12706 TEC1-12710

Tc [C] 25 25

Pcons (W) 50 85

V (V) 14.4 15,2

Tc-Tf (C) 66 66

Imax (A) 6,4 10,5

Tmáx [C] 138 138

R (ohm) 1,98 1,08

Precio (€) 3,1 5,85

Vida (horas) 200000 200000

Dim (mm) 40x40x3.8 40x40x3.3

Tabla 29. Características de dos modelos de células.





101

Comparando las características de las células se puede concluir que la célula TEC-12706

es la célula más adecuada por las siguientes razones: El voltaje de referencia que

proporciona la alimentación del coche es de 12V y, por consiguiente, una tensión máxima

de 14V es suficiente. Además, la fuente de alimentación utilizada para realizar el estudio

proporciona como máximo 3A de corriente, es decir, no es necesaria la corriente de 10A

proporcionada por la otra célula. Finalmente, la célula escogida tiene un precio menor, lo

cual interesa pues harán falta más de una célula.

4.3 Analisis de Resultados

El apartado 2.4.3 presenta la posibilidad de introducir en el interior de los asientos un

sistema formado por células de Peltier con el fin de climatizar estos asientos. Según este

estudio, una célula solo necesita de 0,16W para disipar el calor suficiente para calen-

tar/enfriar los asientos.

Este apartado tiene como finalidad reproducir el circuito capaz climatizar los asientos y

verificar que los resultados obtenidos son los mencionados anteriormente.

Una vez que se consiguieron los instrumentos mencionados en el apartado 1.1, se montó

el circuito mostrado a continuación:

Figura 67. Circuito de la célula de Peltier

Se puede contemplar en la imagen que el circuito consiste en la célula reposada sobre un

disipador de calor y conectada mediante la placa de interconexión a la fuente de





102

alimentación. Por otro lado, están los instrumentos de medida: el polímetro conectado a

los cables que alimentan la célula para así asegurar que el circuito no está cortocircuitado,

y el termómetro digital cuyos terminales están en contacto con el lado caliente y con el

lado frío para así obtener la temperatura a cada lado de la célula.

Antes de empezar a medir, es importante mencionar que el lado de la célula que descansa

sobre el disipador ha de ser la cara que se calienta para evitar que la célula se recaliente

y se funda. Como no existen especificaciones sobre cuál es el lado caliente y cuál es el

lado frío, se ha de alimentar la célula para comprobar que lado se calienta y ese es el lado

que se va a poner en contacto con el disipador. Cabe destacar que el calentamiento y el

enfriamiento de cada cara es instantáneo por lo que nada más conectar la célula se puede

diferenciar fácilmente cual es cada lado.

A continuación, se fijó la tensión de alimentación de la célula a 12V y se fue variando la

intensidad para ver la evolución de la temperatura según la intensidad. Los resultados

obtenidos se encuentran en la tabla y el gráfico de debajo:

I (A) V (V) Tc (C) Tf (C) T Disip (C) Tc-Tf

0,25 12 30 24 28 6

0,5 12 38 25 36 13

0,86 12 40 21 39 19

2,5 12 90 40 90 50

Tabla 30. Resultados de la temperatura a 12 V

I (A) V (V) Pcons (W) Pcal (W) COP R (ohm) Alfa (V/K)

0,25 12 3 3,875 1,3 14 2

0,5 12 6 12 2 24 0,923

0,86 12 10,32 20,64 2 13,95 0,63

2,5 12 30 37,5 1,25 1,2 0,24

Tabla 31. Resultados de la potencia a 12V

Figura 68. Evolución de la temperatura de la célula a 12V

0

50

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Intensidad (A)

Tensión (V) Cara Caliente (C) Cara fría (C)





103

La intención inicial era ir variando la corriente progresivamente, pero la fuente de tensión

dejo de funcionar después de tomar las medidas a 0,86A. Para poder continuar con las

medidas se cambió de fuente de tensión, sin embargo, esta nueva fuente no permitía fijar

una tensión, sino que la tensión variaba con la intensidad. Esta es la razón por la que se

pasa de 0,86 A a 2,5 A.

Respecto al comportamiento de la célula se puede destacar que, para una tensión fija, las

temperaturas de ambas caras de la célula van aumentando según aumenta la intensidad

que recorre el circuito. En el caso de 2,5A el lado frio estaba a 40ºC, es decir, a pesar de

estar menos caliente que la cara caliente (50ºC de diferencia), la cara fría quemaba al

tocarla. También se puede remarcar que a 0,86A la temperatura de la cara fría disminuye

con respecto a la medida anterior cuando debería de ser mayor que la temperatura fría a

0,5A.

Respecto a la potencia, se confirma que efectivamente la potencia consumida por la célula

es muy baja. Sin embargo, la relación entre el calor disipado y la potencia consumida es

muy menor que en la bomba de calor.

Se ha mencionado anteriormente que se tuvo que cambiar de fuente de alimentación

debido a un problema de funcionamiento de esta. La nueva fuente no permitía fijar una

tensión, sino que solo se podía variar la tensión al cambiar la intensidad. Por esta razón,

se estudió también el comportamiento de la célula a tensión e intensidad variables como

muestran las tablas y el gráfico siguientes:

I (A) V (V) Tc (C) Tf (C) Tdisip (C) Tc-Tf

0,08 0,5 29 27 29 2

0,19 1 33 26 32 7

0,32 1,5 35 26 33 9

0,41 2 43 27 42 16

0,51 2,5 45 30 44 15

0,58 3 62 33 61 29

0,67 3,5 66 36 65 30

0,77 4 74 40 72 34

0,78 4,5 84 25 83 59

0,86 5 80 26 80 54

0,99 6 75 32 73 43

1 6,5 72 38 71 34

Tabla 32. Resultados de la temperatura a tensión variable





104

I (A) V (V) Pcons

(W)

Pc (W) COP R (ohm) alfa

0,08 0,5 0,04 0,08 2 6,25 0,25

0,19 1 0,19 0,38 2 5,26 0,14

0,32 1,5 0,48 0,96 2 4,70 0,16

0,41 2 0,82 1,64 2 4,90 0,125

0,51 2,5 1,275 2,55 2 4,90 0,16

0,58 3 1,74 3,48 2 5,17 0,10

0,67 3,5 2,345 4,69 2 5,22 0,12

0,77 4 3,08 6,16 2 5,20 0,12

0,78 4,5 3,51 7,02 2 5,77 0,076

0,86 5 4,3 8,6 2 5,81 0,092

0,99 6 5,94 11,88 2 6 0,14

1 6,5 6,5 13 2 6,5 0,20

Tabla 33. Resultados de la potencia a tensión variable

Figura 69. Evolución de la temperatura de la célula a tensión variable

Generalmente, se puede decir que la temperatura va aumentando según aumenta la tensión

y la intensidad. Sin embargo, hay ciertas anomalías puesto que en ciertos casos la

temperatura disminuye con respecto al valor anterior (por ejemplo, esto se da cuando la

intensidad vale 1 A). Respecto al comportamiento energético, curiosamente, el COP vale

2 en todos los casos.

Finalmente, se puede concluir que la cara de la célula encargada de intercambiar calor

con el ambiente ha de ser la cara fría puesto que, para todas las medidas la cara caliente

toma una temperatura demasiado elevada. Por otro lado, se comprobó que al poner en

contacto la célula con otro material, la temperatura que el material tomaba era entre 1ºC

y 2ºC menor a la temperatura de la célula. Así, teniendo en cuenta que la temperatura

0

20

40

60

80

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Intensidad (A)

Tensión (V) Cara Caliente (C) Cara fría (C)





105

óptima en el interior del vehículo es de 23ºC, las condiciones de funcionamiento de la

célula más adecuadas son: 12V y 0,25A.

Se ha comprobado que la célula de Peltier permite climatizar consumiendo poca energía

pues la potencia consumida es tan solo de 3W. Sin embargo, una sola célula de Peltier

solo puede refrigerar una superficie equivalente a la superficie de contacto, es decir, hace

falta más de una célula para climatizar el asiento. Tomando las medidas del asiento que

se muestra a continuación, se ha calculado que para climatizar un asiento hacen falta 377

células, dado que los vehículos suelen contar con 5 asientos, harían falta 1885 células

para poder climatizar todos los asientos. En el caso de necesitar climatizar todos los

asientos, la potencia consumida por la instalación sería de 5,6kW. Por otro lado, solo el

coste de las 1885 células sería de 5843€.

Figura 70. Dimensiones de un asiento de coche. (10)




Conclusión

107

5. Conclusión

La finalidad del proyecto es encontrar la manera de reducir el consumo de energía de la

batería de un coche eléctrico. Dado que la climatización es lo que gasta mayor batería

después de la circulación, el proyecto se ha centrado en buscar mejoras al sistema de

climatización y así limitar el consumo de potencia eléctrica. Siguiendo esta línea, se ha

estudiado dos sistemas distintos: una bomba de calor y un sistema compuesto por célula

de Peltier.

La bomba de calor convencional funciona con el refrigerante R-134a y se compone de un

compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador. Se ha

comprobado que cambiando el refrigerante por R-744 (CO2) y añadiendo un regenerador

al circuito aumenta el COP de la instalación hasta 4,36 y disminuye la potencia consumida

por el ciclo de refrigeración, pudiendo llegar a una reducción de casi el 20% en meses

como julio. Además, el R-744 es menos contaminante y su precio es mucho menor que

el del R-134a. Todavía más, el R-134a cuenta con el riesgo de no estar en fase gaseosa si

la temperatura ambiente es menor a -26ºC mientras que la temperatura de ebullición del

R-744 es de -77ºC por lo que se soluciona el riesgo de bloqueo de la instalación por baja

temperatura ambiente.

El sistema de climatización compuesto de células de Peltier tiene como finalidad

climatizar los asientos del coche ya que un estudio afirma que esto es suficiente para que

el conductor del coche se encuentre cómodo. Este estudio tenía como finalidad verificar

que la célula consume una potencia muy pequeña. Efectivamente, esto se cumple pues

una célula trabajando en las condiciones pertinentes consume 3W, aunque presenta un

COP de 1,29. Por otro lado, el problema reside en que se necesitan 1885 células para

climatizar los asientos. Esto supone un consumo de 5,6kW además de un elevado coste

de la instalación (5.843€, 5 veces más que el coste de la bomba de calor).

Comparando los resultados obtenidos en ambos en ambos estudios, se puede concluir que

el ciclo mejorado de la bomba de calor es el sistema más adecuado para limitar el consumo

de potencia puesto que tanto la potencia consumida por la célula como el coste de la

instalación son mucho mayores en el caso de la célula de Peltier.




Conclusión

108

Figura 71. Comparación entre la bomba de calor y la célula de Peltier




Bibliografía

109

6. Bibliografía

(1)-[ATEC15] Asociación Española de Climatización y Refrigeración (ATECYR), "Fun-

damentos de refrigeración", ATECYR, Madrid, 2015.

(2)-[SERR12] Serrano Martín-Sacristán, F.J, "Mejora de la eficiencia energética en ciclos

de refrigeración con CO2" Proyecto de fin de grado, Universidad Pontificia de Comillas,

Madrid, mayo 2015.

(3)-[BELL16] Bellido Ribes, A, "Estudio del comportamiento del refrigerante R744...",

Proyecto de fin de grado, Universitat Jaume I, abril 2016.

(4)-[RAPI90] Rapin, P.J, "Portuario del frío", Asociación de editores técnicos s.a,

(5)-[OROZ11] Orozco Alarcón, S.P, "Diseño y construcción de un sistema …", Proyecto

fin de carrera, Escuela Politécnica del Ejercito, Ecuador, 2011.

(6)-[MUÑO12] Muñoz Rico, J.R, "Climatización y refrigeración...", Trabajo de fin de

Máster, Escuela de Ingenieros Industriales, Valladolid, España, 2012.

(7)-[VEGA15] Vega Zambrano, J.A, "Estudio y análisis del sistema de climatización...",

Trabajo fin de carrera, Universidad Internacional de Ecuador, Guayaquil, 2015.

(8)-[HERR08] Herranz Pindado, R, "Climatización mediante células de Peltier", Trabajo

fin de carrera, Universidad Pontificia de Comillas, Madrid, España, 2008.

(9)-[NOUR16] Nour Eddine, A, "Cours en Thermoelectricité", École Centrale de

Nantes, Francia 2016.

(10)-[ALGU16] Alguacil, M, "La climatización en coches eléctricos: problema re-

suelto". Disponible en: corrienteelectrica.renault.es/la-climatizacion-coches-electricos-

problema-resuelto/

(11)-[PICH15] Pich,J,"La climatización en vehículos eléctricos", Disponible

en: http://www.blogmecanicos.com/2015/09/la-climatizacion-en-vehiculos-electri-

cos.html

(12)-[Online] Technical University of Munich (TUM), "Passenger focused air condi-

tioning". Disponible en: www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/detail/arti-

cle/32329/

(13)-[Online] "Climatización en coches eléctricos sin sacrificar la autonomía. Disponible

en: http://noticias.coches.com/noticias-motor/climatizacion-en-coches-electricos-sin-sa-

crificarla-autonomia

(14)-[Online] "Eficiencia en climatización de coches eléctricos". Disponible en: http://fo-

rococheselectricos.com/2015/04/eficiencia-en-la-climatizacion-de-coches-electri-

cos.html

http://corrienteelectrica.renault.es/la-climatizacion-coches-electricos-problema-resuelto/

http://corrienteelectrica.renault.es/la-climatizacion-coches-electricos-problema-resuelto/

https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/32329/

https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/32329/

http://noticias.coches.com/noticias-motor/climatizacion-en-coches-electricos-sin-sacrificarla-autonomia

http://noticias.coches.com/noticias-motor/climatizacion-en-coches-electricos-sin-sacrificarla-autonomia




Bibliografía

110

(15)-[Online] "Calefacción en coches eléctricos: un pequeño problema". Disponible

en: https://nergiza.com/calefaccion-en-coches-electricos-un-pequeno-problema/

(16)-[AEME17] Agencia Estatal de Meteorología (AEMET), "Analisis estacional: Ma-

drid", Disp1onible en: www.aemet.es/es/serviciosclimaticos/vigilancia_clima/anali-

sis_estacional?w=3&l=3195&datos=temp

(17)-[Online] "Precios de refrigerantes". Disponible en: www.salvadorescoda.com/

https://nergiza.com/calefaccion-en-coches-electricos-un-pequeno-problema/

http://www.aemet.es/es/serviciosclimaticos/vigilancia_clima/analisis_estacional?w=3&l=3195&datos=temp

http://www.aemet.es/es/serviciosclimaticos/vigilancia_clima/analisis_estacional?w=3&l=3195&datos=temp

http://www.salvadorescoda.com/




Anexos

111

7. Anexos

7.1 Código en EES

Este apartado está destinado a la presentación del código desarrollado para realizar los

cálculos relacionados con el estudio del comportamiento energético de la bomba de calor.

7.1.1. Circuito de refrigeración simple para R-134a

"Punto 1: Entrada Compresor/Salida Evaporador"

P1 =6 [bar] "presión de baja"

x1=1 "vapor saturado"

T1=t_sat(R134a;P=P1)

h1=enthalpy(R134a;P=P1;x=x1)

s1=entropy(R134a;P=P1;x=x1)

v1=volume(R134a;P=P1;x=x1)

"Punto 2: Salida Compresor/Entrada Condensador"

P2=24[bar] "presión de alta" "manteniendo la relacion de compresión normal (el CO2

no trabaja para P<6bar"

x2=1 "vapor sobrecalentado"

s2=s1 "compresión isentrópica: reversible"

T2=temperature(R134a;P=P2;s=s2)

h2=enthalpy(R134a;P=P2;s=s2)

v2=volume(R134a;P=P2;s=s2)

"Punto 3: Salida Condensador/Entrada válvula"

P3=P2

x3=0 "líquido saturado"

T3=t_sat(R134a;P=P3)

h3=enthalpy(R134a;P=P3;x=x3)

s3=entropy(R134a;P=P3;x=x3)

v3=volume(R134a;P=P3;x=x3)


P4=P1

h3=h4 "primer principio aplicado a la válvula"

T4=T1

s4=entropy(R134a;P=P4;h=h4)




Anexos

112

v4=volume(R134a;P=P4;h=h4)

x4=quality(R134a;P=P4;h=h4) "mezcla bifásica"

ma=(800/3600) [m^3/s]

rho_a=density(Air_ha;T=25[C];P=1[bar])

"caudal en kg/s" caudal=ma*rho_a

Cpa=cp(Air_ha;T=25[C];P=1[bar])

"Aplicación primer principio en VERANO"

"Compresor" W_ver=mRv*(h1-h2)

"Condensador" Qcond_ver=mRv*(h3-h2)"=Qc"

"Evaporador" Qev_ver=mRv*(h1-h4)"=Qf"

"COPref"COPref=-Qev_ver/W_ver

"Balance energía Condensador"Qa_ev=-Qev_ver

Qa_ev=caudal*Cpa*(Ts-Tev)

Ts=23[C]

Tev=40[C]

"Aplicación primer principio en INVIERNO"

"Compresor" W_in=mRin*(h1-h2)

"Condensador" Qcond_in=mRin*(h3-h2)

"Evaporador" Qev_in=mRin*(h1-h4)

"COPcal"COPcal=Qcond_in/W_in

"Balance energía Condensador":Qa_in=-Qcond_in

Qa_in=caudal*Cpa*(Ts-Tei)

Tei=-2,5[C]

7.1.2. Circuito de refrigeración simple para R-744




T1=t_sat(CarbonDioxide;P=P1)

h1=enthalpy(CarbonDioxide;P=P1;x=x1)

s1=entropy(CarbonDioxide;P=P1;x=x1)

v1=volume(CarbonDioxide;P=P1;x=x1)

"h=enthalpy_vaporization(CarbonDioxide;T=T1) diferencia entre entalpía de vaporiza-

cion y de fusión"





Anexos

113

P2=24[bar] "presión de alta" "manteniendo la relacion de compresión normal (el CO2

no trabaja para P<6bar"



T2=temperature(CarbonDioxide;P=P2;s=s2)

h2=enthalpy(CarbonDioxide;P=P2;s=s2)

v2=volume(CarbonDioxide;P=P2;s=s2)


P3=P2







P4=P1


T4=T1

s4=entropy(CarbonDioxide;P=P4;h=h4)

v4=volume(CarbonDioxide;P=P4;h=h4)

x4=quality(CarbonDioxide;P=P4;h=h4) "mezcla bifásica"

ma=(800/3600) [m^3/s]











Ts=23[C]

Tev=40[C]





Anexos

114







Tei=-2,5[C]

7.1.3. Circuito de refrigeración simple para R-717




T1=t_sat(R717;P=P1)

h1=enthalpy(R717;P=P1;x=x1)

s1=entropy(R717;P=P1;x=x1)

v1=volume(R717;P=P1;x=x1)


P2=24[bar] "presión de alta"



T2=temperature(R717;P=P2;s=s2)

h2=enthalpy(R717;P=P2;s=s2)

v2=volume(R717;P=P2;s=s2)


P3=P2


T3=t_sat(R717;P=P3)





P4=P1





Anexos

115

T4=T1

s4=entropy(R717;P=P4;h=h4)

v4=volume(R717;P=P4;h=h4)

x4=quality(R717;P=P4;h=h4) "mezcla bifásica"

ma=(800/3600) [m^3/s]











Ts=23[C]

Tev=40[C]








Tei=-2,5[C]

7.1.4. Circuito de refrigeración con eyector para R-717




T1=t_sat(R717;P=P1)








Anexos

116

P2=8[bar] "presión de alta"


s2_is=s1 "compresión isentrópica: reversible"

rend_comp=0,7

rend_comp=(h1-h2_is)/(h1-h2)

T2=temperature(R717;P=P2;s=s1)

h2_is=enthalpy(R717;P=P2;s=s1)




P3=P2


T3=t_sat(R717;P=P3)





P4=P1


T4=T1



x4=quality(R717;P=P4;h=h4) "mezcla bifásica"

ma=(800/3600) [m^3/s]











Ts=23[C]

Tev=40[C]




Anexos

117

7.1.5. Circuito de refrigeración con regenerador en régimen subcrítico

"Circuito simple con intercambiador de calor intermedio"

"Punto 6"

P6=6[bar]

x6=1





"Punto 4"

P4=24

T4=temperature(CarbonDioxide;P=P4;h=h4)



"Punto 1"

P1=P6

T1=T6+10

h1=enthalpy(CarbonDioxide;P=P1;T=T1)

s1=entropy(CarbonDioxide;P=P1;T=T1)

v1=volume(CarbonDioxide;P=P1;T=T1)

"Punto 2"

P2=P4

rend_comp=0,7


h2_is=enthalpy(CarbonDioxide;P=P2;s=s1)




"Punto 5"

P5=P6

T5=T6

h5=h4

x5=quality(CarbonDioxide;P=P5;h=h5)




Anexos

118



"Punto 3"

P3=P4

x3=0





"Calor intercambiador"

h4-h3=h6-h1

"Calor condensador y mR_inv"

Qcond=mR_inv*(h3-h2)

Qaire=-Qcond

Qaire=caudal*Cp_a*(Ts-Te)

Ts=23[C]

Te=-2,5[C]

ma=(800/3600) [m^3/s]



Cp_a=cp(Air_ha;T=25[C];P=1[bar])

Wcomp_in=mR_inv*(h1-h2)

COP_inv=Qcond/Wcomp_in

"Calor evaporador"

Qev=mR_ver*(h6-h5)

Qair_v=-Qev

Qair_v=caudal*Cp_a*(Ts-Te_v)

Te_v=40[C]

Wcomp_ver=mR_ver*(h1-h2)

COP_ver=Qcond/Wcomp_ver

7.1.6. Circuito de refrigeración con regenerador en régimen supercrítico

"Circuito simple con intercambiador de calor intermedio"

"Punto 6"

P6=18,75[bar]




Anexos

119

x6=1





"Punto 4"

P4=p_crit(CarbonDioxide)+1

T4=t_crit(CarbonDioxide)+1




"Punto 1"

P1=P6

T1=T6+10




"Punto 2"

P2=P4

rend_comp=0,7


h2_is=enthalpy(CarbonDioxide;P=P2;s=s1)




"Punto 5"

P5=P6

T5=T6

h5=h4

x5=quality(CarbonDioxide;P=P5;h=h5)



"Punto 3"

P3=P4




Anexos

120




"Calor intercambiador"

h4-h3=h6-h1

"Calor condensador y mR_inv"

Qcond=mR_inv*(h3-h2)

Qaire=-Qcond

Qaire=caudal*Cp_a*(Ts-Te)

Ts=23[C]

Te=-2,5[C]

ma=(800/3600) [m^3/s]



Cp_a=cp(Air_ha;T=25[C];P=1[bar])

Wcomp_in=mR_inv*(h1-h2)

COP_inv=Qcond/Wcomp_in

"Calor evaporador"

Qev=mR_ver*(h6-h5)

Qair_v=-Qev

Qair_v=caudal*Cp_a*(Ts-Te_v)

Te_v=40[C]

Wcomp_ver=mR_ver*(h1-h2)

COP_ver=Qcond/Wcomp_ver




Anexos

121

INTRODUCCIÓN DE MEJORAS PARA LA CLIMATIZACIÓN DE … · como la calefacción o el aire...

Documents

Transcript of INTRODUCCIÓN DE MEJORAS PARA LA CLIMATIZACIÓN DE … · como la calefacción o el aire...