UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR...iv AGRADECIMIENTOS Agradezco a todos quienes conforman la...

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DISEÑO DE UNA BOMBA DE CALOR A PARTIR DE LA ENERGÍA

GEOTÉRMICA PARA ACONDICIONAR UN INVERNADERO FLORÍCOLA

TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROPUESTA TECNOLÓGICA PARA

LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA

AUTOR: CARLA CRISTINA GUZMÁN ARROYO

QUITO

2019

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

Diseño de una bomba de calor a partir de la energía geotérmica para acondicionar un

invernadero florícola

Trabajo de titulación, modalidad Propuesta Tecnológica para la obtención del título de

Ingeniera Química

Autor: Guzmán Arroyo Carla Cristina

Tutor: Washington Gonzalo Chiriboga Gavidia

QUITO

2019

ii

©DERECHOS DE AUTOR

Yo, Carla Cristina Guzmán Arroyo en calidad de autor y titular de los derechos morales

y patrimoniales del trabajo de titulación Diseño de una bomba de calor a partir de la

energía geotérmica para acondicionar un invernadero florícola, modalidad Propuesta

Tecnológica, de conformidad con el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA

ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E

INNOVACIÓN, concedo a favor de la Universidad Central del Ecuador una licencia

gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra, con fines

estrictamente académicos. Conservo a mi favor todos los derechos de autor sobre esta

obra, establecidos en la normativa citada.

Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la

digitalización y publicación de este trabajo en el repositorio virtual, de conformidad a lo

dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.

El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de

expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad

por cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la

Universidad de toda responsabilidad.

En la ciudad de Quito, a los 8 días del mes de marzo del 2019.

-----------------------------------------------------

Carla Cristina Guzmán Arroyo

CC. 1723478721

[email protected]

iii

APROBACIÓN DEL TUTOR

Yo, Washington Gonzalo Chiriboga Gavidia en calidad de tutor del trabajo de

titulación, modalidad propuesta tecnológica, Diseño de una bomba de calor a partir de

la energía geotérmica para acondicionar un invernadero florícola, elaborado por la

estudiante Carla Cristina Guzmán Arroyo de la Carrera de Ingeniería Química, Facultad

de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, considero que el mismo

reúne los requisitos y méritos necesarios en el campo metodológico y en el campo

epistemológico, para ser sometido a la evaluación por parte del jurado examinador que

se designe, por lo que lo APRUEBO, a fin de que el trabajo sea habilitado para

continuar con el proceso de titulación determinado por la Universidad Central del

Ecuador.

En la ciudad de Quito, a los 8 días del mes de marzo del 2019.

_________________________

Firma del Tutor

WASHINGTON GONZALO CHIRIBOGA GAVIDIA

CC: 1715339048

iv

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a todos quienes conforman la prestigiosa Facultad de Ingeniería Química de

la Universidad Central del Ecuador, ya que me han dado la oportunidad de adquirir

conocimientos y cumplir una meta académica.

A mis padres: Lorena Arroyo y Fabián Guzmán, que han sido pilares fundamentales en

mi vida a lo largo de todos estos años de estudios.

A mi tutor Ing. Gonzalo Chiriboga, por ser una gran persona y profesional, que dedicó

su tiempo y paciencia, desde el inicio hasta el final de mi trabajo de titulación.

Al Ing. Diego Montesdeoca e Ing. Ghem Carvajal por la ayuda que me brindaron

durante el proceso de mi trabajo de titulación.

A mis amigos: Elizabeth Guerra, Sharon López, Jorge Cajamarca, Kleber Cabezas y

Santiago Freire, por su amistad, preocupación y ayuda durante todo el proceso de

estudios.

A todas las personas que aportaron en mi formación profesional.

v

CONTENIDO

Pág.

LISTA DE TABLAS ...................................................................................................... vii

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... viii

SIMBOLOGÍA ................................................................................................................. x

RESUMEN ..................................................................................................................... xii

ABSTRACT .................................................................................................................. xiii

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1

1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 3

1.1. Energía renovable. .................................................................................................... 3

1.2. Bombas de calor geotérmicas. .................................................................................. 4

1.2.1. Tipos de bombas de calor geotérmicas. ................................................................. 4

1.2.2. Componentes de la bomba de calor geotérmica. ................................................... 6

1.2.3. Eficiencia de la bomba de calor. ............................................................................ 9

1.2.4. Software para modelar bombas de calor geotérmicas............................................ 9

1.3. Invernaderos ............................................................................................................ 11

2. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 13

2.1. Experimentación. .................................................................................................... 13

2.2. Diseño ..................................................................................................................... 14

2.2.1. Análisis de las condiciones del invernadero. ....................................................... 14

2.2.2. Ciclo de compresión de vapor.............................................................................. 15

2.2.3. Selección del refrigerante.. .................................................................................. 15

2.2.4. Optimización del ciclo.. ....................................................................................... 16

2.2.5. Cálculo de la masa de refrigerante del ciclo ........................................................ 16

2.2.6. Cálculo de la longitud de tubería del suelo. ......................................................... 16

vi

2.2.7. Selección de los equipos.. .................................................................................... 17

2.2.8. Simulación del ciclo ............................................................................................. 18

2.2.9. Control del sistema.. ............................................................................................ 18

2.2.10. Diagramas de los equipos. ................................................................................. 18

3. CÁLCULOS Y RESULTADOS................................................................................ 19

3.1. Ciclo de compresión de vapor para refrigeración. .................................................. 19

3.2. Ciclo de compresión de vapor para calentamiento. ................................................ 21

3.3. Cálculos del intercambiador de calor del suelo. ..................................................... 24

3.4. Resultados del ciclo de compresión de vapor para refrigeración ........................... 28

3.5. Resultados del ciclo de compresión de vapor para calefacción. ............................. 29

3.6. Resultados del intercambiador de calor del suelo. .................................................. 29

3.7. Resultados de equipos utilizados en la bomba de calor .......................................... 30

4. DISCUSIÓN .............................................................................................................. 34

5. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 36

6. RECOMENDACIONES ............................................................................................ 38

CITAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 39

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 43

ANEXOS ........................................................................................................................ 47

vii

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Temperaturas adecuadas cultivo de flores ........................................................ 12

Tabla 2. Condiciones medidas en el invernadero ........................................................... 14

Tabla 3. Resultados ciclo por compresión de vapor para refrigeración ......................... 28

Tabla 4. Resultados ciclo por compresión de vapor para calefacción ............................ 29

Tabla 5. Resultados intercambiador de calor del suelo refrigeración............................. 29

Tabla 6. Resultados intercambiador de calor del suelo calefacción ............................... 30

Tabla 7. Resultados compresor ....................................................................................... 31

Tabla 8. Resultados Intercambiador de calor agua/refrigerante ..................................... 31

Tabla 9. Resultados Intercambiador de calor refrigerante/aire ....................................... 32

Tabla 10. Resultados Válvula de expansión ................................................................... 32

Tabla 11. Resultados Válvula de 4 vías .......................................................................... 33

viii

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Bombas de calor según el captador geotérmico. ............................................... 5

Figura 2. Bomba de calor según el tipo de conexión........................................................ 5

Figura 3. Etapas del ciclo ideal de compresión de vapor. ................................................ 7

Figura 4. Diagrama del ciclo ideal (A) y real (B) de compresión de vapor ..................... 7

Figura 5. Equipos del ciclo de compresión de vapor. ....................................................... 8

Figura 6. Ubicación del Invernadero. ............................................................................. 13

Figura 7. Exterior del invernadero. ................................................................................. 13

Figura 8. Diagrama P-h Ciclo de refrigeración . ............................................................ 19

Figura 9. Diagrama P-h para ciclo de calentamiento...................................................... 22

ix

LISTA DE ANEXOS

Pág.

ANEXO A Datos finales utilizados para el diseño de la bomba de calor ...................... 48

ANEXO B Ciclo de compresión de vapor utilizando EES ........................................... 49

ANEXO C Especificaciones del intercambiador de calor del suelo .............................. 50

ANEXO D Refrigerante R-290 ...................................................................................... 52

ANEXO E Selección de válvulas ................................................................................... 54

ANEXO F Selección de compresor ................................................................................ 56

ANEXO G Selección intercambiadores ......................................................................... 57

ANEXO H Simulación del ciclo en Aspen HYSYS® ................................................... 59

ANEXO I Programación del PLC en LogoSoft Comfort® ............................................ 63

ANEXO J Diagramas de diseño en AutoCad® .............................................................. 64

x

SIMBOLOGÍA

Área lateral tubería

Área transversal tubería

COP calefacción

COP refrigeración

Calor específico del agua a presión constante

Diámetro externo tubería

Diámetro interno tubería

Relación de eficiencia energética

Factor de fricción

Entalpía en el punto i

Perdidas por fricción

Coeficiente de convección ciclo de refrigeración.

Conductividad térmica material

Longitud tubería

Número de Prandlt ciclo de refrigeración

Trabajo real del compresor ciclo de calefacción

Trabajo real del compresor ciclo de refrigeración

Flujo másico refrigerante ciclo de calefacción

xi

Flujo másico refrigerante ciclo de refrigeración

Flujo másico de agua ciclo de refrigeración

Número de Nusselt ciclo de refrigeración

Calor en el condensador ciclo de calefacción

Calor en el condensador ciclo de refrigeración

Calor en el evaporador ciclo de calefacción

Calor en el evaporador ciclo de refrigeración

Potencia necesaria para calefacción

Potencia necesaria para refrigeración

Caudal de agua ciclo de refrigeración

Número de Reynolds ciclo de refrigeración

Coeficiente global de transferencia de calor ciclo de refrigeración.

Velocidad del agua ciclo de refrigeración

Potencia de la bomba ciclo de refrigeración

Densidad del agua

Media logarítmica ciclo de refrigeración

Viscosidad del agua

xii

Diseño de una bomba de calor a partir de la energía geotérmica para acondicionar

un invernadero florícola.

RESUMEN

Se diseñó una bomba de calor geotérmica, para acondicionar el calor de un invernadero

florícola, cumpliendo con las especificaciones establecidas por el usuario: 30°C para el

día y 15°C para la noche.

Para este trabajo, se utilizaron datos experimentales obtenidos en trabajos previos tanto

para la oferta energética (potencial solar: 3,6MJ/m2 y el potencial geotérmico: 57MJ/m

2)

así como para la demanda (calefacción: 29,5kW y refrigeración: 65,8kW), con el

objetivo de definir condiciones iniciales de diseño.

Posteriormente, se realizó el cálculo termodinámico de la bomba, en Engineering

Equation Solver® (EES), en el cual, se seleccionó el refrigerante R-290 y se

optimizaron las condiciones de trabajo, en función del mayor coeficiente de desempeño

(COP). Para la refrigeración el valor final de COP es 3,2 y para la calefacción es 5,8. El

captador geotérmico se dimensionó para una tubería horizontal de polietileno de alta

densidad de nodo cerrado, con la ayuda de la herramienta Solver de Microsoft Excel® y

se obtuvo una longitud de 526,14 m. Para la selección de los equipos de la bomba o

sistema, se consideraron las condiciones resultantes. El diseño del proceso se llevó a

cabo en Aspen HYSYS®, la programación del controlador se realizó en LogoSOFT

Comfort® y se realiza el diagrama en AutoCad®.

De los resultados obtenidos se puede concluir que, tanto las condiciones ambientales y

el potencial geotérmico de la zona estudiada, permiten diseñar sistemas de calefacción

para invernaderos mediante este tipo de ciclo termodinámico en conformidad con

normas internacionales como IGSHPA, ISO y ASHRAE.

PALABRAS CLAVE: /DISEÑO/ ENERGÍA GEOTÉRMICA / INVERNADEROS /

BOMBAS DE CALOR / CALEFACCIÓN / REFRIGERACIÓN/

xiii

Geothermal heat pump design to fit out the heat of a flower greenhouse.

ABSTRACT

A geothermal heat pump was designed to fit out the heat of a flower greenhouse,

according to the requirements established by the user: 30°C during the day and 15°C by

night.

For this work, experimental data from previous works were used, namely the heat

supply (potential of solar power: 3,6 MJ/m2 and geothermal potential: 57MJ/m

2) as well

as the heat demand (heating: 29,5 kW and refrigeration: 65,8 kW), in order to define

initial design conditions.

Subsequently, the thermodynamic calculation of the heat pump was performed in

Engineering Equation Solver® (EES), in which, the refrigerant R-290 was selected and

the work conditions were optimized, according to the higher COP. For refrigeration the

final COP value is 3,2 and for heating it was 5,8. A horizontal closed-loop ground

coupled single-pipe made of high-density polyethylene was dimensioned using the

Microsoft Excel® Solver tool and as a result, 526,14 m in length were obtained. The

heat pump or system equipment was selected considering the resulting conditions. The

process design was simulated in Aspen HYSYS® and the controller was programmed in

LogoSOFT Comfort®, finally the design blueprints were drawn in AutoCad®.

From the results obtained it was concluded that, both the operating conditions and the

geothermal potential of the zone, allow designing heating systems for greenhouses

through this type of thermodynamic cycle in compliance with international standards

such as IGSHPA, ISO and ASHRAE.

KEY WORDS: /DESIGN/ GEOTHERMAL ENERGY / GREENHOUSES / HEAT

PUMPS/ HEATING / REFRIGERATION/

1

INTRODUCCIÓN

Desde la antigüedad, la energía ha sido uno de los conceptos más importantes de la

ciencia y en general, las fuentes de energía se dividen en dos grandes grupos: energía

renovable y energía no renovable. La energía geotérmica constituye una fuente de

energía renovable utilizable de dos maneras: la primera en la que se aprovecha el calor

de la tierra para generar electricidad, es decir, el vapor formado por el agua que se

encuentra en rocas extremadamente calientes, se puede utilizar para hacer girar una

turbina y generar electricidad (Egg & Clark Howard, 2011).

La segunda es la aplicación directa que implica una amplia variedad de usos finales,

como la calefacción y refrigeración de espacios en la industria, la piscicultura y los spas

de salud (Fridleifsson, 2001).

Para el 2016, la utilización directa de energía geotérmica se ha registrado en 82 países,

(EGEC, 2017) cifra que ha aumentado considerablemente con respecto a los 28 países

registrados en 1995 (Lund, Freeston, & Boyd, 2011).

Actualmente, la utilización de los recursos geotérmicos en Ecuador se limita a

balnearios y piscinas termales; además, los usos alternativos importantes siguen siendo

desconocidos por la sociedad ecuatoriana, debido principalmente a la falta de un marco

regulatorio y fuentes de financiamiento. La geotermia de baja temperatura puede

generar proyectos para su uso directo en criadero de peces, invernaderos, calefacción y

aplicaciones industriales (Aguilera & Peláez, 2015).

Cabe recalcar que el uso de energía geotérmica para la calefacción de invernaderos en

invierno ayuda a conservar el ambiente adecuado para el crecimiento de las plantas y

reduce el uso de combustibles fósiles, lo que conlleva a: mejorar la calidad de los

productos, reducir los costos de producción y disminuir la liberación de gases de

invernadero (Benli & Durmuş, 2009). Con este enfoque, se considera importante diseñar

sistemas que permitan aprovechar las fuentes de energía renovable disponibles y a su

vez mejorar la capacidad productiva de los invernaderos.

2

Para que un cultivo sea óptimo, productivamente, depende de la potencialidad

genotípica y de las condiciones ambientales como: temperatura, humedad, luz, aire y

dióxido de carbono (Alpi & Tognoni, 1999). Sin embargo, el alcance de este trabajo

solo abarca el estudio de la variación temporal de la temperatura usando la energía

geotérmica de manera directa, es decir, diseñar una bomba de calor que opere tanto

como calefactor o como refrigerador y que aproveche la energía del suelo como fuente o

como sumidero.

El principal objetivo de este trabajo es diseñar una bomba de calor geotérmica para

acondicionamiento de calor en un invernadero, cumpliendo con las especificaciones

establecidas por el usuario: 30°C en el día y 15°C en la noche.

En el capítulo 1, se realiza una investigación bibliográfica sobre el tema englobando

normas, especificaciones y trabajos similares puestos en marcha a nivel mundial.

En el capítulo 2, se desarrolla la metodología a utilizarse basada en modelos que se

adaptan a los datos disponibles. Para esto, se utilizan datos de trabajos realizados

anteriormente por Capelo (2017) y Bunces (2017), para la oferta energética (potencial

solar: 3,6MJ/m2 y el potencial geotérmico: 57MJ/m

2), así como para la demanda

(calefacción: 29,5kW y refrigeración: 65,8kW) respectivamente, con el objetivo de

definir condiciones iniciales de diseño.

Posteriormente, se realiza el cálculo termodinámico de la bomba de calor,

dimensionamiento del captador horizontal, simulación del proceso y de control básico;

con la ayuda de programas informáticos como Engineering Equation Solver® (EES),

Microsoft Excel®, Aspen HYSYS® y LogoSOFT Comfort® respectivamente. Los

diagramas de diseño se realizan en AutoCad®.

En el capítulo 3, se muestran los cálculos y resultados obtenidos después de aplicar la

metodología, los resultados permiten seleccionar los equipos necesarios para el sistema.

En los capítulos 4, 5 y 6 se indican la discusión, conclusiones y recomendaciones

respectivamente, tomando en cuenta la comparación entre: la bibliografía consultada,

los resultados obtenidos y el software utilizado.

3

1. MARCO TEÓRICO

1.1. Energía renovable.

La energía renovable, en general, se podría definir como aquella que se obtiene de

manera natural de flujos de energía repetitivos y persistentes encontrados en el entorno

universal (Twidell & Weir, 2015).

Las energías de mayor interés para este trabajo se detallan a continuación:

Energía solar. Corresponde a la radiación procedente del sol que llega a la Tierra,

siendo ésta su fuente principal de energía. Puede transformarse directamente en energía

eléctrica por medio de células fotovoltaicas o en forma indirecta por medio de sistemas

térmicos de concentración. Se utiliza tanto en sistemas pasivos, que no utilizan otra

fuente de energía, o en sistemas activos que utilizan otra fuente de energía. (De Juana

Sardón, 2003).

Energía geotérmica. La palabra geotermia viene de dos partes: geo que significa tierra

y termia que significa calor, por lo tanto, la energía geotérmica proviene del calor de la

tierra (Egg & Clark Howard, 2011). En los yacimientos geotérmicos el calor

almacenado en los subsuelos es conducido hacia la superficie a través del agua, que

puede estar en estado líquido, vapor o mezcla. En función a la temperatura del fluido los

yacimientos se clasifican en:

a) Alta entalpía. El fluido sale a temperaturas mayores a 150°C usualmente en

forma de vapor. Se utilizan centrales geotérmicas para generación de energía eléctrica

con turbinas de vapor.

b) Entalpia media. El fluido sale a temperaturas entre 150 y 100°C generalmente

para uso directo, por ejemplo, en secado de productos agrícolas, refinado de azúcar,

extracción de sales por cristalización, entre otras.

4

c) Baja entalpía. El fluido sale a temperaturas menores a 100°C, por lo tanto, no es

viable para una gran distancia de transporte. Se utiliza principalmente para calefacción

tanto doméstica como industrial (Pous & Jutglar, 2004).

En el caso de sistemas hidrotérmicos se usa agua caliente o vapor del subsuelo, se

dividen en tres tipos principales: centrales de vapor seco, centrales de vapor flash y

centrales de ciclo binario (Watchel, 2010).

1.2. Bombas de calor geotérmicas.

El termino bomba de calor geotérmica, en inglés Ground-Source Heat Pump (GSHP) se

aplica a todos los sistemas que abarcan el uso de suelo Ground-coupled Heat Pump

(GCHP), agua subterránea, Groundwater Heat Pump (GWHP), agua superficial,

Surface-water Heat Pump (SWHP) como una fuente de calor o un sumidero (ASHRAE,

2011).

Desde un punto de vista termodinámico, el costo de operación de la bomba de calor

acoplada al suelo es menor que las bombas de calor de aire, esto se debe a que el

ambiente debajo de la tierra experimenta menor fluctuación de temperatura comparada

con la superficie. Por otra parte, presenta mayor eficiencia y un diseño amigable con el

medio ambiente. Se pueden usar tanto para aplicaciones industriales como domésticas

(Yan & A. Nomeli, 2015).

1.2.1. Tipos de bombas de calor geotérmicas. Las bombas de calor se pueden

clasificar de acuerdo al tipo de intercambiador de calor en el suelo, como se indica en la

Figura 1. Otras se pueden clasificar de acuerdo al tipo de conexión que presenten, como

se indica en la Figura 2.

5

Figura 1. Bombas de calor según el captador geotérmico (Ewings, 2008).

Figura 2. Bomba de calor según el tipo de conexión (Kavanaugh, 2014).

• Llamada también de expansión directa (DX). El refrigerante circula directamente por una tubería de cobre en el intercambiador de calor enterrado en el suelo.

Directas

• Una tubería de HPDE contiene agua con anticongelante en el intercambiador del suelo, la energía se transmite de manera indirecta hacia el intercambiador de calor del ciclo que contiene el refrigerante.

Indirectas o secundarias

Bombas de calor de nodo cerrado

Verticales acopladas al suelo

El captador geotérmico se construye, con tubos verticales en forma de U, de 60 a 90 m.

Horizontales acopladas al suelo

Tubería simple

Una tubería en el intercambiador de calor del suelo, a profundidad de1,5 a 3 m.

Tubería múltiple

Conformado por dos o cuatro tuberías, enterradas a 1,5 m de profundidad y de

30 a 60 cm de distancia entre ellas.

Tubería enroscada Reduce notablemente

el área de suelo requerido.

Mixtas acopladas al suelo

Son una combinación entre horizontales y verticales, diseño horizontal enterradas a una mayor profundidad,

usando el arreglo en U.

De agua superficial Consisten en una bomba de calor agua-aire o agua-

agua, conectadas a una red de tuberías ubicadas en un lago o río.

Bombas de calor de nodo abierto

De agua subterránea Emplea grandes cantidades de agua subterránea como

fuente o sumidero de calor para la bomba.

De agua superficial Son similares al principio de funcionamiento de las

torres de enfriamiento.

6

1.2.2. Componentes de la bomba de calor geotérmica.

a) Intercambiador de calor del suelo o captador geotérmico.

El captador geotérmico es el principal componente de la bomba de calor geotérmica, su

función es absorber o rechazar calor a la tierra. Está conformado por una tubería

enterrada, puede ser horizontal, vertical, enroscada o de nodo cerrado o abierto (Reda,

2017).

Generalmente se utilizan tuberías de polietileno de alta densidad en los sistemas

indirectos, con un tamaño adecuado para tener un flujo turbulento y de esa manera

asegurar una buena transferencia de calor. En los sistemas directos generalmente se

utilizan tuberías de cobre y dependiendo de las condiciones del suelo se necesita un

revestimiento plástico para evitar la corrosión (ASHRAE, 2013).

En los sistemas indirectos el fluido circulante por la tubería generalmente es agua, si las

condiciones climáticas podrían llegar a congelar el agua, se necesita una solución

anticongelante que presente un buen desempeño térmico (Benli & Durmuş, 2009).

Es necesaria una bomba para circular el fluido por la tubería y así garantizar el flujo

turbulento, sin embargo, la misma debe tener un bajo requerimiento de carga eléctrica

(Ewings, 2008).

b) Ciclo de compresión de vapor.

Es utilizado por la mayoría de sistemas para refrigeración, acondicionamiento de aire o

bombas de calor. El ciclo ideal se compone de los procesos que se pueden observar en

la Figura 3 y representados en un diagrama T-s en la Figura 4A.

7

Figura 3. Etapas del ciclo ideal de compresión de vapor (Kurt, 2006).

Figura 4. Diagrama del ciclo ideal (A) y real (B) de compresión de vapor

(Cengel & Boles, 2011).

El ciclo real presenta varias irreversibilidades en sus componentes, entre ellas: la

fricción del fluido y las pérdidas de calor con los alrededores (al no ser completamente

aislado). En el ciclo real el refrigerante no abandona el evaporador como vapor

saturado, se induce un pequeño sobrecalentamiento para asegurar el estado vapor antes

de ingresar al compresor; el compresor no trabaja isentrópicamente; el refrigerante no

•Extrangulación isoentalpica.

•Calentamiento isobárico.

•Enfriamiento isobárico

•Compresión isentropica.

1-2 2-3

3-4 4-1

A B

8

abandona el condensador en estado de líquido saturado, sino que se sub enfría en una

pequeña cantidad antes de ingresar a la válvula de estrangulamiento; después continua

con el ciclo, lo que se puede evidenciar en la Figura 4B (Cengel & Boles, 2011).

Figura 5. Equipos del ciclo de compresión de vapor (Cengel & Boles, 2011).

Equipos de ciclo por compresión de vapor. Los equipos necesarios para que el

sistema funcione se detallan a continuación, los 4 primeros se pueden observar en la

Figura 5:

Evaporadores. Estos equipos permiten que el fluido líquido frío experimente un

cambio de fase a vapor, a temperatura casi constante, ya que la presión de vapor a esta

temperatura es mayor a la temperatura de saturación del líquido (Bergman, Lavine,

Incropera, & DeWitt, 2011).

Condensadores. Estos equipos permiten que el fluido caliente en estado vapor

experimente un cambio de fase a estado líquido, a una temperatura casi constante

(Whitman & Johnson, 2000).

Compresores. Los compresores son equipos que aumentan la presión de un gas y por

ende su temperatura, esto como consecuencia de realizar trabajo sobre el gas (Moran &

Shapiro, 2004).

9

Válvula de expansión. Dispositivo usado en el ciclo de compresión de vapor, para

disminuir tanto la temperatura como la presión del refrigerante de manera isoentálpica,

y así, asegurar la entrada al evaporador en estado líquido-vapor (Alarcón Creus, 1998).

Válvula de cuatro vías. Es un dispositivo inversor de ciclo, con el fin de funcionar

como un calefactor o como un refrigerador. Se coloca en las tuberías de succión y

descarga del compresor. (Sanz del Castillo & Sanz del Castillo, 2014).

c) Emisor geotérmico. El emisor geotérmico representa la manera de transferir

calor al espacio y puede ser de tres diferentes maneras: radiadores, ventilo-convectores

(fan-coil) y piso radiante (Vega de Kuyper & Ramirez, 2014).

1.2.3. Eficiencia de la bomba de calor.

La eficiencia de una bomba de calor viene dada por valores que se detallan a

continuación:

Coeficiente de Rendimiento. Conocido por sus siglas en inglés, Coefficient Of

Performance (COP). Mide el desempeño de una bomba de calor y es la relación entre el

calor entregado y el trabajo requerido, a condiciones específicas.

Para las bombas de calor geotérmicas este valor varía entre 3 y 6. (Twidell & Weir,

2015). De acuerdo con los requerimientos de Energy Star el COP es mínimo 3,3 (

Natural Resources of Canada, 2004).

Coeficiente de Eficiencia Energética. En inglés, Energy Efficiency Ratio (EER). Mide

la eficiencia de enfriamiento de una bomba de calor. Se obtiene de la división de la

capacidad de enfriamiento, en Btu/h, para el consumo de energía eléctrica en watts a

condiciones específicas.

Para las bombas de calor geotérmicas de acuerdo con los requerimientos Energy Star

este valor debe ser mínimo 14,1 ( Natural Resources of Canada, 2004).

1.2.4. Software para modelar bombas de calor geotérmicas.

Actualmente, existen varios tipos de software para diversas configuraciones de bombas

de calor geotérmicas, son desarrollados tanto por los fabricantes de estos sistemas, como

10

por entidades regulatorias. (Hellström & Sanner, 2001). Entre ellos los más importantes

están: TRNSYS, GLD, GLHEPro, EED, GchpCalc, GEOSTAR y EnergyPlus.

TRNSYS. Es un ambiente utilizado para simular el comportamiento de sistemas

transitorios. Está conformado de dos partes: el motor, también llamado kernel, que es el

encargado de resolver el sistema usando un método numérico; la segunda parte es la

librería de componentes, incluye más de 150 modelos desde bombas hasta

electrolizadores (Thermal Energy System Specialists, 2019).

GLD. Es utilizado por profesionales aproximadamente en 62 países, siendo una de las

plataformas líderes en bombas de calor geotérmicas. Presenta un entorno muy amigable

con el usuario en diversos escenarios de bombas de calor geotérmicas. Puede tener dos

tipos de aplicaciones: residenciales o comerciales (Thermal Dynamics Inc., 2018).

GLHEPro. Es un software recomendado por la IGSHPA, fue desarrollado

originalmente para el diseño de bombas de calor geotérmicas verticales, para

aplicaciones residenciales y comerciales, sin embargo, las nuevas actualizaciones

incorporan otros tipos de configuraciones y elementos (IGSHPA, 2019).

GchpCalc. Es un programa diseñado específicamente para dimensionar bombas de

calor geotérmicas verticales de aplicaciones comerciales, está basado en un modelo

cilíndrico para encontrar la longitud requerida (Sarbu & Sebarchievici, 2016).

EED. Diseñador de Energía Geotérmica o en inglés Earth Energy Designer, es un

programa de simulación numérica adecuado para bombas de calor geotérmicas

verticales, para su uso, el usuario debe tener un alto conocimiento con respecto a los

cálculos que se deben realizar (Blocon AB, 2018).

GEOSTAR. Originario de China, es un software creado especialmente para diseño y

simulación de intercambiadores de calor geotérmicos, el software es capaz de calcular

longitudes en diferentes tipos de suelos, con datos de cagas térmicas (Sarbu &

Sebarchievici, 2016).

EnergyPlus. Es un programa para simular energías en edificios, entre ellos: calefacción,

ventilación, enfriamiento, iluminación e incluye la bomba de calor geotérmica vertical y

11

sus intercambiadores de calor del suelo. Es un simulador numérico. Es un software

gratuito. (U.S. Department of Energy’s, National Renewable Energy Laboratory, 2018).

1.3. Invernaderos

Son cámaras de crecimiento de plantas y otras instalaciones para la producción de

cultivos en interiores, con el fin de proteger de las condiciones adversas y obtener un

beneficio económico (Hanan, 2017).

Para que un cultivo sea óptimo productivamente, depende de la potencialidad genotípica

y de las condiciones que pueda tener el ambiente, las principales son: temperatura,

humedad, luz, aire y dióxido de carbono (Alpi & Tognoni, 1999).

En el mundo, existen varios métodos de calefacción y enfriamiento, entre ellos:

ventilación natural y forzada; enfriamiento evaporativo; combustión de combustibles

fósiles o de biomasa en calderas o directamente al aire; colectores solares y energía

geotérmica de baja temperatura (Zabeltitz, 2010).

En 2016 se reportan 82 países que usan energía geotérmica de manera directa, el 4,5%

se usa para calefacción de invernaderos (EGEC, 2017). Siendo, las bombas de calor

geotérmicas, para modificar la condición de temperatura en invernaderos, un tema de

gran interés a nivel mundial, hasta el 2015 se reportan 31 países que usan una fuente

geotérmica para calefacción de invernaderos (Lund & Boyd, 2016).

La agricultura ocupa aproximadamente un 14% de la superficie del Ecuador. Los

principales cultivos son: el banano, el café, el cacao, el maíz, la papa, el arroz y las

flores (Alcivar, 2011).

En los invernaderos florícolas las temperaturas óptimas van desde 22 a 30°C en el día y

del 10 a 15°C en la noche. En la siguiente tabla se muestran las temperaturas necesarias

para el cultivo de algunos tipos de flores.

12

Tabla 1. Temperaturas adecuadas cultivo de flores (EXPOFLORES, 2017)

Cultivo Crecimiento Floración

Noche Día Noche Día

Rosas 10-12 °C 20-25 °C 14-16 °C 24-25 °C

Clavel 10-12 °C 22 °C 10-12 °C 20-22 °C

Crisantemo 16-18 °C 18-22 °C 13-15 °C 15-17 °C

Para la calefacción, los floricultores colocan envolturas de papel en los botones que

permiten que la temperatura alrededor del capullo se incremente en 2°C, sin embargo,

esto conlleva a un gasto adicional por cada cosecha; otro método consiste en calefacción

mediante agua caliente circulante por tubos ubicados en la superficie del suelo, lo que

representa un gasto adicional de energía para calentar el fluido (EXPOFLORES, 2017).

Para la refrigeración se tiene sistemas de aireación natural por medio de ventanas o

ventilación forzada por medio de ventiladores, sin embargo, con esto no se puede

alcanzar las temperaturas deseadas, y se pierde control en la concentración de CO2

necesario en la fotosíntesis (Yanucci, 2019).

13

2. METODOLOGÍA

2.1. Experimentación.

El invernadero se encuentra ubicado en la parroquia de Guayllabamba, provincia de

Pichincha. (Latitud: -0.046874, Longitud: -78.30501, Altitud: 1686 m.s.n.m.), estos

datos se obtuvieron mediante el uso de un GPS (Google Maps) y se puede observar en

la Figura 6. La presión atmosférica es 81,39 kPa. El cultivo que presenta es de una

variación de flor llamada Gypsophila. En la Figura 7 se indica una foto exterior del

invernadero, por cortesía de Pablo Bunces.

Figura 6. Ubicación del Invernadero (Google Maps).

Figura 7. Exterior del invernadero (Bunces, 2017).

14

Previamente, se realizaron trabajos de titulación que engloban al proyecto, entre ellos, el

estudio de la radiación neta, capacidad calorífica del suelo, conductividad térmica del

suelo, potencial energético del suelo, a profundidades de: 0,5m; 1m; 1,5m; 2m, por parte

de Santiago Capelo en el 2017. En el interior y exterior del invernadero se miden

temperatura, humedad relativa y presión atmosférica y se calculan el calor interior del

invernadero, las pérdidas por el material y por el suelo. Con estos datos y cálculos, se

obtienen las toneladas de refrigeración y de calentamiento necesarias para el

invernadero en condiciones extremas, por parte de Pablo Bunces en el 2017.

2.2. Diseño

2.2.1. Análisis de las condiciones del invernadero. El diseño de la bomba de calor se

realiza de acuerdo a las condiciones de temperatura que necesita el propietario del

invernadero, y a la potencia para calentamiento y para refrigeración, calculadas por

Pablo Bunces (2017).

Después de la toma de datos en el invernadero se obtienen los valores que se indican en

la siguiente tabla:

Tabla 2. Condiciones medidas en el invernadero (Bunces, 2017) (Capelo, 2017).

Condiciones Valor

Radiación neta [MJ/m2] 3,6

Temperatura máxima interior día [°C] 45,2

Temperatura exterior día [°C] 19,6

Temperatura mínima noche interior [°C] 4,0

El usuario del sistema manifiesta que la temperatura adecuada en el día es 30°C y en la

noche es 15°C. La potencia para el calentamiento de la bomba de calor en el interior del

invernadero QNBC es 8,40 Toneladas de Refrigeración (TRF) (29,56 kW) y para la

refrigeración del invernadero QNR es 18,68 TRF (65,76 kW). (Bunces, 2017)

La bomba de calor funciona tanto para calefacción como para refrigeración, por lo

tanto, el diseño se realiza considerando el mayor valor, que en este caso es 18,68 TRF

15

aumentado en un 5% para asegurar que no presente una escasez de energía debido a las

pérdidas que involucran el ciclo real.

2.2.2. Ciclo de compresión de vapor. Para el funcionamiento del ciclo de compresión

de vapor se usa el programa Engineering Equation Solver® (EES); se resuelve el ciclo

ideal tanto para refrigeración como para calentamiento, para esto, se selecciona un

refrigerante que en este caso es el R-134a, se introduce una temperatura aleatoria a la

salida del evaporador, se observa la presión de saturación (a esta temperatura), para

establecer la misma como la presión de entrada al compresor, se asume que es un

proceso isentrópico, se ingresa una temperatura de salida del compresor, que va a ser la

misma de entrada al condensador, tomando en cuenta que esta temperatura debe ser

superior a las condiciones de temperatura del invernadero para el correcto

funcionamiento del ciclo (Bergman, Lavine, Incropera, & DeWitt, 2011), una vez que

se establece la temperatura de salida del compresor, por ende, se despliega la presión de

saturación (a esa temperatura), que se establece como la presión de salida del compresor

y la presión de entrada al condensador, donde se enfría hasta llegar al estado de líquido

saturado y luego regresa a la presión inicial en el evaporador en un proceso isoentálpico,

por medio de la válvula de expansión.

Una vez modelado el ciclo ideal, para las condiciones reales se realiza la misma

programación, con la diferencia de que el evaporador sobrecalienta el refrigerante 6°C

(BOHN, 2008) para asegurar que el refrigerante entre al compresor en estado vapor,

después se asume una eficiencia del compresor de 90% para hallar las propiedades

reales en el estado de salida del compresor, y a la salida del condensador la temperatura

se sub enfría 5°C (BOHN, 2011) para garantizar el estado líquido de ingreso a la

válvula de expansión y así retornar nuevamente al evaporador.

2.2.3. Selección del refrigerante. Para seleccionar el refrigerante, se carga el

programa EES a las condiciones necesarias, se realiza una comparación en función al

COP, entre cinco refrigerantes disponibles en el mercado, estos son: R-134a, R-404, R-

410A, R-600a y R-290. El que obtiene mejor resultado es el R-290.

Para el uso de refrigerantes, cabe recalcar que el Ecuador forma parte del Protocolo de

Montreal relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono (MIPRO, 2018).

16

Las condiciones ubican al refrigerante R-290, conocido como propano, hidrocarburo

con un alto grado de inflamabilidad, apto para el uso industrial en distintas aplicaciones,

ya que no contamina la capa de ozono. Para observar las propiedades del refrigerante

ver el Anexo D.

2.2.4. Optimización del ciclo. Para encontrar los valores óptimos que maximicen el

COP y se mantengan entre las condiciones necesarias en el invernadero, se utiliza la

herramienta de EES llamada Min/Max, que da como resultado los valores óptimos que

se utilizan para el funcionamiento del ciclo por compresión de vapor de la bomba de

calor.

2.2.5. Cálculo de la masa de refrigerante del ciclo. Para el cálculo del flujo másico

que se debe usar en la bomba de calor, es necesario dividir el valor de potencia de

refrigeración o calefacción obtenido en trabajos previos, entre en valor de energía que se

obtiene en el ciclo por compresión de vapor, el valor debe ser inferior al valor límite que

se ocupa en la refrigeración comercial de 3 galones por minuto (gpm). (Whitman &

Johnson, 2000)

2.2.6. Cálculo de la longitud de tubería del suelo. Para el cálculo de la longitud de la

tubería del suelo, primero, se elige el tipo de tubería adecuado, en este caso es

polietileno de alta densidad, se toma de un catálogo el diámetro, el valor recomendado

para tuberías horizontales que va entre 20 y 40 mm (IGSHPA, 2016), por ende, el

espesor se selecciona del catálogo en función a la presión y a la temperatura que se va a

aplicar en la tubería, los valores tanto de la rugosidad como de la conductividad del

material de igual manera se dan en el catálogo.

A continuación, se elige el fluido que va a pasar por la tubería, según la recomendación

es agua con anticongelante (IGSHPA, 2016), sin embargo, para esta aplicación no se

necesita el anticongelante ya que las temperaturas no llegan a ser tan bajas. Se calcula

para el sistema de refrigeración del invernadero, ya que es el mayor valor a alcanzar.

Con los datos de la temperatura de entrada, temperatura de salida y temperatura media,

se leen en tablas propiedades del agua como la densidad, viscosidad, conductividad y

calor específico.

17

Una vez que obtenidos los datos necesarios tanto de la tubería como del fluido, el flujo

másico viene dado por la ecuación que describe el cambio de entalpía a presión

constante, se realizan los cálculos de áreas tanto lateral como transversal, que sirven

para encontrar los valores de caudal, velocidad, pérdidas por fricción y potencia de la

bomba.

Para la parte de transferencia de calor, se usa la metodología que manifiestan Bergman,

Lavine, Incropera y DeWit (2011) en el caso de tener un flujo en el interior de una

tubería en una superficie con temperatura constante, para esto, es necesario conocer el

número de Reynolds, Prandtl, Nusselt para encontrar el coeficiente de convección en la

ecuación modelo de transferencia de calor.

Con la ayuda de Microsoft Excel® se ingresan todos los valores y ecuaciones, gracias a

la herramienta Solver, por medio de iteraciones logra obtener una longitud de tubería

que satisface los requerimientos de calor y de temperatura.

Para el ciclo de calefacción, se mantiene constante la longitud de tubería y se varían

tanto las temperaturas como el flujo para mantener el balance de energía.

2.2.7. Selección de los equipos. Para la selección de los equipos primero se hace una

lista de equipos que se necesitan en la bomba de calor y se seleccionan de catálogos

cumpliendo los requerimientos de temperatura y presión previamente establecidos.

Los equipos necesarios son:

Intercambiador de calor líquido - liquido. Se eligió un intercambiador calor de

placas soldadas, que trabaje a las temperaturas y flujo establecidos, tanto como

condensador y como evaporador, los mismos que presentan mayor eficiencia y son

útiles para aplicaciones como refrigeración y calefacción (ASHRAE, 2013).

Compresor. Se debe seleccionar un compresor que trabaje en el rango de presiones

que se definieron previamente, tomando en cuenta el fluido que va a circular por su

interior, que tenga velocidad variable, para poder adaptar el sistema de control.

Válvula de expansión. Para la válvula de expansión se selecciona una de acuerdo al

fluido y que soporte las condiciones de presión y temperatura a las que va a trabajar.

18

Válvula de cuatro vías. Una válvula de cuatro vías se debe seleccionar para dar

inversión al ciclo, que soporte las condiciones necesarias tanto de presión como de

temperatura.

Bomba. La bomba es de gran ayuda para circular el fluido del intercambiador de tierra a

las condiciones de flujo y presión necesarias.

Radiador. Representa un tipo recomendado de equipo de intercambio de calor con el

invernadero (Vega de Kuyper & Ramirez, 2014), se escoge un radiador como un

intercambiador de flujo cruzado, que incorpora ventiladores y tubos por donde circula el

refrigerante, que se va a enfriar o calentar dependiendo del funcionamiento del sistema.

2.2.8. Simulación del ciclo. Una vez que tenemos los pasos anteriores completos se

procede a simular el ciclo integrado en Aspen Hysys®, no se dispone de una válvula de

cuatro vías para inversión del ciclo, se realiza por separado, para calentamiento como

para enfriamiento. Ver Anexo H

2.2.9. Control del sistema. Al momento de alcanzar las temperaturas deseadas tanto

para calefacción como para refrigeración, es necesario, pero no obligatorio para este

trabajo de titulación, el control de encendido o inversión del sistema. Se realiza de una

manera simple usando sensores y un controlador lógico. Para la programación del

controlador lógico se utiliza el software LOGOSoft Comfort®. Ver Anexo I.

2.2.10. Diagramas de los equipos. Para el diagrama del sistema se utiliza el software

AutoCad®, se realiza por separado, el diagrama del ciclo y el esquema de la parte de

control, utilizando la norma ANSI/ASHRAE Standard 134-2005. Ver Anexo J.

19

3. CÁLCULOS Y RESULTADOS

3.1. Ciclo de compresión de vapor para refrigeración.

Como se puede observar en la Figura 8, se realiza en EES el ciclo real de compresión de

vapor para refrigeración. El diagrama de Presión vs Entalpía para el R-290 viene dado

en el programa, por lo tanto, se grafica el ciclo y se tienen las propiedades como:

presión, temperatura, entalpía, entropía para cada uno de los estados. Desde el punto 1

hasta el punto 2 trabaja el evaporador, desde el punto 2 hasta el punto 3 el compresor,

desde el punto 3 hasta el punto 4 el condensador y del punto 4 al punto 1 la válvula de

expansión. Se toma en cuenta, el sobrecalentamiento de 6°C a la salida del evaporador,

la eficiencia del compresor del 90% y el sub enfriamiento de 5°C a la salida del

condensador.

Figura 8. Diagrama P-h Ciclo de refrigeración (EES).

2 1

3 4

20

Cálculo del calor en el condensador ciclo de refrigeración. .

*

+ (1)

Los valores de se obtienen directamente de los datos del programa EES, por lo

tanto, al ingresar la Ecuación (1) en el entorno de programación, da como resultado:

[

]

Cálculo del calor en el evaporador ciclo de refrigeración. .

*

+ (2)



[

]

Cálculo del trabajo real del compresor ciclo de refrigeración. .

*

+ (3)



[

]

Cálculo del coeficiente de desempeño de refrigeración. .

Para el cálculo del COP de refrigeración es necesario dividir el valor del calor en el

evaporador del ciclo de refrigeración para el trabajo real del compresor en el ciclo

de refrigeración . Como se indica en la Ecuación (4)

(4)

21

Cálculo del Coeficiente de Eficiencia Energética. EER.

(5)

Cálculo del flujo másico de refrigerante para refrigeración. .

Para el cálculo del flujo másico de refrigerante para refrigeración es necesario dividir la

potencia para refrigeración del invernadero obtenida de los trabajos experimentales

previos, aumentado en un 5%, para el calor en el evaporador en el ciclo de refrigeración

. Como se indica en la Ecuación (6).

*

+ (6)

[

]

3.2. Ciclo de compresión de vapor para calentamiento.

De igual manera que en el numeral 3.1. se realiza el diagrama P-h para el R-290 en

EES, lo que se puede evidenciar en la Figura 9. De la misma manera que el ciclo de

refrigeración las propiedades son calculadas en cada estado por el programa. Desde el

punto 1 hasta el punto 2 trabaja el evaporador, desde el punto 2 hasta el punto 3 el

compresor, desde el punto 3 hasta el punto 4 el condensador y del punto 4 al punto 1 la

válvula de expansión. Se toma en cuenta, el sobrecalentamiento de 6°C a la salida del

evaporador, la eficiencia del compresor del 90% y el sub enfriamiento de 5°C a la salida

del condensador.

23

Cálculo del trabajo real del compresor ciclo de calefacción.

*

+ (9)



[

]

Cálculo del coeficiente de desempeño ciclo de calefacción. .

Para el cálculo del COP de calefacción es necesario dividir el valor del calor en el

condensador del ciclo de calefacción para el trabajo real del compresor en el ciclo

de calefacción . Como se indica en la Ecuación (10).

(10)

Cálculo del flujo másico de refrigerante ciclo de calefacción.

Para el cálculo del flujo másico de refrigerante para refrigeración es necesario dividir la

potencia para calefacción del invernadero obtenida de los trabajos experimentales

previos, aumentado en un 5%, para el calor en el evaporador en el ciclo de refrigeración

. Como se indica en la Ecuación (11).

(11)

[

]

24

3.3. Cálculos del intercambiador de calor del suelo.

Se realizan los cálculos modelo en el caso de que el sistema trabaje en el ciclo de

refrigeración. Los cálculos se realizan en Microsoft Excel para utilizar la herramienta

Solver. Para el ciclo de calentamiento se utilizan las mismas ecuaciones a diferentes

condiciones.

Flujo másico de agua ciclo de refrigeración.

*

+ (12)

Dónde:

Potencia para refrigeración del invernadero. Obtenido de trabajos previos.

Cp del agua a presión constante. Obtenido de tablas.

(13)

Estos valores de temperaturas para el ciclo de refrigeración se establecen como 48°C a

la entrada y 33°C a la salida de la tubería.

Reemplazando estos valores en la Ecuación (12) se obtiene:

[

]

Área transversal tubería. .

(14)

Dónde:

Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante.

25

Caudal de agua ciclo de refrigeración. .

*

+ (15)

Dónde:

Flujo másico de agua ciclo de refrigeración. Obtenido por la Ecuación (12)

Densidad del agua. Obtenido de tablas.

[

]

Velocidad del agua ciclo de refrigeración. .

*

+ (16)

Dónde:

Caudal de agua ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (15)

Área transversal tubería. Obtenido de la Ecuación (14)

*

+

Número de Reynolds ciclo de refrigeración.

(17)

Dónde:

Velocidad del agua ciclo de refrigeración Obtenido de la Ecuación (16)

Densidad del agua. Obtenido de tablas.

Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante.

Viscosidad del agua. Obtenido de tablas.

Aplicando la Ecuación (17) se obtiene:

22

Figura 9. Diagrama P-h para ciclo de calentamiento (EES).

Cálculo del calor en el condensador ciclo de calentamiento. .

*

+ (7)



[

]

Cálculo del calor en el evaporador ciclo de calefacción. .

*

+ (8)



[

]

2 1

3 4

26

Número de Nusselt ciclo de refrigeración.

(

)( )

(

)

( ⁄ )

(18)

Dónde:

Factor de fricción de obtenido del Diagrama de Moody.

Número de Reynolds ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (17)

Número de Prandlt ciclo de refrigeración. Obtenido de tablas.

Se obtiene:

Coeficiente de convección ciclo de refrigeración.

*

+ (19)

Dónde:

Número de Nusselt ciclo de refrigeración

Conductividad térmica del material de la tubería

Diámetro interno de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante

[

]

Coeficiente global de transferencia de calor ciclo de refrigeración. .

(

)

*

+ (20)

Dónde:


27

Diámetro externo de la tubería. Seleccionado del catálogo del fabricante

Conductividad térmica del material de la tubería

Coeficiente de convección ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (19)

[

]

Media logarítmica ciclo de refrigeración.

Para la media logarítmica el agua trabaja temperaturas de 48 y 33°C, y el suelo se

encuentra a 29,5°C

(21)

Longitud de tubería .

Para el cálculo de la longitud se utiliza la herramienta Solver de Microsoft Excel, que

por medio de iteraciones establece un valor, que satisface con los requerimientos de

temperatura y energía.

Área lateral tubería. .

(22)

Dónde:


Longitud de tubería. Calculado por iteraciones.

28

Perdidas por fricción ciclo de refrigeración .

*

+ (23)

Factor de fricción de obtenido del Diagrama de Moody.

Longitud de tubería. Calculado por iteraciones.

Densidad del agua. Obtenido de tablas

Velocidad del agua ciclo de refrigeración Obtenido de la Ecuación (16)


*

+

Potencia de la bomba ciclo de refrigeración. .

(24)

Dónde:

Perdidas por fricción ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (23)

Caudal de agua ciclo de refrigeración. Obtenido de la Ecuación (15)

3.4. Resultados del ciclo de compresión de vapor para refrigeración

En la Tabla 3 se muestran los resultados que muestra el programa EES para cada estado

en base a la Figura 8.

Tabla 3. Resultados ciclo por compresión de vapor para refrigeración

Entalpía

[kJ/kg]

Presión

[kPa]

Entropía

[kJ/kg]

Temperatura

[°C]

QHR

[kJ/kg]

QLR

[kJ/kg]

WR

[kJ/kg]

COPR

1 350,7 519,5 1,546 3 238,1 3,2

2 588,8 519,5 2,407 9 74,5

3 663,3 2 089,0 2,429 72,9 312,6

4 350,7 2 089,0 1,491 54,4

29

3.5. Resultados del ciclo de compresión de vapor para calefacción.

En la Tabla 4. Resultados ciclo por compresión de vapor para calefacciónse

muestran los resultados que muestra el programa EES para cada estado en base a la

Figura 9.

Tabla 4. Resultados ciclo por compresión de vapor para calefacción

Entalpía

[kJ/kg]

Presión

[kPa]

Entropía

[kJ/kg]

Temperatura

[°C]

QHBC

[kJ/kg]

QLBC

[kJ/kg]

WBC

[kJ/kg]

COPBC

1 308,4 519,5 1,393 3 280,4 5,8

2 588,8 519,5 2,407 9 58,4

3 647,2 1 543,0 2,425 57,6 338,8

4 308,4 1 543,0 1,362 40,3

3.6. Resultados del intercambiador de calor del suelo.

En la Tabla 5 se indican los resultados que se obtienen para el intercambiador de calor

del suelo en modo refrigeración.

Tabla 5. Resultados intercambiador de calor del suelo refrigeración

Descripción Valor Unidad

Flujo Pérdidas por fricción 8,51 x105

Pa

Área lateral 4,96 x101 m

2

Área transversal 7,07 x10-4

m2

Caudal 1,46 x10-3

m3/s

Flujo másico 1,45 kg/s

Velocidad 2,06 m/s

Longitud 5,26 x102 m

Bomba Potencia 1,24 x103 W

1,66 HP

Calor Reynolds 9,40 x104

Prandtl 4,32

Nusselt 5,44 x102

Coeficiente de convección 1,14 x104 W/m

2 °C

Coeficiente Global de

Transferencia de Calor

2,03 x102 W/m

2K

Media logarítmica temperaturas -9,01 °C

Calor total retirado -9,07 x104 W

30

En la Tabla 6 se indican los resultados que se obtienen para el intercambiador de calor

del suelo en modo calefacción.

Tabla 6. Resultados intercambiador de calor del suelo calefacción


Flujo Pérdidas por fricción 2,85 x105 Pa

Área lateral 4,96 x101 m

2

Área transversal 7,07 x10-4

m2

Caudal 8,81 x10-4

m3/s

Flujo másico 8,79 x10-1

kg/s

Velocidad 1,25 m/s

Longitud 5,26 x102 m

Bomba Potencia 2,51 x102 W

3,37 x10-1

HP

Calor Reynolds 3,62 x104

Prandtl 7,31

Nusselt 2,41 x102

Coeficiente de convección 4,74 x103 W/m

2 °C

Coeficiente Global de

Transferencia de Calor

1,98 x102 W/m

2K

Media logarítmica

temperaturas

2,52 °C

Calor total suministrado 2,47 x104 W

Temperaturas Temperatura entrada agua 22,0 °C

Temperatura salida agua 29,0 °C

Temperatura suelo 29,5 °C

Para la selección de la tubería, se puede observar el Anexo C.

3.7. Resultados de equipos utilizados en la bomba de calor

Compresor

En la Tabla 7 se muestran los resultados obtenidos para el compresor, se puede

evidenciar que en modo calefacción se obtienen los valores mínimos y para el modo

31

refrigeración se obtienen los valores máximos. Para la selección del compresor es

importante que englobe los valores mínimo y máximo.

Tabla 7 Resultados compresor

Presión

[kPa]

Temperatura

[°C]

Flujo

[kg/s]

Potencia

[kW]

Min Max Min Max Min Max Min Max

Succión 519,5 519,5 9,0 9,0 0,09 0,29 5,15 21,61

Descarga 1 543,0 2 089,0 57,6 72,9

Se selecciona un compresor cuyas especificaciones se pueden observar en el Anexo F.

Intercambiadores de calor del ciclo

La Tabla 8 muestra los valores obtenidos para el intercambiador de calor agua

refrigerante, el factor UA se obtiene de la ecuación de transferencia de calor de

intercambiadores y representa la multiplicación del coeficiente global de transferencia

de calor U por el área de transferencia A. Esto facilita la selección del equipo, tomando

en cuenta que los valores por separado no se conocen.

Tabla 8 Resultados Intercambiador de calor agua/refrigerante

Temperaturas [°C]

Fluido frío Fluido caliente

Refrigeración Entrada 33,0 72,9

Salida 48,0 54,5

Calefacción Entrada 3,0 29,0

Salida 9,0 22,0

Capacidad [kW] Refrigeración 90,7

Calefacción 24,7

UA[W/°C] 4 961,4

La Tabla 9 muestra los valores obtenidos para el intercambiador de calor refrigerante

aire, el factor UA se obtiene de la ecuación de transferencia de calor de

intercambiadores y representa la multiplicación del coeficiente global de transferencia

de calor U por el área de transferencia A. Esto facilita la selección del equipo, tomando

en cuenta que los valores por separado no se conocen.

32

Tabla 9 Resultados Intercambiador de calor refrigerante/aire

Temperaturas [°C]

Fluido frío Fluido caliente

Refrigeración Entrada 3,0 42,5

Salida 9,0 30,0

Calefacción Entrada 4,0 57,6

Salida 15,0 40,3

Capacidad [kW] Refrigeración 69,1

Calefacción 29,8

UA[W/°C] 3 117,7

Se seleccionan intercambiadores de calor que cumplan con los requerimientos, se

pueden observar en el Anexo G.

Válvulas

En la Tabla 10 se muestran los resultados obtenidos para la válvula de expansión, se

puede evidenciar que en modo calefacción se obtienen los valores mínimos y para el

modo refrigeración se obtienen los valores máximos. Para la selección de la válvula de

expansión es importante que englobe los valores mínimo y máximo.

Tabla 10 Resultados Válvula de expansión

Presión

[kPa]

Temperatura

[°C]

Flujo

[kg/s]

Mínima Máxima Mínima Máxima Mínimo Máximo

Entrada 1 543,0 2 083,0 40,3 54,4 0,09 0,29

Salida 519,5 519,5 3,0 3,0

En la

Tabla 11 se muestran los resultados obtenidos para la válvula de 4 vías, se puede

evidenciar que en modo calefacción se obtienen los valores mínimos y para el modo

33

refrigeración se obtienen los valores máximos. Para la selección de la válvula de 4 vías

es importante que englobe los valores mínimo y máximo.

Tabla 11 Resultados Válvula de 4 vías

Presión

[kPa]

Temperatura

[°C]

Flujo

[kg/s]

Mínima Máxima Mínima Máxima Mínimo Máximo

519,5 2 083,0 9,0 72,9 0,09 0,29

Para observar la selección de las válvulas se puede observar el Anexo E.

34

4. DISCUSIÓN

La capacidad máxima de enfriamiento del sistema, según los valores de trabajos

previos, es equivalente a 2,2 veces la capacidad máxima de calefacción, por lo tanto,

para cumplir con los balances de masa y energía combinados en la bomba de calor,

se necesita modificar las condiciones de operación para cada ciclo, esto se puede

evidenciar en todas las tablas de resultados. Además, el COP para calefacción

debería ser mayor al COP para refrigeración en un valor de 1, considerando las

mismas condiciones de operación (Cengel & Boles, 2011), sin embargo, en este caso

el COP de calefacción difiere con el de refrigeración en un valor de 2,6, debido a que

las condiciones de operación del ciclo varían en cada escenario.

Para el captador geotérmico se utiliza un sistema indirecto horizontal con una tubería

flexible de polietileno de alta densidad, por recomendación de la IGSHPA, con el fin

de asegurar una adecuada transferencia de calor y evitar la corrosión en el caso de ser

una tubería metálica. Se obtienen 526,14 m de longitud de tubería, lo que significa 30

m de tubería por cada TRF de refrigeración, 65 m de tubería por cada TRF de

calefacción, sin embargo, la bibliografía recomienda que se obtengan

aproximadamente de 120 a 180m por TRF ( Natural Resources of Canada, 2004),

esta diferencia podría deberse principalmente a las condiciones ambientales de

temperatura que se tienen en los lugares donde se aplican estos sistemas, como es el

caso de: Canadá, Estados Unidos, Países Bajos, Rusia, Hungría y Turquía, donde las

temperaturas del suelo pueden estar bajo los 0°C. Según los estudios previos de este

trabajo, las condiciones ambientales extremas son 4°C y 45,2°C, así como, la

temperatura del suelo a 2m de profundidad varía de 29 a 30°C aproximadamente, por

lo que, la transferencia de calor varía según las ecuaciones de cálculo utilizadas para

el diseño y de igual manera la longitud de la tubería.

La mayoría de modelos geotérmicos se encuentran desarrollados para dimensionar

sistemas verticales, por lo que, para este caso específico de tubería horizontal, se

utilizó la metodología de transferencia de calor en un fluido en movimiento dentro de

35

una tubería como lo recomiendan Bergman, Lavine, Incropera y DeWit (2011),

incorporando los datos experimentales de temperatura, conductividad, calor

específico del suelo a diferente profundidad y dando como resultado el

dimensionamiento del intercambiador de calor del suelo.

El valor de COP calculado en la bomba de calor para calefacción es 5,8; el COP de

estos sistemas se reporta en bibliografía especializada con valores entre 3 a 6

(Twidell & Weir, 2015), además, por los requerimientos Energy Star® el mínimo

valor es 3.

El valor de EER obtenido es 10,9 para bomba de calor en modo de refrigeración,

debajo de lo recomendado por el Energy Star® de 14,1. Por otro lado, se calculó un

COP para refrigeración de 3,2, el COP de estos sistemas se reporta en bibliografía

especializada con valores entre 3 a 6 (Twidell & Weir, 2015).

El simulador de procesos utilizado no tenía disponible entre su librería la válvula de

inversión de 4 vías, por lo que, es necesario simular por separado el proceso de

refrigeración y bomba de calor. No obstante, al comparar con el valor del COP de

calefacción en EES® y en Aspen HYSYS®, se observa que son 5,8 y 5,7

respectivamente, se tiene una precisión del 98,3% en el resultado, asimismo, al

comparar los valores obtenidos de COP de refrigeración en EES® y en Aspen

HYSYS® se observa que son 3,2 y 3,3 respectivamente, se tiene una precisión del

95,2% en el resultado.

.

36

5. CONCLUSIONES

Para refrigerar el invernadero de 350m2 con una capacidad máxima de enfriamiento

de 18,68 TRF (65,76 kW) se necesita: para el captador geotérmico 1,45 kg/s de agua,

para el ciclo de compresión de vapor 0,29 kg/s de refrigerante R-290 y para el emisor

7,5 kg/s de aire. Para calentar el invernadero con una capacidad máxima de

calefacción de 8,40 TRF (29,57 kW) se necesita: para el captador geotérmico 0,88

kg/s de agua, para el ciclo de compresión de vapor 0,09 kg/s de refrigerante R-290 y

para el emisor 2,7 kg/s de aire.

La longitud de tubería del captador geotérmico de polietileno de alta densidad, con

un diámetro nominal de 32 mm presenta un valor de 526,14 m, lo que significa, 30m

de tubería por cada TRF para refrigeración, 65m de tubería por cada TRF para

calefacción aproximadamente y 1,5 m de tubería por cada metro cuadrado de área en

el interior del invernadero. Menor al rango recomendado por la bibliografía y

discutido previamente.

En modo refrigeración la temperatura de entrada de agua al captador geotérmico es

48°C y de salida es 33°C, mientras que para la calefacción la temperatura de entrada

es 22°C y de salida es 29°C, además, la temperatura del suelo es 29,5°C. Por lo que,

el potencial energético del suelo es utilizable, tanto para calefacción como para

refrigeración en un invernadero en la zona, cuyo requerimiento de temperatura

ambiente esté entre 30 y 15°C.

El COP obtenido para calefacción es 5,8 lo que significa que por cada unidad de

energía eléctrica utilizada se obtienen 5,8 unidades de energía para calentar el

invernadero, de igual manera, el COP obtenido para refrigeración de 3,2, lo que

significa que por cada unidad de energía eléctrica utilizada se extraen 3,2 unidades

de energía para enfriar el invernadero, los valores obtenidos en este trabajo se ajustan

al rango de desempeño termodinámico adecuado consultado en la bibliografía.

37

La precisión de la comparación entre simuladores en función al COP alcanza el

98,3% para calefacción y 95,2% para refrigeración, lo que indica que el uso del

simulador de procesos como el modelo matemático son correctos.

38

6. RECOMENDACIONES

Se recomienda estudiar un sistema de captación geotérmica vertical, ya que se tiene

mayor cantidad de modelos desarrollados experimentalmente, debido a su alta

eficiencia y menor cantidad de área ocupada horizontalmente.

Se recomienda tomar en cuenta las precauciones de seguridad y simular las

condiciones de operación, con el uso de refrigerantes inflamables, en este caso R-

290. Ya que, si en el sistema se presentan fugas, podría ocurrir una explosión.

Se recomienda el uso de simuladores especializados según la disposición del

sistema, entre los cuales se pueden citar a los incluidos en el marco teórico para

bombas de calor geotérmicas, en los que se pueda modelar tanto el calentamiento

como el enfriamiento de los espacios.

Se recomienda realizar un análisis económico de todos los equipos que intervienen

en la operación, los costos de operación y mantenimiento, comparado con el

beneficio económico que se recibe por el cultivo en el invernadero, con el fin de

conocer su rentabilidad a largo plazo.

Se recomienda realizar el control completo de la bomba de calor, ya que solo se

realiza el control básico para el PLC, sin tomar en cuenta los elementos de control en

el ciclo.

Indirectamente se podrían controlar condiciones de humedad relativa partiendo de

valores conocidos de humedad específica, lo cual, puede ser analizado en una

siguiente fase del proyecto.

39

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47

ANEXOS

48

ANEXO A

Datos finales utilizados para el diseño de la bomba de calor

Figura A1. Hoja de Microsoft Excel® con las condiciones de diseño. (Bunces, 2017) (Capelo, 2017)

49

ANEXO B

Ciclo de compresión de vapor utilizando EES

Figura B1. Ciclo de compresión de vapor real para refrigeración usando R-290

Figura B2. Ciclo de compresión de vapor real para calefacción usando R-290

50

ANEXO C

Especificaciones del intercambiador de calor del suelo

Tabla C1. Espesor de la pared de la tubería (ISO, 2007)

Tabla C2. Criterios generales selección de tubería

Material Polietileno De Alta Densidad

(HDPE) Flexible PE-100 SDR17

Fabricante

CIDELSA

51

ANEXO C (continuación)

Tabla C3. Criterios específicos selección tubería


Diámetro nominal 32 mm

Espesor 2 mm

Diámetro interno 30 mm

Peso promedio 0,2 kg/ml

Rugosidad 0,007 mm

Rugosidad Relativa 0,0002 -

Conductividad material 0,4 W/m K

Longitud 530 m

Obtenido de: Catálogo Tuberías Lisas HDPE CIDELSA 2018

52

ANEXO D

Refrigerante R-290

Tabla D1 Propiedades termo físicas del refrigerante R-290 ASHRAE

53

ANEXO D (continuación)

Tabla D2 Propiedades del fabricante del refrigerante R-290

Nombre comercial Propano (R-290)

Codigo comercial R-290

Uso Gas refrigerante

Número CAS 74-98-6

Etiqueta Extremadamente

inflamable

Temperatura de ebullición [°C] -42,1

Temperatura de auto ignición [°C] 470

Temperatura crítica [°C] 96,7

Presión crítica [kPa] 42,48

Pureza Alta

Proveedor REFECOL

Obtenido de: Catálogo R-290 REFECOL 2018

54

ANEXO E

Selección de válvulas

Tabla E1 Especificaciones válvula de expansión

Modelo Válvula de expansión

termostática TCBE 3

Material Acero inoxidable

Fabricante Danfoss

Temperatura condensación máxima 55

Temperatura evaporación máxima °C 10

Máxima presión de trabajo kPa 4550

Refrigerante R290

Longitud del tubo capilar mm 900

Sobrecalentamiento Estático °C 4

Capacidad kW 32

Obtenido de: Catalogo de válvulas de expansión. Danfoss 2016

55

ANEXO E (continuación)

Tabla E2 Especificaciones válvula inversora de 4 vías

Modelo Válvula inversora de 4 vías para

R-290 BEL-DSF3400

Tipo Recta

Descarga [pulg] 7/8

Aspiración [pulg] 1.1/8

Capacidad [TRF] 6,5-20

Bobina [V] 220

Fabricante Línea DSF

Obtenido de: Válvulas inversoras compilación LINEA DSF. 2017.

56

ANEXO F

Selección de compresor

Tabla F1 Especificaciones del compresor

Modelo Compresor Copeland Scroll

para R-290 ZHV0291U

Velocidad Variable

Desplazamiento [cm3] 29

Tubo de succión [pulg] ⁄

Tubo de descarga [pulg] ⁄

Cantidad de aceite [l] 0,7

Longitud [mm] 207

Anchura [mm] 198

Altura [mm] 334

Peso [kg] 15

Potencia máxima [kW] 25

Temperatura mínima [°C] -7

Temperatura máxima [°C] 80

Fabricante Emerson

Obtenido de: Catálogo compresores Scroll Emerson R-290. 2016

57

ANEXO G

Selección Intercambiadores

Tabla G1 Especificaciones del Intercambiador de placas

Modelo Intercambiador de placas soldadas

CB30

Temperatura mínima de trabajo [°C] -196

Temperatura máxima de trabajo [°C] 225

Presión mínima de trabajo [bar] Vacío

Presión máxima de trabajo [bar] 40

Volumen por canal [l] 0,054

Tamaño de partícula máximo [mm] 1

Flujo máximo [m3/h] 14,5

Mínimo número de placas 4

Máximo número de placas 150

Material Acero inoxidable

Fabricante Alfa Laval

Dimensiones [mm]

A 149,2

Obtenido de: Catalogo intercambiadores de placas Alfa Laval. 2015

58

ANEXO G (continuación)

Tabla G2 Especificaciones del Intercambiador de flujo cruzado

Modelo Intercambiador de flujo

cruzado de flujo inducido

Heat Duty [kW] 70

U [W/m2°C] 550

Área [m2] 5,67

Paso Simple

Filas 3

Longitud del tubo [m] 5

Flujo de aire [kg/s] 7,5

Potencia ventiladores [kW] 51,77

Numero de ventiladores 2

Fabricante Kelvion

Obtenido de: Catalogo Air Fin Cooler. Kelvion. 2015

59

ANEXO H

Simulación del ciclo en Aspen HYSYS

Figura H1. Simulación del ciclo de refrigeración

60

ANEXO H (continuación)

Tabla H1. Balance de masa y energía para refrigeración obtenido de Aspen HYSYS

Case - Material Stream

Name 1 2 Agua Fría Agua

Caliente Aire Caliente Aire Frío 3 4

Pressure [kPa] 519,5 519,5 850 850 1000 100 2089 2089

Temperature [C] 2,9053877 9 33 48 42,5 30,5462647 72,9707323 49,9845924

Mass Flow [kg/s] 0,29 0,29 1,446 1,446 7,5 7,5 0,29 0,29

Std Ideal Liq Vol Flow [m3/h]

2,0612856 2,0612856 5,21610511 5,21610511 30,6966790 30,6966790 2,06128569 2,06128569

Molar Enthalpy [kJ/kgmole]

-118053,476

-107085,213 -285586,389 -284420,278 429,597445 151,162991 -103821,227 -118053,476

Utility Type

Stream Price Factor

Stream Price Basis Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow

Cost Flow [Cost/hr]

61


Figura H2. Simulación del ciclo de calefacción

62


Tabla H2. Balance de masa y energía para calefacción obtenido de Aspen HYSYS

Case - Material Stream

Name 1 2 Agua

Caliente Agua Fría 3 4 Aire Frío Aire Caliente

Pressure [kPa] 519,5 519,5 285 285 1543 1543 900 1000

Temperature [C] 2,901875595 9,486947866 29 22,52 57,92338193 40,25 4 15,23966683

Mass Flow [kg/s] 0,088 0,088 0,88 0,88 0,088 0,088 2,7 2,7

Std Ideal Liq Vol Flow [m3/h] 0,625493589 0,625493589 3,174393155 3,174393155 0,625493589 0,625493589 11,05080446 11,05080446

Molar Enthalpy [kJ/kgmole] -

119373,5611 -

107048,7319 -

285906,7543 -

286410,2751 -

104477,8292 -

119373,5611 -

685,2871817 -

366,5526232

Utility Type

Stream Price Factor

Stream Price Basis Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow Molar Flow

Cost Flow [Cost/hr]

63

ANEXO I

Programación del PLC en LogoSoft Comfort

Figura I1. Programación del PLC obtenido de Logosoft Comfort.

64

ANEXO J

Diagramas del diseño en AutoCad

+

-

D

CIRCUITO INTERIOR

INVERNADERO

CIRCUITO EXTERIOR

INVERNADERO

DE

H

G

A

C

B

D

SIMBOLOGÍA

INTERCAMBIADOR DE FLUJO

CRUZADO

+

-

INTERCAMBIADOR DE PLACAS

VÁLVULA DE EXPANSIÓN

VÁLVULA DE 4 VÍAS

COMPRESOR

TANQUE

BOMBA

DRENAJE DE AGUA

DRENAJE

TUBO FLEXIBLE

REFRIGERACIÓN

CALENTAMIENTO

SENSOR DE NIVEL

SENSOR DE PRESIÓN

T

SENSOR DE TEMPERATURA

F

F

I

110 VAC / 24 VDC

B C

H

D

E

F

0 V 0 V 0 V24 V 24 V 24 V

L1

L2 N

I1 I2 I3 I4 AI2 AI3 AI4

Q2 Q3 Q4 AQ1 AQ2 AQ3 AQ4

INICIO PARO

G

Q1

A

AI1

SIMBOLOGÍA

CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE

(PLC)

INDICADOR LED

CONEXIÓN A TIERRA

110 VAC / 24 VDC

0 V 0 V 0 V24 V 24 V 24 V

L1

L2N

I1 I2 I3 I4 AI2 AI3 AI4

Q2 Q3 Q4 AQ1 AQ2 AQ3 AQ4Q1

AI1

CONTACTOR NORMALMENTE

ABIERTO

CONTACTOR NORMALMENTE

CERRADO

I

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR...iv AGRADECIMIENTOS Agradezco a todos quienes conforman la...

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