3. Capítulo 3: Análisis energético de la...

Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012

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Julio Martí Romero

3. Capítulo 3: Análisis energético de la planta.

Este capítulo desarrolla la realización del balance de potencias existente en todos los elementos de la

planta. La Figura 42 muestra un esquema de las diferentes potencias y su distribución existente en la

planta en estudio así como de las principales perdidas que se producen. Para realizar dicho balance se

comenzará por la realización del balance en los elementos principales y situando las pérdidas

producidas en cada uno de ellos. Además del balance de potencias se podrá determinar los balances

de energía existentes utilizando la integración de la potencia.

Una vez mostrado los balances necesarios en cada sector de la planta, se procederá a realizar un

modelado teórico del balance energético de la planta mediante el programa EES, en dicho balance se

podrá mostrar las evaluaciones de distintos parámetros como temperaturas, caudales, COP que

finalmente serán comparados con los resultados experimentales obtenidos mediante la evaluación y

recopilación de datos de la planta realizados por el departamento de termotecnia en años previos.

Se debe comentar que el balance energético tanto el modelo en EES como el experimental se va a

realizar sin poder tener en cuenta la incorporación del acumulador, que si se muestra al realizar el

análisis energético mediante ecuaciones teóricas. Ello es debido a que en la situación actual de la

planta aún no se ha podido recopilar datos esclarecedores del funcionamiento del acumulador.

Tras el estudio teórico de las ecuaciones, el modelado teórico y la evaluación experimental, se

extrapolarán los resultados para la obtención de las conclusiones obtenidas del proyecto. A

continuación desarrollaremos el cálculo de cada una de estas potencias y pérdidas para cada circuito,

es decir para el circuito solar, circuito de condensación y el circuito del colector de frío. Así como el

balance total en la MADE.

Nota: Se recomienda ver en primer lugar el glosario de términos.

3.1. Evaluación energética teórica de los elementos principales.

3.1.1. Circuito solar.

- Potencia radiante (

Potencia solar que incide sobre los espejos del captador Fresnel. Se determina:

(Ecuación 1)

Siendo:

Radiación normal directa medida en el instante de cálculo. Medida por el Pirheliómetro.

Superficie útil de captación: .


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Figura 42. Balance energético


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- Potencia radiante incidente ( )

Potencia real que se encuentra disponible, esta depende del sistema de control, puesto que este actúa

para desenfocar una serie de espejos si la temperatura de salida excede de la máxima permitida

(180ºC).

(Ecuación 2)

Siendo:

Factor de enfoque, porcentaje de espejos correctamente orientados hacia el tubo absorbedor.

Figura 43. Esquema circuito solar

- Potencia absorbida (

Potencia que finalmente se intercambia con el fluido que circula por los tubos absorbedores. Se

determina:

(Ecuación 3)

(Ecuación 4)

Siendo:

Caudal volumétrico de la corriente que atraviesa el captador. Caudalímetro QS2

Caudal másico de la corriente que atraviesa el captador.

Temperatura de entrada del captador Fresnel. Sensor TS4

Temperatura de salida del captador Fresnel. Sensor TS3

Densidad del agua media del circuito solar:

Calor específico a presión constante, valor medio del circuito solar:


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Julio Martí Romero

- Potencia del acumulador (

Potencia almacenada en el acumulador de cambio de fase del circuito solar. Se determina:

(Ecuación 5)

(Ecuación 6)

Siendo:

Caudal volumétrico de la corriente que atraviesa el acumulador. Caudalímetro QS3.

Caudal másico de la corriente que atraviesa el acumulador.

Temperatura de entrada del acumulador de cambio de fase. Sensor TS6

Temperatura de salida del acumulador de cambio de fase. Sensor TS5

Densidad del agua media del acumulador:

Calor específico a presión constante, valor medio del acumulador:

- Potencia cedida a la MADE por el circuito (

Potencia calorífica que el agua del circuito solar aporta a la MADE. Se determina:

(Ecuación 7)

(Ecuación 8)

Siendo:

Caudal volumétrico que atraviesa la MADE por parte del circuito solar. Caudalímetro QS1.

Caudal másico de la corriente que atraviesa la MADE por la parte del circuito solar.

Temperatura de entrada a la MADE. Sensor TS1

Temperatura de salida a la MADE. Sensor TS0

Densidad del agua media del circuito solar:

Calor específico a presión constante, valor medio circuito solar:

- Pérdidas por desenfoque (

Pérdidas de potencia asociadas a la fracción de espejos desenfocados. Se determinan:

(Ecuación 9)

Al calcular se comete un error de cálculo ya que se cometió calculando .


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Julio Martí Romero

- Pérdidas en el captador (

El total de pérdidas que se producen en el captador. Se determinan:

(Ecuación 10)

Al calcular se comete un error de cálculo ya que se cometió calculando .

- Pérdidas ópticas y térmicas (

Las perdidas ópticas y térmicas son las perdidas existentes en el captador. Las térmicas son debidas a

la diferencia de temperatura entre el fluido que circula por el captador y la temperatura ambiente y

las ópticas son debidas a la geometría del equipo y la posición relativa de los espejos respecto al Sol.

(Ecuación 11)

3.1.2. Circuito de condensación.

En la Figura 44 se muestra el esquema de principio del circuito de condensación de la instalación.

- Potencia disipada por el condensador (

Potencia calorífica disipada en el condensador de la MADE. Se determina:

(Ecuación 12)

(Ecuación 13)

Siendo:

Caudal volumétrico que atraviesa el condensador de la MADE. Caudalímetro QB1.

Caudal másico que atraviesa el condensador de la MADE.

Temperatura de entrada a la MADE por el circuito de condensación. Sensor TB1

Temperatura de salida a la MADE por el circuito de condensación. Sensor TB2

Densidad del agua media del circuito de condensación:

Calor específico a presión constante, valor medio del circuito de condensación:


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Figura 44. Esquema circuito de condensación

3.1.3. Circuito de frio

En la Figura 45 se muestra el esquema de principio del circuito de frío de la instalación.

Figura 45. Esquema circuito de frío


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- Potencia frigorífica producida por la MADE (

Potencia frigorífica aportada por la MADE al circuito de frio. Se expresa:

(Ecuación 14)

(Ecuación 15)

Siendo:

Caudal volumétrico que atraviesa el evaporador de la MADE. Caudalímetro QF1.

Caudal másico de la corriente que atraviesa el evaporador de la MADE.

Temperatura de entrada a la MADE por el circuito de frío. Sensor TF1

Temperatura de salida a la MADE por el circuito de frío. Sensor TF2

Densidad del agua media del circuito de frío:

Calor específico a presión constante, valor medio del circuito de frío:

- Potencia frigorífica aportada a la ESI (

Potencia frigorífica aportada por la instalación a los colectores de frío de la ESI. Se determina:

(Ecuación 16)

(Ecuación 17)

Siendo:

Caudal volumétrico que llega al colector de frío. Caudalímetro QF2.

Caudal másico que llega al colector de frío.

Temperatura de entrada de los colectores de frío. Sensor TF3

Temperatura de salida a los colectores de frío. Sensor TF4

Densidad del agua media del circuito de frío:

Calor específico a presión constante, valor medio del circuito de frío:

- Pérdidas en el circuito de frío (

Pérdidas producidas en las tuberías del circuito de frío. Se determinan:

(Ecuación 18)

Posiciones intermedias de la válvula de tres vías del circuito de frío falsean esta medida.


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3.1.4. Balance en la MADE

- Potencia de combustión (

Potencia producida por la combustión de gas natural. Se calcula mediante la siguiente expresión:

(Ecuación 19)

(Ecuación 20)

Siendo:

Caudal volumétrico de gas natural. Volumen acumulado de gas natural.

Poder calorífico inferior del gas natural:

.

- Potencia en el generador de alta temperatura (

Potencia total disponible en el generador de alta temperatura para el funcionamiento de la MADE. Se

determina:

(Ecuación 21)

- Potencia no útil (

Potencia calorífica no aprovechada por la MADE. Se determina:

(Ecuación 22)

- Balance general

El balance general en la MADE, determina que la energía de condensación, viene de la suma de las

energías en el generador y la energía de refrigeración producida.

(Ecuación 23)


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- Pérdidas en la MADE (

Se determinan descontando a la potencia no útil, la potencia disipada por el condensador de la

MADE:

(Ecuación 24)

- Pérdidas por la envolvente (

Pérdidas radiante-convectivas causadas por la diferencia de temperatura entre la MADE y el

ambiente que la rodea. Se determinan:

(Ecuación 25)

- Pérdidas en los gases de escape (

Las perdidas en los gases de escape dependerán del tipo de combustible en este caso dependerá del

tipo de Gas natural suministrado, es decir la procedencia del mismo. Conociendo las temperaturas de

entrada de agua del campo solar y dado que la temperatura necesaria de salida viene determinada por

las características de la máquina, podemos estimar las pérdidas en el escape conociendo los

siguientes parámetros:

(Ecuación 20)

C

A

L

D

E

R

A

Figura 46. Balance en a caldera.


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(Ecuación 26)

(Ecuación 27)

Siendo:

Caudal másico de la corriente que atraviesa la MADE por la parte del circuito solar.

Temperatura de entrada a la MADE. Sensor TS1

Temperatura impuesta de entrada al generador de alta temperatura. (Salida de caldera)

Calor específico a presión constante, valor medio circuito solar:

Se puede realizar una estimación si no se posee los datos anteriores, mediante la medición del CO2

de salida y obteniendo una constante que determina las pérdidas en función de la temperatura de

escape y la temperatura exterior.

(Ecuación 28)

Siendo:

Temperatura de escape de la caldera, Sensor interno.

Temperatura exterior. Sensor de temperatura exterior.

Concentración de CO2 en el escape. Sonda de CO2 propia de Gas Natural.

Contador de gas natural.

3.1.5. Evaluación de consumos energéticos de elementos auxiliares.

3.1.5.1. Perdidas en Tuberías.

Las tuberías se encuentran aisladas, sin embargo ello no impide la existencia de un flujo térmico

intercambiado con el ambiente, dichas pérdidas se pueden dividir en función del tramo, puesto que la

temperatura a la cual circula el flujo por el conducto depende de cada zona. Se determinan:

Potencia térmica que la tubería del circuito solar intercambia con el ambiente.

Pérdidas de la tubería que conecta la salida del captador con la entrada a la MADE.

Pérdidas de la tubería que conecta la salida de la MADE con la entrada al captador.

El caudal que atraviesa la MADE por el circuito solar no siempre coincide con el caudal que circula

por el colector y por las tuberías ( )

(Ecuación 29)

(Ecuación 30)

(Ecuación 31)


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(Ecuación 32)

3.1.6. Indicadores de la eficiencia energética

A continuación se calculan algunos indicadores de eficiencia energética del proceso de refrigeración

solar.

- Rendimiento energético del captador solar Fresnel

(Ecuación 33)

- Rendimiento energético de la tubería del circuito solar

(Ecuación 34)

- COP de la máquina de absorción

(Ecuación 35)

- Rendimiento energético global

(Ecuación 36)

3.2. Modelo Teórico del balance energético.

En este apartado se va a evaluar las diferentes variaciones que se producen en la planta realizando un

balance energético de la planta mediante la computación de las ecuaciones anteriormente descritas en

el punto 3.1. Vamos a partir de los siguientes datos (ver Tabla 26):

Una vez determinados los parámetros de partida, para evaluar la planta a funcionamiento nominal, se

podrá determinar los parámetros deseados como son las diferentes potencias térmicas y los valores

de eficiencia de la planta. Los resultados obtenidos tras la simulación para el punto de

funcionamiento deseado resultan ser los mostrados en la Tabla 27. En ellos se observa como la

potencia absorbida por el líquido circulante por los tubos (Agua), es considerablemente inferior a la

potencia incidente sobre la superficie de espejos, ello se debe como vimos en el punto 3.1 a las

perdidas ópticas, a las perdidas térmicas y a las perdidas por desenfoque.

Dicho desenfoque puede venir provocado por una desalineación de los espejos respecto al tubo

absorbedor, o por propia conveniencia en la cual los espejos se hayan desorientado para evitar enviar

excesiva radiación al tubo absorbedor. Ello puede deberse a que la temperatura del líquido

circulante, es excesiva y existe riesgo de evaporización del agua. Dicha evaporización del agua es


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inaceptable puesto que los tubos están diseñados para agua líquida y el aumento de volumen

específico del gas podría producir la explosión de las instalaciones.

Caudales

Caudal Condensación 36.6 m3/h

Caudal Captación 8 m3/h

Caudal Evaporación 30 m3/h

Temperaturas

T salida del captador 180 ºC

T salida del evaporador 12 ºC

T entrada al condensador 30 ºC

Otros datos

Gasto de GN 0 Nm3/h

Factor de espejos 100%

Área captación 352 m2

Densidad agua de captación 900 Kg/m3

Densidad agua fría 980 Kg/m3

Densidad agua condensador 1000 Kg/m3

PCI GN 10.467 KWh/Nm3

Perdidas tubo solar 0.95

Índice de capación 60 %

Radiación 1000 W/m2

Tabla 26. Datos de partida para simulación 1

Sin embargo para este primer caso estudiado, hemos tomado las condiciones de diseño para realizar

este balance de la planta, por ello hemos supuesto que el 100% de los espejos esta direccionado

sobre la superficie de absorción siendo del 60% la potencia absorbida respecto a la incidente. Como

era de esperar para estas condiciones de operación el COP de la planta está en torno al 1.2 típico de

una máquina de absorción de doble efecto, mientras que los saltos térmicos en condensador y campo

solar son 5 y 14º respectivamente para los caudales de diseño.

En la Tabla 27, como se ha comentado con anterioridad se observa los distintos valores que toman

las potencias, se comprueba que estamos en una situación nominal del trabajo de la máquina de

absorción, se ha supuesto que dicha situación se produce en un día de características favorables, es

decir un día en el cual la radiación directa es de 1000 W/m2. Para la modelización del sistema se ha


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Julio Martí Romero

realizado una serie de supuestos, como son la consideración que el porcentaje de potencia absorbida

respecto a la incidente es del 40 %, y que las temperaturas de salida del condensador y captador son

constantes. Ahora vamos a proceder a determinar la evaluación de los parámetros más característicos

de operación al variar diferentes parámetros funcionales de la planta como son: La radiación directa,

el porcentaje de espejos enfocados y la cantidad de GN quemado.

Potencias

Potencia incidente 352 Kw

Potencia de radiación 352 Kw

Potencia absorbida 132 Kw

Potencia circuito solar 125.4 Kw

Potencia en el generador 125.4 Kw

Potencia frigorífica 158.3 Kw

Potencia del GN 0 Kw

Potencia del condensador 283.7 Kw

Parámetros

COP 1,263

Rendimiento de captación 0,374

Rendimiento del generador 0,4498

Rend. tubería circuito solar 0,95

Temperaturas

T entrada al captador 165 ºC



T salida del condensador 36.81 ºC

T entrada al evaporador 12 ºC

T salida del evaporador 7.462 ºC

Tabla 27. Resultados de la simulación 1

3.2.1. Variación de la radiación directa.

La variación de la radiación directa es igual en el fondo teórico a la variación de los espejos. Los

valores fijos tomados para esta simulación son los siguientes:


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Caudales Caudal Condensación 36.6 m3/h

Caudal Captación 8 m3/h

Temperaturas

T salida del condensador 37 ºC




Caldera GN quemado 0 Nm3/s

Tabla 28. Datos de partida (caso 1)

Para esta caracterización hemos evaluado la planta sin utilización en ningún momento de aporte de

gas natural variando la radiación incidente desde 1000 W/m2 hasta 100 W/m2, variación equivalente

a 100% hasta 10% de espejos enfocados. Tras la simulación del modelo se obtienen las siguientes

soluciones:

Gráfico 1. Evolución de las Potencias de la planta (caso 1)

En el Gráfico 1, se observa la evolución de las diferentes potencias (Kw) existentes en la planta en

función de la radiación incidente existente (W/m2). Como se puede observar, se produce un aumento

prácticamente lineal para las potencias al aumentar la radiación incidente, en el caso de la potencia

incidente (Q_inc) es asumible directamente, para la potencia absorbida por el campo solar (Q_sol),

se presupone asumiendo que las perdidas por desprendimiento, y las perdidas térmicas y ópticas,

aumentarán linealmente y proporcional al hacerlo la radiación y la potencia incidente y absorbida.

Por su parte la potencia de condensación y frigorífica también aumentarán prácticamente lineales

existiendo una pequeña curvatura para radiaciones menores al depender del COP de la máquina de

absorción como veremos a continuación.

0

100

200

300

400

0 200 400 600 800 1000

Q_inc

Q_sol

Q_cond

Q_F


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Gráfico 2. Evolución del COP de la planta (caso 1)

En el Gráfico 2, se ha representado la evolución del COP para la variación de radiación, sin embargo

se debe tener en cuenta que se trata de un modelo teórico y que se consideran constantes la

temperatura de salida del campo solar. Del Gráfico 2 se puede deducir que la planta debe operar para

valores de radiación superiores a 300 W/m2, en caso contrario no existe suficiente radiación para

operar en modo solar solamente y necesitará aportación de gas, estos casos combinados se estudiarán

más adelante en este mismo punto.

Gráfico 3. Evolución de la temperatura del captador (caso 1)

Gráfico 4. Evolución de la temperatura de condensación (caso 1)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 200 400 600 800 1000

COP_f

160

165

170

175

180

185

0 200 400 600 800 1000

T_captsal

T_captent

25

30

35

40

0 200 400 600 800 1000 1200

T_condsal

T_condent


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Julio Martí Romero

Los Gráfico 3 y Gráfico 4 muestran la evolución de las temperaturas (ºC) de entrada al captador y al

condensador respectivamente, como se puede observar, al mantener el caudal constante y aumentar

la radiación se produce un aumento del salto térmico existente en el captador y en el condensador al

poder absorberse una cantidad mayor de energía.

Otra forma de haber realizado el estudio teórico se basaría en mantener los saltos térmicos constantes

en el proceso y variar el caudal bombeado.

Temperaturas




T entrada al captador 163.4 ºC



Caldera GN quemado 0 Nm3/s

Tabla 29. Datos de partida (caso 1) para saltos constantes.

Si procedemos de esta forma se obtienen las variaciones de caudal mostradas en el Gráfico 5.

Gráfico 5. Evolución de los caudales (caso 1) a saltos constantes

Del Gráfico 5 se obtiene al igual que ocurría con el Gráfico 2 que el modelo teórico no es válido para

baja radiación puesto que como observamos, se produciría un caudal evaporativo negativo, lo cual se

podría extraditar en que se absorbería potencia en la MADE en lugar de aportarla. Se puede observar

como el caudal para 1000 W/m2 de radiación corresponde para el caudal de diseño, mientras que la

evolución de los caudales de condensación y evaporación son más pronunciadas que las del captador,

esto es debido a que el salto térmico es mayor en el captador. Se puede observar, como la tendencia

es prácticamente lineal.

-10

0

10

20

30

40

0 200 400 600 800 1000

m_capt

m_cond

m_evap


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Julio Martí Romero

3.2.2. Variación de la cantidad de GN quemado.

La variación del GN quemado afecta directamente a la temperatura del agua introducida en el

generador de alta temperatura de la máquina de absorción, el quemador como vimos en la parte de

máquina de absorción en la descripción de la planta (punto 2.4.), se utiliza como caldera auxiliar para

realizar el aporte necesario en caso de que el sistema de captación no sea capaz de llevar a la

temperatura de diseño (180 ºC) a el agua que circula por dichos captadores. Los valores fijos

tomados para esta simulación son los siguientes:

Temperaturas


T Entrada al generador 180 ºC



T entrada al captador 163.4 ºC

Radiación directa Radiación 500 W/m2

Tabla 30. Datos de partida (caso 2)

Para esta caracterización hemos evaluado la planta suponiendo una radiación directa incidente de

500 W/m2, variación la cantidad de Gas natural quemado en la caldera auxiliar entre 0 y 2 Nm3/s.

Tras la simulación del modelo se obtienen las siguientes soluciones:

Gráfico 6. Evolución de las Potencias de la planta (caso 2)

En el Gráfico 6, se observa la evolución de las diferentes potencias (Kw) existentes en la planta en

función de la cantidad de Gas natural quemado en la caldera auxiliar (Nm3/s). Como se puede

observar, se produce un aumento prácticamente lineal para las potencias frigorífica y de

condensación, sin embargo como es previsible las potencias de absorción y de incidencia

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0,5 1 1,5 2

Q_inc

Q_abs

Q_cond

Q_F


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Julio Martí Romero

permanecen constantes al no influir el calor generado en la caldera auxiliar en la energía captada por

el sistema de captación.

Gráfico 7. Evolución del COP de la planta (caso 2)

En el Gráfico 7, se ha representado la evolución del COP para la variación de GN quemado. Como

se puede ver en el gráfico, a mayor cantidad de GN quemado disminuye el COP de la planta, esto es

razonado si consideramos que el rendimiento típico de una caldera de gas natural ronda un 90% por

ello era de prever esta disminución en el COP al introducirse energía procedente de la caldera

auxiliar. Sin embargo parece chocar en dicho razonamiento el hecho de que se produzca un aumento

en la primera potencia inicial quemada, ello se debe a que se ha realizado un modelo considerando

variable el caudal y fijando las temperaturas de entrada y salida del captador, por ello y considerando

que con una radiación de 500 W/m2 no estamos en condiciones de diseño, esta primera energía

quemada ha servido para aumentar el caudal que llega al generador más cercano al de diseño (8

m3/h), esto se puede observar en Gráfico 9.

Gráfico 8. Evolución de la temperatura del captador (caso 2)

En el Gráfico 8, se ha mostrado la evolución de las temperaturas del captador, como se puede

observar, la temperatura de entrada al captador se había fijado la de diseño, y la que ha variado es la

temperatura de entrada. Dicha variación viene determinada por la cantidad de Gas Natural quemado,

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

0 0,5 1 1,5 2

COP_f

160

165

170

175

180

185

0 0,5 1 1,5 2

T_captent

T_captsal


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Julio Martí Romero

para aumentar la temperatura del caudal entrante al generador desde la temperatura de salida de

captadores hasta la temperatura del generador (Fijada a la Tdiseño 180º).

Gráfico 9. Evolución de los caudales de la planta (caso 2)

Por último, en este Gráfico 9, se ha representado la evolución de los caudales, como era de esperar

los 3 caudales han aumentado conforme aumentaba el GN quemado. Siendo como podemos observar

los valores más similares a los caudales de diseño para la cantidad de 0.28 Nm3/s quemados de GN.

Tanto de este Gráfico 9 como de la evolución del COP expuesta en el Gráfico 7, podemos concluir

que deberíamos comprobar si este sistema de control de caudales es el más indicado para controlar la

planta. Por ello como vimos en el caso anterior, se puede utilizar otro método de control basado en

definir los caudales como los caudales de diseño y que varíen las temperaturas (Datos de partida

Tabla 31). Si procedemos de este modo obtenemos las siguientes modificaciones del modelo teórico.

Temperaturas


T Entrada al generador 180 ºC


Caudales

Caudal captadores 8 m3/h

Caudal condensación 36.6 m3/h

Caudal de evaporación 30 m3/h

Radiación directa Radiación 500 W/m2

Tabla 31. Datos de partida (caso 2) para caudales constantes.

En este caso 2, lo respectivo a los caudales no varía respecto al caso 1, sin embargo en el Gráfico 10,

podemos observar que esto no ocurre con la viariación del COP que pese a seguir un patron de

descenso similar al caso 1 este se produce de una manera mas atenuada, así como el aumento para

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,5 1 1,5 2

m_capt

m_cond

m_evap


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Julio Martí Romero

valores menores de quema de GN. Esto es principalmente ocasionado al variar el salto térmico

necesario por el campo solar en la MADE, así como los saltos en el condensador y el evaporador,

por ello del balance en la caldera se consigue un mejor aporte del calor y una menor pendiente de

caida del COP respecto al GN quemado.

Gráfico 10. Evolución del COP (caso 2)

En el Gráfico 11, se observa la evolución de la temperatura en el captador solar, obviamente al ser la

potencia absorbida constante y al no fijarse la temperatura de entrada al captador, siendo el caudal

constante, de ello se obtiene que se mantiene el salto térmico constante, siendo la variación entre la

entrada y la salida idéntica, dicha variación viene disminuida por la imposición de aumentar el GN

quemado por lo que no es necesario llevar hasta los 180ºC el caudal de entrada a la MADE

utilizando solamente el campo de captación. Hay que recordar que esto es un modelo teórico

simplificado puesto que damos por hecho que con esa radiación el campo solar ha sido capaz de

llevar a esa temperatura al agua para realizar el ciclo, este hecho es cuestionable en la realidad.

Gráfico 11. Evolución de la Temperatura del captador (caso 2)

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

0 0,5 1 1,5 2

COP_f

COP_f

120

130

140

150

160

170

180

190

0 0,5 1 1,5 2

T_captent

T_captsal


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Julio Martí Romero

Por último en el Gráfico 12, se puede observar la evolución de la temperatura de salida del

evaporador, como podemos observar, cuando no existe GN quemado, el salto térmico es de 2ºC sin

embargo se observa que en el modelo teórico desciende acercándose a 0ºC lo cual no es posible

puesto que congelaría el agua y produciría la rotura de la instalación, por ello podemos considerar el

modelo teórico válido para valores quemados de GN inferiores a 1.5 Nm3/s.

Gráfico 12. Evolución de la Temperatura del evaporador (caso 2)

3.2.3. Estudio teórico considerando la posibilidad de variación del GN y la radiación.

Para finalizar con el estudio teórico, se ha realizado una simulación de la evolución de los

parámetros para toda la casuística posible de casos de operación en función de la radiación y del gas

natural quemados. Se ha estudiado la evolución del COP (Gráfico 13) la evolución de la potencia en

el generador (Gráfico 14), la evolución de la potencia frigorífica (Gráfico 15) y por último la

evolución del salto térmico en captador (Gráfico 16). Estas tablas y gráficos obtenidos nos servirán

de utilidad para en el punto 3.3, realizar una comparación entre el estudio teórico y los datos

experimentales obtenidos en la planta experimental. Las tablas se encuentran en el anexo 5.1.3.

En el Gráfico 13, se muestra más claramente la disminución que sufre el COP para valores bajos de

radiación y valores bajos de GN quemado, muestra que el COP cae fuertemente cuando no existe

suficiente potencia enviada al generador. Siendo prácticamente plano en el resto de la simulación

para valores medios altos de radiación y/o GN quemados.

Era de esperar que para valores de GN = 0 Nm3/s el COP máximo se produjera para la mayor

radiación sin embargo ello no es así puesto que hemos fijado temperaturas y no caudales, por tanto

no se encuentra en el punto de diseño, siendo este valor máximo para una radiación en torno a 500

W/m2 y un GN quemado = 0 Nm3/s.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,5 1 1,5 2

T_evapent

T_evapsal


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Julio Martí Romero

Gráfico 13. Evolución COP (caso 3)

En el Gráfico 14 y el Gráfico 15 se observa la evolución de la potencia en el generador y la potencia

frigorífica respectivamente, como podemos observar sus evoluciones son muy similares puesto que

el único vector que los diferencia es el COP mostrado anteriormente (Gráfico 13), por tanto

simplemente se produce una pequeña curvatura para valores bajos en el caso de la potencia

frigorífica siendo plana para el resto de valores , por su parte la potencia en el generador es lineal en

ambos sentidos.

Gráfico 14. Evolución de Qg (caso 3)

0

0.5

1

1.5 200400

600800

1000

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

Radiación directa (W/m2)

Evolución del COP

GN quemado (Nm3/s)

0

0.5

11.5 200

400600

8001000

0

50

100

150

200

250

300

350


Evolución de la potencia en el generador (Kw)

GN quemado (Nm3/s)


75

Julio Martí Romero

Gráfico 15. Evolución de Qf (caso 3)

Finalmente en el Gráfico 16, se muestra la evolución del salto térmico en los captadores, como se

puede observar es más pronunciado para la variación de radiación directa como era previsible que

con la cantidad de GN quemado, esto hubiera sido constante en este último caso si hubiéramos fijado

el caudal de una forma constante, en la planta real esto es posible puesto que posee una válvula de

tres vías que permite recircular el caudal de salida de la MADE hacia los captadores de nuevo a la

entrada de la MADE sin pasar por dichos captadores. Dicho caudal recirculado se envía directamente

a la MADE para pasar por la caldera auxiliar.

Gráfico 16. Evolución salto térmico captadores (Tcaptsal-Tcaptent)

0

0.5

1

1.5 300 400 500 600 700 800 900 1000

0

50

100

150

200

250

300

350


Evolución de la Potencia Frigorifica (Kw)

GN quemado (Nm3/s)

00.5

11.5 200

400600

8001000

2

4

6

8

10

12

14

16

18


Evolución del salto termico en el captador (ºC)

GN quemado (Nm3/s)


76

Julio Martí Romero

3.3. Estudio experimental del funcionamiento de la planta.

En este capítulo se va a realizar un estudio experimental mediante los datos recogidos en la planta en

distintos periodos de tiempos. La planta no ha podido estar en pleno funcionamiento durante un largo

periodo de tiempo consecutivo, siempre debido a diversas averías que se han producido, las cuales

no son motivo de estudio de este proyecto. Se va a analizar el funcionamiento de dos periodos

diferentes de funcionamiento, uno en el cual la planta funcionaba como maquina de refrigeración y

otro en el cual servía de calefacción.

3.3.1. Modo Refrigeración

Para el modo de refrigeración vamos a tomar el periodo de 12 días del mes de Junio de 2009.

JUNIO 2009

Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo

1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11 12 13 14

15 16 17 18 19 20 21

22 23 24 25 26 27 28

29 30

Tabla 32. Días de Estudio de la Planta en modo refrigeración.

Como se observa en la Tabla 32, para la realización del estudio experimental se ha dispuesto de

datos de funcionamiento de hace 3 años, esto es debido a que la planta se ha actualizado con la

incorporación del acumulador de cambio de fase que describimos en el punto 2.4, y en la actualidad

todavía no se ha podido recopilar datos de dicho funcionamiento con el acumulador instalado. Para

definir el balance energético completo de la planta actual sería necesario incorporar dicho elemento,

aunque esto deberá ser el tema de otro proyecto posterior al presente.

Para realizar este estudio experimental se procederá a ir definiendo cada uno de los días, de forma

independiente, realizando un análisis tanto instantáneo, horario y del día completo, así como

periodos sin radiación para observar la evolución de la temperatura del agua existente en los

circuitos. Para realizar este estudio experimental nos basamos en los datos experimentales recogidos

por los sensores de la planta y por el tratamiento que se realiza sobre ellos mediante diferentes

macros de Excel desarrolladas por Juan Rafael López en su labor dentro del departamento de

termotecnia.

En primer lugar se va a comenzar con el estudio de los días 12 días de operación más próximos del

mes de Junio, para ello se comenzará mostrando la Tabla 33 en la cual se muestran el balance de

energía diario para la sucesión de días operativos en estudio del año 2009. La potencia de


77

Julio Martí Romero

refrigeración de alguno de los días es estimada, debido a un error en el caudalímetro del circuito de

frío de la planta.

Potencia(KWh)\Día 9 10 11 12 16 17 23 24 25 26 29 30

Q radiante: 2362 2233 2121 2428 2282 2305 2583 2622 2489 1887 2605 2040

Q absorbida: 640 577 505 585 556 523 770 782 634 409 679 353

Q cedida a MADE : 370 405 294 423 428 385 651 663 538 240 664 188

Pérdidas en tuberías: 269 172 211 162 128 138 120 119 96 168 15 165

Q de combustión: 30 55 21 48 165 120 266 251 615 955 1092 360

Q en el generador: 401 460 315 471 593 505 917 914 1153 1195 1755 548

Q refrigeración: 348 370 242 421 468 402 710 708 667 650 750 302

Q condensación: 405 450 214 519 634 474 1177 1178 1484 1252 1672 440

COP 0,87 0,80 0,77 0,89 0,79 0,80 0,77 0,77 0,58 0,41 0,43 0,55

Tabla 33. Resultado Balance energético mes de Junio.

En el Gráfico 17, se ha mostrado los valores de energía cedida a la MADE por el circuito solar y por

la caldera auxiliar, obteniéndose como suma de ambas la energía diaria existente en el generador.

Dichos valores se han obtenido para el día completo de funcionamiento.

Gráfico 17. Evolución energías diarias (Junio 2009)

En segundo lugar, en el Gráfico 18, se ha representado el COP diario obtenido en la planta, como se

puede observar, los valores diarios no se aproximan en ningún momento a los valores de diseño de la

planta, ello es debido a que los días son estudiados en un rango de operación amplio, es decir desde

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

9 14 19 24 29

Energía cedida a la MADE (kWh): Energía de combustión (kWh):

Energía en el generador (kWh):


78

Julio Martí Romero

bajas horas de la mañana en las cuales la radiación directa sobre la superficie es baja e igualmente a

altas horas, teniendo en cuenta la energía del calentamiento de las tuberías debido a las perdidas

nocturnas.

Gráfico 18. COP (Junio 2009)

Finalmente en el Gráfico 19, se muestra la energía utilizada para la MADE respecto a la energía

radiada sobre la superficie en las horas de funcionamiento de la planta. Hay que tener en cuenta que

en este aspecto, entran tanto datos referente a perdidas, como desenfoque de espejos para controlar la

planta. Para más detalle del proceso desde la energía radiante hasta la energía cedida a la MADE, se

puede observar la Figura 42.

Gráfico 19. Evolución energías diarias 2 (Junio 2009)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

9 14 19 24 29

Energía de refrigeración (kWh): Energía en el generador (kWh): COP

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

9 14 19 24 29

Energía radiante (kWh): Energía cedida a la MADE (kWh):


79

Julio Martí Romero

Se va a comenzar por orden cronológico a estudiar la planta y analizar los resultados anteriormente

mostrados de una forma diaria.

9 Junio 2009

En este primer caso, por ser el primer día estudiado, se va a estudiar detenidamente cada parte de la

planta cómo evoluciona. Aunque también se debe tener en cuenta que la planta llevaba sin funcionar

desde los 10 días anteriores, por tanto, las primeras horas solamente se utilizan para calentar el agua

de las tuberías del circuito solar desde una temperatura inicial inferior a un día típico, y si se realiza

una simulación completa del día. Se procede a mostrar la evolución del día detalladamente.

Gráfico 20. Temperatura en captador (9 Junio)

En este Gráfico 20, se observa la evolución de la temperatura de entrada y salida del captador, así

como la temperatura del generador de alta temperatura (HTG). En la gráfica, se puede observar cómo

se va aumentando en las primeras horas del día, es decir con los primeros rayos del sol, la

temperatura de circulación por los captadores. Siendo a las 12:33 el punto el cual alcanza por

primera vez una temperatura cercana a los 180ºC concretamente 172 ºC. El siguiente descenso que se

produce es debido a que se conecta la máquina, es decir, se comienza a producir frío y a ceder

potencia al generador de la MADE, de ahí que se reduzca la temperatura de entrada a los captadores

con la consecuente caída de temperatura de salida, que en pocos minutos se recupera y vuelve a

llegar al máximo, en este instante, es el único momento del día en el que se ayuda con la caldera

auxiliar. Una vez transcurrido este periodo de estabilización entramos en el periodo normal de

producción, que se establece entre las 14:00 y las 18:00. Este periodo es característico por el

continuo reajuste que el sistema de control de la planta debe realizar sobre el porcentaje de espejos

enfocados, para evitar que la temperatura que circula por las tuberías supere el máximo permitido

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

T sal Capt T ent Capt (ºC) T HTG


80

Julio Martí Romero

para garantizar el estado liquido del agua, que para la presión de 13 bar, es de 180ºC para estar

seguro de que no evapora. Dicho periodo puede observarse en el Gráfico 21.

Gráfico 21. % espejos orientados (9 Junio)

Finalmente para acabar de describir el balance energético en el captador, podemos observar la

evolución de las potencias incidentes, absorbidas y cedidas a la MADE. Como se puede observar, no

se realiza cesión de potencia a la MADE hasta superadas las 12:30, siendo prácticamente similar la

curva de esa hora en adelante a la curva de potencia absorbida. El contorno superior de la potencia

incidente es la potencia radiante incidente sobre los espejos, mientras que la curva de potencia

incidente en sí es dicha potencia radiante teniendo en cuenta el desenfoque de los espejos y las

perdidas ópticas. Esto se observa en el Gráfico 22.

Gráfico 22. Potencias en el sistema de captación (9 Junio)

Una vez descrito la zona del captador, nos introducimos en la MADE, se va a determinar la potencia

frigorífica de la planta. Para ello, en primer lugar hay que determinar la potencia que el circuito solar

transfiere a la MADE, hay que recordar, como vimos en la Figura 33, que para la conexión del

0

50

100

150

200

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

% espejos T sal cap (ºC)

0

100

200

300

400

500

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

P ced a MADE (kW) P abs (kW) P inc (kW)


81

Julio Martí Romero

sistema de captación a la MADE, existía una válvula de 3 vías, que permitía recircular la totalidad o

parte del caudal del circuito solar para no pasar por la MADE, ello nos lleva a que las temperaturas

del Gráfico 23 no sean las mismas a las del Gráfico 20.Como se puede observar en el Gráfico 23, son

algo inferiores a las del circuito del captador. Al igual que en este caso con el circuito solar, esta

circunstancia también se dará en el resto de circuitos, por ello el articulo se referirá a temperaturas

del circuito y a temperaturas de entrada o salida del circuito correspondiente a la MADE.

Gráfico 23. Temperatura Circuito solar a la MADE.

Ahora a pesar de que nos encontramos en un primer día de evaluaciones de la planta se muestra una

primera complicación para el día de estudio, un error en el caudalímetro del circuito de frío nos deja

sin su lectura y por tanto sin poder determinar la potencia frigorífica, uno de los parámetros más

relevantes de la planta.

Ello nos lleva a realizar una estimación de dicho caudal que se puede observar en el Gráfico 24, y de

esta forma podemos determinar una estimación de la potencia frigorífica, que se encuentra reflejada

en el Gráfico 25 junto a la potencia cedida a la MADE. Durante el análisis experimental nos

encontraremos varios casos similares al actual, puesto que existe gran cantidad de sensores en la

planta y algunos producen errores o medidas inapropiadas, para lo primero, partiremos de valores

usuales para resolverlos y aproximarlos, y para los segundos, el programa de macros de Excel

elaborado, permite filtrar dichos errores.

No solo el caudal del circuito de frío es el determinante de la potencia frigorífica, también debemos

realizar el seguimiento de la temperatura de entrada y salida a la MADE por dicho circuito de frío,

dicho seguimiento se puede observar en el Gráfico 26.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

T sal MADE solar (ºC) T ent MADE solar (ºC)


82

Julio Martí Romero

Gráfico 24. Caudal frío estimado MADE (9 Junio)

Gráfico 25. Potencia Frigorífica estimada (9 Junio)

Gráfico 26. Temperaturas circuito frío a MADE (9 Junio)

0

20

40

60

80

100

120

0

10

20

30

40

50

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

Caudal colector frio (m3/h) Q MADE EST (m3/h)

Q MADE (m3/h) Posición 3 vías cto. frio (%)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

P ref EST(kW) P ced a MADE (kW)

5

6

7

8

9

10

11

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

T cesión frio (ºC) T ent MADE frio (ºC) T sal MADE frio (ºC)


83

Julio Martí Romero

En el Gráfico 27, se representa la potencia en el generador, además se ha incluido la potencia de

combustión, como se definió en la parte teórica, la potencia en el generador vendrá definida de la

suma de la potencia aportada por el circuito de captación más la obtenida mediante la caldera

auxiliar existente en la máquina de absorción.

Gráfico 27. Potencias en la MADE

Para finalizar la representación de gráficas de evolución instantánea en la planta del 9 de junio, se

representa la evolución en el circuito de condensación, en primer lugar (Gráfico 28) se ha mostrado

el caudal que recorre la MADE perteneciente al circuito de condensación y la posición en la cual se

sitúa la válvula de 3 vías existente en dicho circuito, y en segundo lugar (Gráfico 29) se muestra la

evolución de las temperaturas del circuito de condensación. Como se estudio en el balance teórico, la

potencia de condensación debe incorporar el calor del generador y el de refrigeración. Dicho calor se

evacuará por los colectores hacia el colector de agua bruta del anillo de la cartuja.

Gráfico 28. Caudal circuito de condensación (9 Junio)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

P gen (kW) P comb (kW)

0

20

40

60

80

100

120

0

10

20

30

40

50

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

Caudal MADE cto. condensación (m3/h) Posición 3 vías cto. condensación (%)


84

Julio Martí Romero

Gráfico 29. Temperaturas circuito de condensación (9 Junio)

Una vez observadas todas las evoluciones diarias del 9 de Junio vamos a determinar los valores

experimentales obtenidos de los parámetros, en la Tabla 34 podemos observar el balance de energías

para el 9 de junio completo, es decir el estudio engloba las horas 8:00 a 20:00.

Energía radiante (kWh): 2362,16

Energía absorbida (kWh): 639,88

Energía cedida a la MADE (kWh): 370,45

Pérdidas en la tubería (kWh): 269,44

Energía de combustión (kWh): 30,38

Energía en el generador (kWh): 400,83

Energía de refrigeración (kWh): 347.8

Energía de condensación (kWh): 745,04

COP 0.86

Tabla 34. Resultados del balance energético (9 Junio) Día completo

Para analizar los resultados de la Tabla 34, debemos empezar observando que la energía absorbida es

considerablemente inferior a la radiante que se radia sobre la superficie de los espejos, ello es debido

a las perdidas existentes que ya han sido definidas en el punto 3.1, además del hecho de que el

porcentaje de espejos orientados no ha sido constantemente del 100%. Por otro lado, la energía

cedida a la MADE, también es muy inferior a la absorbida, ello es debido a que dentro de este

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

T ent MADE cond (ºC) T sal MADE cond (ºC)


85

Julio Martí Romero

periodo, se ha estado precalentando las tuberías del circuito solar, por ello durante las primeras horas

del día, gran parte de esa energía se ha perdido en el calentamiento de las tuberías y en forma de

pérdidas de conducción a través de dichas tuberías. Esto podemos ver que ha sido un factor

importante en el día de estudio, observando el valor de pérdidas en la tubería (269 kWh). Ya

conocemos que la energía en el generador, viene determinada de la suma de las energías

proporcionadas por la combustión y por el quemador de Gas Natural. Por tanto ya solamente nos

quedan los tres términos de energía que caracterizan la planta, la energía en el generador, la energía

de refrigeración ya la energía de condensación. De estos valores obtenemos que el COP de la planta

durante el día 9 de Junio es de un 0.86, un buen valor, como se confirmará a lo largo del estudio

experimental, que sin embargo parece lejano al valor de funcionamiento de diseño de la máquina de

absorción, aunque hay que comprender que dichas circunstancias se dan teóricamente pero en la

práctica se materializan durante un periodo de tiempo corto para todas las horas de un día.

Una vez observado el funcionamiento para el día completo, vamos a realizar un breve paréntesis para

obtener los resultados existentes entre un periodo de tiempo menor, en el cual la planta ha estado

produciendo de una forma más continuada y cercana a la producción teórica. Para ello hemos

tomado el periodo de tiempo comprendido entre 13:30 y las 15:00. Ello reporta los siguientes

resultados:

Energía radiante (kWh): 377,4

Energía absorbida (kWh): 103,3

Energía cedida a la MADE (kWh): 70,4

Pérdidas en la tubería (kWh): 32,9

Energía de combustión (kWh): 0,0

Energía en el generador (kWh): 70,4

Energía de refrigeración (kWh): 69,5

Energía de condensación (kWh): 136,1

COP 0.99

Tabla 35. Resultados del balance energético (9 Junio) 13:30-15:00

En este periodo, no ha existido en ningún momento combustión de GN y cómo podemos observar el

COP de la planta se ve aumentado en varios puntos, alcanzando un valor prácticamente unidad, aún

así se debe recordar que hay distancia con el COP de diseño (1.38).

Para completar el estudio energético experimental del día 9 de Junio de 2009 solamente vamos a

añadir una referencia instantánea de producción, para ello tomaremos dos lecturas instantáneas y se


86

Julio Martí Romero

podría comparar con el modelo teórico más aproximado al momento de funcionamiento existente.

Para la comparación hemos elegido:

HORA 13:47:00 14:01:00

Potencia incidente (kW): 356,58 147,84

Potencia absorbida (kW): 91,00 213,95

Potencia cedida a la MADE (kW): 330,38 0,00

Potencia perdida en la tubería (kW): -239,37 213,95

Potencia de combustión (kW): 0,00 0,00

Potencia en el generador (kW): 330,38 0,00

Potencia de refrigeración (kW): 35,92 0,00

Potencia de condensación (kW): 76,75 42,37

COP est 0,11 ∞

Tabla 36. Resultados del balance energético (9 Junio) Instantáneo

Si se realiza el estudio en 2 instantes concretos de la instalación, se pueden observar unos resultados

un tanto confusos (Tabla 36), como por ejemplo unas pérdidas en las tuberías negativas, esto ocurre

por problemas meramente matemáticos, puesto que se produce un desfase temporal debido a las

inercias térmicas de los elementos. Por ello esta evaluación instantánea no será salvo excepciones un

buen método de evaluación energética de la planta.

En este caso se ve perjudicado en exceso con el hecho de no poseer la medición real del caudal de

colector de frío, lo que hace más difícil establecer parámetros más exactos. Durante la evaluación

normal de la planta, se produce cada cierto tiempo un reajuste del funcionamiento de la MADE, por

el cual se corta la válvula de 3 vías de entrada del circuito solar para provocar la recirculación de

dicho caudal y de esta forma lograr aumentar la temperatura de entrada a la MADE por parte del

circuitos solar, esta ejecución provoca un descenso de la temperatura medida por los sensores del

circuito solar de la MADE, mientras que aumenta la temperatura por el circuito solar, ello se puede

observar de forma clara en la Gráfico 30.

Como se observa en la figura, en el momento de apertura de válvulas, la Temperatura de entrada a la

MADE se iguala a la Temperatura de salida de captadores, mientras que la temperatura de entrada a

captadores se asemeja a la temperatura de salida de la MADE, en el gráfico también queda patente la

inercia del sistema, puesto que se observan picos de temperatura cada cierto tiempo, concretamente

el periodo en el circuito solar es de 4 minutos y medio.


87

Julio Martí Romero

Gráfico 30. Temperaturas circuito solar (9 Junio)

Como conclusión del estudio de este día se podría decir, que no ha sido un mal día de

funcionamiento de la planta, puesto que pese a no haber tenido muchas horas a pleno

funcionamiento, y ha haber tenido que precalentar las tuberías del circuito solar, se ha producido la

cantidad de 348 KWh para el día completo, y en las horas centrales entre 13:30 y las 15:00, un total

de 69,5 KWh. Aún así está lejos de esos 174 Kw de potencia nominal.

10 Junio 2009

De ahora en adelante, los parámetros de cada día completo están mostrados en la Tabla 33, y se irá

comentando los parámetros característicos de cada uno de los días, así como sus gráficas que

representen esos momentos.

En la Tabla 37, se ha mostrado los valores de producción para el día contemplado tanto para el día

completo como para las horas centrales, de esta forma hemos comprobado como en este preciso

instante la planta estaba produciendo mucha menos energía en este periodo que su correspondiente

en el día completo, además de que en una parte central de día como son estas horas, y sin existir

combustión auxiliar, el COP, haya caído en relación al día completo, ello es debido a que como se

observa en el Gráfico 31, la potencia cedida a la MADE, depende del caudal del circuito solar por la

MADE, y este está regulado por la válvula de 3 vías que regula la recirculación por el campo de

captación solar, y en este caso, esta válvula solamente abre el paso en periodos de 5 min cada 30 min

aproximadamente. Por ello de aquí en adelante solamente consideraremos días completos, salvo

casos excepcionales de días más ó menos estabilizados.

100

110

120

130

140

150

160

170

180

13:26:24 13:40:48 13:55:12 14:09:36 14:24:00 14:38:24 14:52:48 15:07:12

T sal MADE solar (ºC) T ent MADE solar (ºC)

Temperatura salida captador cto. solar (ºC) Temperatura entrada captador cto. solar (ºC)


88

Julio Martí Romero

Día Completo Horas centrales (13:30 – 15:00)

Energía radiante (kWh): 2362,2 Energía radiante (kWh): 294,0

Energía absorbida (kWh): 639,9 Energía absorbida (kWh): 87,8

Energía cedida a la MADE (kWh): 370,4 Energía cedida a la MADE (kWh): 65,3

Pérdidas en la tubería (kWh): 269,4 Pérdidas en la tubería (kWh): 22,5

Energía de combustión (kWh): 30,4 Energía de combustión (kWh): 0,0

Energía en el generador (kWh): 400,8 Energía en el generador (kWh): 65,3

Energía de refrigeración (kWh): 347,8 Energía de refrigeración (kWh): 49,9

Energía de condensación (kWh): 745,1 Energía de condensación (kWh): 111,6

COP 0,9 COP 0,76

Tabla 37. Resultados del balance energético (10 Junio)

Gráfico 31. Potencia cedida a la MADE (10 Junio)

La ejecución del 10 de Junio es muy similar a la del 9 de Junio estudiado con anterioridad en el resto

de aspectos, por ello no mostramos ninguna gráfica de evaluación debido a sus similitudes.

11 y 12 de Junio 2009

Para los días 11 y 12 de junio no se modifica el patrón de funcionamiento de la planta resultando

muy similares a los días anteriormente representados.

0

100

200

300

400

500

600

12:00:00 12:40:19 13:20:38 14:00:58 14:41:17 15:21:36 16:01:55 16:42:14

P ced a MADE (kW) Potencia radiante


89

Julio Martí Romero

16 y 17 de Junio 2009

El día 16 se produce un funcionamiento diferente al estudiado anteriormente, durante las horas de la

mañana no se alcanza la temperatura óptima de 180 ºC en el circuito solar en la hora de arranque de

la máquina de absorción (12:00), lo que nos lleva a necesitar la combustión en la caldera auxiliar.

Para ello, se van a mostrar las gráficas que lo confirman.

El Gráfico 32, muestra que la temperatura al iniciarse la máquina de absorción no estaba en 180 ºC,

es más, estaba muy lejos de ese valor, se encontraba a 130 ºC, por ello, para mantener la potencia y

la temperatura en el generador, se produjo la combustión de gas natural en la caldera auxiliar, esto se

puede observar en el Gráfico 34. El motivo principal de que esto ocurriera es la falta de radiación

directa en las correspondientes horas de la mañana, es decir, entre las 9 y las 10 de la mañana se

produce un descenso en la radiación solar que provoca esta necesidad de quemar gas natural.

Gráfico 32. Temperatura salida del captador y % de espejos (16 Junio)

Gráfico 33. Potencias (16 Junio)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

8:24:00 9:50:24 11:16:48 12:43:12 14:09:36 15:36:00 17:02:24 18:28:48 19:55:12

% espejos T sal cap (ºC)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

8:24:00 9:50:24 11:16:48 12:43:12 14:09:36 15:36:00 17:02:24 18:28:48 19:55:12



90

Julio Martí Romero

Gráfico 34. Potencia combustión (16 Junio)

El día 17 de Junio, es muy similar al 16, solamente que el periodo de combustión es menor, puesto

que la radiación directa registrada es algo superior en las horas matinales, sin llegar a ser la

suficiente.

Del 23 al 30 de Junio 2009

En estos días que se va a estudiar ahora, se va a producir un mayor aporte de energía frigorífica, para

ello se va a proceder a utilizar la combustión de GN en la caldera auxiliar, no solo durante los

instantes necesarios como en días anteriores, sino como un aporte extra durante todo el día. Ello nos

va a conllevar descender un poco los COP diarios. Concretamente se va a pasar de unos valores de

400 KWh diarios de producción de frio a unos 700 KWh, es decir, se va a trabajar produciendo

aproximadamente el doble de frío a costa de la utilización de GN, y de su correspondiente descenso

de COP, que va a pasar de unos valores aproximados de 0.8-0.9 a 0.6-0.7 en estos días. Por ello, la

producción de energía correspondiente al generador va a estar determinada como muestra el

siguiente Gráfico 35.

Exceptuando esta gráfica (Gráfico 35), el resto del estudio es muy similar al aquí obtenido, por ello

no se muestra en el documento, para no repetir excesivamente los mismos modelos de gráficos.

Finalmente para concluir con el estudio energético del mes de Junio de 2009, se va a proceder a

obtener una media ponderada de los días de similitud de funcionamiento. Para ello podemos

determinar como media de los 6 primeros días de estudio es decir en el periodo de días de estudio

entre el 9 – 17 de junio y consecuentemente de los 6 días restantes entre el 23 -30 junio (Tabla 28)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

8:24:00 9:50:24 11:16:48 12:43:12 14:09:36 15:36:00 17:02:24 18:28:48 19:55:12



91

Julio Martí Romero

Gráfico 35. Potencia combustión (23 Junio)

Media diaria (9 – 17 Junio) Media diaria (23 – 30 Junio)





Energía de combustión (kWh): 73,4 Energía de combustión (kWh): 589,8




COP 0,81 COP 0,62

Tabla 38. Medias diarias para días completos

Vistos los resultados obtenidos para estos dos periodos en estudio, no tendría sentido sacar una

media conjunta, puesto que la forma de operación es muy distinta entre ellos, en el primer periodo,

se puede observar que la energía aportada por la caldera auxiliar es baja (Qcomb=73,4 kWh) por

tanto la mayoría de la energía aportada al generador (Qg=457,6 kWh) es proveniente del sistema de

captación (Qc.ma=384,2 kWh), ello proporciona finalmente una media diaria de (Qf=375,2 kWh),

siendo el COP medio de 0,81, un valor medio alto, teniendo en cuenta que se obtiene del

funcionamiento del día completo. Por otro lado, en el segundo periodo, se observa un aumento

considerable de la energía aportada por la quema de Gas Natural (Qcomb=490,7 kWh), ello provoca

un reparto casi equivalente entre la energía del sistema de captación (Qc.ma=384,2 kWh) y la de

0

200

400

600

800

1000

1200

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

P gen (kW) P comb (kW) Potencia cedida a la MADE (kW)


92

Julio Martí Romero

combustión en el generador (Qg=1080,5 kWh), ello nos proporciona finalmente una media diaria de

(Qf=631,3 kWh), siendo el COP medio de 0,62.

Por tanto, se podría definir, que la planta deberá operarse la mayor parte del tiempo, con la energía

procedente de los captadores y como su propio nombre indica, utilizar la caldera auxiliar, solamente

cuando sea necesario. Es cierto que si la demanda de frío es superior a la potencia que puede ceder el

campo de captadores (aproximadamente 120 Kw, este valor dependerá de las condiciones

meteorológicas) en estos periodos deberá utilizarse el sistema auxiliar. Ello podrá ser solucionado

con un sistema de almacenamiento, estas conclusiones se desarrollarán más profundamente en el

capítulo4.

3.3.2. Modo Calefacción.

NOVIEMBRE 2009


2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15

16 17 18 19 20 21 22

23 24 25 26 27 28 29

30 DICIEMBRE 2009


1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13

14 15 16 17 18 19 20

Tabla 39. Días de Estudio de la Planta en modo calefacción.

Como se puede observar en la Tabla 39, para la realización del estudio experimental en modo

calefacción se ha tomado datos de noviembre – diciembre de 2009, los días no son excesivamente

consecutivos, pero es el periodo de funcionamiento más uniforme del que existen datos. Para

comenzar se va a mostrar una tabla resumen de los principales valores en energía de los días de

operación.

Al igual que se realizó en el análisis energético en modo refrigeración, se va a comenzar por el

primer día, en este caso el 11 de Noviembre de 2009, realizando un análisis más exhaustivo de cada

una de las partes de la planta, para posteriormente mostrar las diferencias sustanciales con el resto de

días y finalmente determinar una media típica para días de calefacción.


93

Julio Martí Romero

Potencia(KWh)\Día 11 12 13 16 23 24 27 30 10 11 14 15

E radiante: 1196 1186 1140 922 1076 1067 795 1017 978 953 981 958

E absorbida: 465 377 318 195 379 394 178 342 250 257 265 290

E cedida a MADE : 381 314 272 163 299 313 122 231 131 217 212 236

Pérdidas en tuberías: 84 62,6 46 32 80 80 57 111 118 40 53 54

E de combustión: 0 129 168 300 192 127 313 137 40 199 285 379

E en el generador: 381 444 440 463 491 440 435 368 171 416 498 615

E calefacción: 336 303 283 264 327 314 265 261 87 261 327 437

COP 0,88 0,68 0,64 0,57 0,67 0,71 0,61 0,71 0,51 0,63 0,66 0,71

Tabla 40. Resultado Balance energético mes de Nov – Dic

11 Noviembre

En primer lugar, se va a describir la evolución el sistema de captación de la planta, para ello se apoya

el estudio en la evolución de las temperaturas, caudales y potencias, como se puede observar en

Gráfico 36, en este modo de funcionamiento, al darse en días de menor radiación, se tarda más

tiempo en alcanzar la temperatura de 180 ºC, limite de funcionamiento de la planta. Además, el

periodo en el cual se mantiene dicha temperatura es instantáneo, una vez abierta la válvula de 3 vías

del circuito solar, la temperatura comienza a descender.

Gráfico 36. Temperaturas del captador (11 Noviembre)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00

T sal Capt T ent Capt (ºC) T HTG


94

Julio Martí Romero

La evolución de los caudales que circulan por el circuito solar y su correspondiente caudal circulante

interno de la MADE, reflejan la apertura de dicha válvula de 3 vías, como se puede observar en las

primeras horas matinales, la válvula permanece cerrada y esta es abierta en torno a las 11 de la

mañana, aunque dicha apertura es instantánea, puesto que se produce combustión en la caldera

auxiliar, a los pocos minutos, se procede a su cierre nuevamente y ya es a la 13:00 cuando se abre

para producir calefacción. Dicha apertura coincide con el alcance de la temperatura a los 180 ºC

mostrado en el Gráfico 36. Además, si se observa el Gráfico 38, también se puede ver que en ese

preciso instante se procede a desenfocar parte de los espejos para evitar una sobre punta de la

temperatura en el sistema de captación.

Finalmente en el Gráfico 38, se observa la evolución de las potencias, observando primeramente un

pico con oscilación a tempranas horas de la mañana, hay que destacar que esto es debido a un error

de medida, puesto que la potencia absorbida solo procede en dos periodos y son los otros dos

sectores en los que se muestra la apertura de la válvula de 3 vías del circuito solar.

Gráfico 37. Caudales del captador (11 Noviembre)

Gráfico 38. Potencia circuito solar (11 Noviembre)

0

2

4

6

8

10

12

14

7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00

Caudal MADE cto. solar (m3/h) Caudal captador cto. solar (m3/h)

0

50

100

150

200

250

7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00



95

Julio Martí Romero

Al no existir circuito de condensación, el esquema de la planta, se equipararía a un simple

intercambiador de calor, el cual por un lado se encuentra el captador, en el centro la máquina de

absorción realizando las funciones de intercambiador de energía, y finalmente el colector del circuito

de calor al cual se cede la energía.

Para finalizar el estudio de calefacción, se va a analizar las gráficas correspondientes al balance

energético en la MADE. En primer lugar se representan las temperaturas del circuito de calor

(Gráfico 39), en el gráfico, se muestran tanto las temperaturas del colector de calor a su paso por la

MADE, como las temperaturas con las que realiza el intercambio, y que finalmente es la potencia

útil de nuestro sistema, estas temperaturas corresponden al colector secundario. Si no se recuerda,

puede revisarse en el esquema de la Figura 33 el correspondiente colector de calor. En el Gráfico 39,

se observa evidente, que el intercambio de calor no se produce hasta que se arranca la máquina de

absorción entorno a las 13:00, por tanto esa primera utilización de gas natural que se produjo,

solamente sirvió para acelerar el proceso de alcance de la temperatura óptima. Por su parte en el

Gráfico 40, se observa la evolución de dichos caudales para el intercambio de energía.

Gráfico 39. Temperaturas MADE circuito calor (11 Noviembre)

Gráfico 40. Caudales en la MADE (11 Noviembre)

0

10

20

30

40

50

60

70

7:12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00

T sal int2º (ºC) T ent MADE calor (ºC)

T sal MADE calor (ºC) T ent int2º (ºC)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

7:12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00

Q 1rio calor (m3/h) Q MADE calor (m3/h)


96

Julio Martí Romero

Gráfico 41. Potencia de calefacción (11 Noviembre)

Para concluir el análisis energético, se ha mostrado la evolución de la potencia (Gráfico 41). Se

puede observar que el funcionamiento de la planta de tecnología fresnel en modo calefacción, resulta

ser mucho más sencillo que en modo refrigeración. Además la variación de los parámetros

estudiados es menor, manteniéndose un funcionamiento más similar durante el periodo estudiado.

Analizando el resto de días en estudio, los resultados son muy similares, variando solamente la

cantidad de energía procedente de la combustión de gas natural, en horas finales del día como queda

reflejado en el Gráfico 42 referente al día 16 de noviembre.

Gráfico 42. Potencia de combustión (16 Noviembre)

Por lo demás los días son muy similares al día 11 de Junio estudiado, por ello se podría considerar un

día tipo, de todas formas, se va a mostrar los valores promedio de los días estudiados en modo

calefacción (Tabla 41).

0

50

100

150

200

250

300

350

400

7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00

P calef (kW) P ced a MADE (kW)

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00



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Julio Martí Romero

Potencia(KWh)\Día Media de Calefacción

E radiante: 1022,49

E absorbida: 309,30

E cedida a MADE : 241,12

Pérdidas en tuberías: 68,18

E de combustión: 189,19

E en el generador: 430,31

E calefacción: 288,90

COP 0,67

Tabla 41. Media balance energético (Modo calefacción)

3.3.3. Modo Nocturno

La evolución de la planta en modo nocturno, es sencillamente las pérdidas de energía existentes en

las tuberías, por lo que la temperatura del agua contenida en dichas temperaturas se ve descendida

con el paso de la noche. Este hecho se da tanto en funcionamiento en verano, como en el

funcionamiento en invierno, siendo muy similares en su evolución, puesto que en modo refrigeración

la temperatura de la que parte es superior, sin embargo la temperatura exterior también lo es. Y por

otro lado en el modo calefacción, la temperatura al cesar el funcionamiento es inferior, pero la

temperatura exterior es más baja, por ello podemos ver en los correspondientes Gráfico 43 y Gráfico

44.

Gráfico 43. Evolución temperaturas captadores modo calefacción

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

21:36:00 22:48:00 0:00:00 1:12:00 2:24:00 3:36:00 4:48:00

T sal Capt T ent Capt (ºC)


98

Julio Martí Romero

Gráfico 44. Evolución temperaturas captadores modo refrigeración

Se podría estimar las perdidas existentes en la tubería en un descenso de la temperatura en un rango

de 3ºC/hora en verano y unos 5ºC hora en invierno, por ello nos lleva casi a tener que arrancar la

planta de inicio al día siguiente. Siendo su diámetro de 6,6 cm y una longitud del circuito solar

aproximada de 350 metros, obtenemos un volumen total de 4 . Que tomando la densidad del

circuito solar se obtiene una cantidad de masa de 3600 Kg de agua en las tuberías del circuito solar.

Si perdemos 3ºC quiere decir que se pierde unos 50 Kw, siendo este valor valido para verano y

aproximándose a 75 Kw para el modo de funcionamiento en invierno.

3.4. Comparación estudio teórico y experimental.

La comparación, se va a realizar solamente para el modo de funcionamiento en refrigeración, para

ello vamos a tomar una franja de funcionamiento de 2 horas, correspondiente al 11 de junio de 2009,

para realizar dicha comparación, utilizaremos el estudio teórico implementado en EES realizado para

el punto 3.2. La franja de tiempo utilizada será de 13:00 a 15:00, se han tomado los valores medios

en esas dos horas de caudales y temperaturas, así como de radiación, para introducirlas como datos

de partida del estudio teórico. Destacar que se ha tomado un tramo en el cual no existe energía de

combustión. Realizando los cálculos por ambas formas obtenemos los siguientes resultados:

En la Tabla 42, se puede observar la diferencia entre los valores obtenidos del estudio experimental

de 2 horas consecutivas de la planta y el estudio teórico de la planta para las condiciones existentes

en la planta en el instante correspondiente. Se observa unos valores similares, siendo las expectativas

de producción de frío algo superiores por parte del estudio teórico, este parámetro se ve

principalmente modificado a causa de las perdidas en tubería, que como se observa son algo

superiores experimentalmente en comparación a las pérdidas estimadas en el modelo teórico, hay

30

40

50

60

70

80

90

100

21:36:00 22:48:00 0:00:00 1:12:00 2:24:00 3:36:00 4:48:00

T sal Capt T ent Capt (ºC)


99

Julio Martí Romero

que tener en cuenta que las perdidas rondan el 40% en la práctica para el intervalo horario estudiado,

mientras que en el estudio teórico se habían supuesto un 10% como eran previamente estimadas.

Hay que tener en cuenta que el COP del experimental es inferior, esto es debido a que el salto

térmico provocado es inferior al de diseño en el término medio, mientras que en el caso del estudio

teórico al no existir las oscilaciones y recirculaciones permiten obtener un salto y un caudal más

próximos al de diseño durante periodos de tiempo prolongados. De aquí la comparación, podemos

deducir la correcta definición del modelo teórico.

Estudio experimental Estudio teórico





Energía de combustión (kWh): 0 Energía de combustión (kWh): 0




COP 1,05 COP 1,11

Tabla 42. Comparación teórica – experimental

3. Capítulo 3: Análisis energético de la...

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