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BOMBAS DE CALOR. El OBJETIVO PRINCIPAL ES PROPORCIONAR CALOR A UN FOCO CALIENTE. Un poco de historia. Kelvin en 1852 introduce el concepto. EN 1927 Electrolux introduce en el mercado la primer Bomba de Calor ( Escocia) - PowerPoint PPT Presentation
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BOMBAS DE CALOR
El OBJETIVO PRINCIPAL ES PROPORCIONAR CALOR A
UN FOCO CALIENTE.
Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004
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Un poco de historia Kelvin en 1852 introduce el concepto. EN 1927 Electrolux introduce en el mercado
la primer Bomba de Calor ( Escocia) EN 1950 –1955 cae la “imagen” de la
bomba de calor por el uso inadecuado. En 1976 se reinicia, con YORK que produce
la primer Bomba de calor , controlada por PC
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Bomba de calor funcionando en modo enfriamiento
14
23
1
43
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Flujo y estado del refrigerante en modo enfriamiento
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Bomba de calor funcionando en modo calentamiento
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23
4
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Flujo y estado del refrigerante en modo calentamiento
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Tipos de Bombas de Calor
APLICADAS: Cuando requieren de un diseño en el lugar, de acuerdo a la aplicación específica. Por ejemplo las aplicadas a procesos industriales.
UNITARIAS: Cuando vienen prefabricadas, diseñadas por el fabricante.
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EQUIPOS UNITARIOS Se pueden clasificar en: Residenciales (hasta
65000 Btu/h (5.4 TR), generalmente monofásicas), Comercial Liviano (hasta 135000 Btu/h (11.3 TR), generalmente trifásicas), Comercial Pesado (mas de 135000 Btu/h).
Split: Se dice del equipo cuando viene dividido en varias unidades (por ejemplo interior y exterior).
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BOMBA DE CALOR UNITARIA Cubren un rango aproximado de 1.5 a 30 TR. La cantidad de energía en forma de calor que se
puede obtener varía de 2 a 4 veces la consumida. En el caso de aire acondicionado, para un mejor
confort, antes que sobredimensionar la bomba, es mejor alguna fuente complementaria de calor o bombas de capacidad variable (incluyendo compresores movidos por motores de combustión interna, etc).
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BOMBA DE CALOR APLICADAS BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES
• Se trata de recuperar parte del calor generado en un proceso (y que normalmente sería desperdiciado), para verterlo en alguna parte del proceso o acondicionar algún ambiente.
• Es mucho mas difundido el uso de bombas de calor para acondicionamiento térmico que para uso industrial.
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Eleccion de las fuentes de calor Lugar geográfico Disponibilidad de recursos naturales Costos operativos Recuperación de calor de procesos Ejemplos fuentes : aire agua tierra energía solar
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AIRE (características)
Barato , limpio. Acondicionamiento interior en edificios. Poco poder de intercambio Aplicaciones en Piscinas (deshumidificar) DESVENTAJA: EQUILIBRIO Tev y Tamb
Cal/hr
T ext
Perdida ambiente
Capacidad Rerfg.
Pto equilib
rio
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AGUA (características)
Gran poder de intercambio. Utilización de agua subterránea como fuente. (Temp. cte) Agua de efluentes. Precauciones: tratamiento, filtración y contaminación, corrosión. Colocación intercambiadores en lagos, ríos etc. (evitar hacer
pozos) Costos de extracción Aguas de alcantarillado ( Temp. sup.)
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Agua -Aire frióCalor
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Tierra (características) Utilización como Fuente de Calor
sumergida.( tubos enterrados) Puntos a tener en cuenta: efectividad Corrosión, humedad, composición,
difusividad. Liquido anticongelante Temperatura mas estable que otras
fuentes
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COPc= Tf / (Tc –Tf ) Factor de Func.= Tc / (Tc –Tf )= (Tc –Tf +Tf )/ (Tc –Tf )=1 + COPc
Factor funcionamiento mayor que uno
COP Vs. Factor de funcionamiento
WTEMP.
Entropia
Tc
Tf
Factor de Funcionamiento (NH3)
-10C 10C Temp Exterior
3
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Aire como foco caliente
Utilizando aire como foco caliente se tiene un intervalo de funcionamiento más amplio
El factor que influye es la temperatura exterior
Se ve que la capacidad del compresor disminuye a bajas temperaturas de evaporación
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Bomba de calor funcionando en modo enfriamiento
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Flujo y estado del refrigerante en modo enfriamiento
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Bomba de calor funcionando en modo calentamiento
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Flujo y estado del refrigerante en modo calentamiento
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Equipos unitarios, componentes
El flujo de refrigerante está controlado por placa orificio, tubo capilar, o válvula termostática.
El tubo capilar es menos costoso pero puede provocar que el evaporador trabaje sobre o sub-alimentado para diferentes temperaturas de condensación. Esto puede ocasionar un funcionamiento con un rendimiento inferior al óptimo. Esto se evita con la válvula termostática.
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Componentes-ejemplo
Válvula termostática de expansión
P1= P2 + P3
P1 es la presión del elemento termostático
P2 es la presión en el evaporador
P3 presión del resorte equivalente al sobrecalientamiento
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Modelado de la válvula termostática
q = flujo de calor C constante del diseño de la
válvula proporcional densidad del líquido
entrante diferencia de presión
en la válvula hf entalpía del líquido
entrante hg entalpía del gas saliente
2/1... phhCq fg
p
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Una válvula termostática opera con sobrecalientamiento y obedece a cambios en el sobrecalientamiento. Los valores estándar van de 4 a 8ºF.Dependiendo del diseño, tamaño y aplicación
La capacidad a plena carga de las mismas es de 10 – 40% del valor nominal como reserva. Es el tramo BC en la curva gradiente
Una válvula termostática convencional no regularía el flujo convenientemente en ambas direcciones. Debido a eso se emplean 2 válvulas para las bombas de calor, una para cada condición de operación
A un tubo capilar no le afecta la dirección del flujo, pero por la diferencia de presiones evita que por el compresor pase la cantidad de refrigerante necesaria
Válvula termostática de expansión
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La figura muestra un evaporador funcionando con R22 a una temp. de saturación de 40ºF (68.5psi)
Punto A mezcla saturada de líquido y vapor 40ºF (68.5psi)
Punto B vapor saturado 40ºF (68.5psi)
Punto C vapor sobrecalentado 50ºF y 68.5 psi (sobrecalentamiento 10ºF)
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El gráfico de la izquierda muestra el gradiente típico de una válvula de expansión termostática
El gráfico de la derecha muestra la relación entre presión y temperatura en el elemento termostático
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Válvula inversora de 4 vías
A la línea simple siempre viene la descarga del compresor que es derivada al condensador
La línea del medio siempre va a la succión del compresor
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Funcionamiento del barril
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Funcionamiento del barril
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Válvula inversora comandada por válvula solenoide
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El acumulador opera evitando que el compresor succione líquido
También retiene el aceite contenido en el refrigerante (podría acumular todo el aceite del compresor, falla)Un orificio en la base hace que
por efecto Venturi los vapores arrastren el aceite al compresor donde pertenece
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EJEMPLO – CHILLER / BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA Marca ADDISON, modelo WWR 048 de 4 TR
(en línea WWR disponible de 3 a 35 TR). Función:
• Su función es calentar o enfriar agua a partir de una fuente que intercambia con agua.
• Del lado de la fuente puede haber una torre de enfriamiento, un intercambiador geotérmico, etc
• Del lado de la carga pueden existir muchas aplicaciones como ser fan coils, radiant coils, calentar agua de piscinas o spas, una aplicación de proceso, etc
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EJEMPLO – CHILLER / BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA Dimensiones:
• Altura = 53 cm• Largo = 71 cm• Ancho = 71 cm
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CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN
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DATOS DEL FABRICANTE Fluido refrigerante R-22 Compresor Scroll Modo CALOR:
• Datos basados en Te (carga) = 100ºF (38ºC), Te (fuente) = 70ºF (21ºC), caudales de agua iguales a 12 gpm (2.73 m3/h).
• Capacidad = 57546 Btu/h (16.865 kW)• Compresor:
•Psucción = 80 psig (658 kPa)•Pdescarga = 280 psig (2040 kPa)•Pot. entregada = 3473 W
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DATOS DEL FABRICANTE Modo CALOR:
• Pot. eléctrica = 4092 W (RLA = 18.6 A (208-230 V / 1 fase / 60 Hz))
Modo FRÍO:• Datos basados en Te (carga) = 55ºF (13ºC), Te (fuente) =
85ºF (29ºC), caudales de agua iguales a 12 gpm (2.73 m3/h).• Capacidad = 39470 Btu/h (11.567 kW)• Compresor:
•Psucción = 65 psig (550 kPa)•Pdescarga = 230 psig (1690 kPa)•Pot. Entregada = 2741 W
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CICLO DE REFRIGERACIÓN
Para construir el ciclo de refrigeración correspondientes a las condiciones de funcionamiento anteriormente mencionadas se supone razonablemente un sobrecalentamiento de 6ºC y un subenfriamiento de 5ºC (debido a que no se poseen datos al respecto).
El orígen de Entalpías y Entropías respectivamente es de 200 Kj/Kg y 1.0 Kj/(Kg.K) para líquido saturado a 0ºC.
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MODO CALOR – DIAGRAMA de MOLLIER (o PH)
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MODO CALOR – DIAGRAMA TS
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MODO CALOR – CÁLCULOS
CTCT
CTCT
QTcm
COPPotQCOPCOP
ηhhhhη
ηseg
kgmQhhm
m
kWQWQQQ
fuentefuente
acac
agua
se
se
aguapagua
eléctentr
isis
is
refrrecrefr
refr
reccompentrrec
rec
º17 º21
º43 º38
:agua elcon Intercamb.4.12
: Perform. de Coef.
%5.72
: Compresión Isentróp. Rend.
0870.0 )(
: Refrig. Másico Flujo
392.13 : RecibidoCalor
argarg
12
12
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MODO FRÍO – DIAGRAMA de MOLLIER (o PH)
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MODO FRÍO – DIAGRAMA TS
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MODO FRÍO – CÁLCULOS
CTCT
CTCT
QTcm
COPPotQCOP
WPotfríoWfríoPot
calorPotcalorW
COPhhhh
segkgmQhhmm
kWQWQQQ
fuentefuente
acac
agua
se
se
aguapagua
eléct
abs
eléctcomp
compeléct
compeléct
compcomp
isisis
refrrecrefrrefr
entrcompabsentrentr
º34 º29
º9 º13
:agua elcon Intercamb.
58.3
3229 )( )(
% 9.84 )()(
calor. modoen posee que al igualcompresor del orendimientun suponemos Entonces frío modoen compresor elpor consumida eléctrica Potencia la sobre datosposeen se No
:
% 9.57 :
0714.0 )( :
308.14 :
argarg
12
12
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COMENTARIOS En general en este tipo de equipo el COP oscila
entre 2 y 3. En nuestro caso obtuvimos valores de 3.58 para modo frío y 4.12 para modo calor. En este sentido vale acotar que tenemos un compresor Scroll (alto rendimiento volumétrico) y este permite generalmente obtener COPs mas altos.
En modo calor el COP es mas alto que en modo frío. Esto es bastante lógico ya a diferencia del modo frío, en modo calor se aprovecha el calor aportado por el compresor.
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BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES (Aplicadas) Recuperar calor generado en alguna
parte de un proceso. Menos difundido que el uso de bombas
de calor para acondicionamiento de aire, a pesar de poseer en general COPs mas altos.
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TIPOS DE BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALESLas mas importantes son: Ciclo de compresión cerrado – motor
eléctrico (ECCC) Ciclo de compresión cerrado – motor diesel
(DCCC) Recompresión mecánica de vapor (MVR)
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CICLO CERRADO
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CICLO DE COMPRESIÓN CERRADO (ambos motores) Formas de aumentar el COP:1. Subenfriamiento: 1% cada 2 ºC de subenf 2. Uso de economisador o tanque flash intermedio. Los compresores pueden ser reciprocantes (hasta
500 kW de calor bombeado), de tornillo (hasta 5 MW) y turbocompresores (mas de 2 MW).
Los gases refrigerantes típicos, aunque en desuso por razones ambientales, son el R-12, el R-22 y el R-114.
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CICLO CERRADO CON MOTOR ELÉCTRICO Rendimiento de Motor alrededor de 90%. COPs típicos 4 – 6. COPs no varían mucho de un refrigerante a otro pero la capacidad si. COPs aumentan levemente desde los compresores reciprocantes, pasando por los de tornillo, hasta los
turbocompresores (COPs mayores).
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CICLO CERRADO CON MOTOR DIESEL El ciclo en sí posee COP bajo. Se intenta
recuperar el calor del agua de enfriamiento del motor y de los gases de escape. COP típico de 2.
El rendimiento mecánico típico de los motores Diesel que se usan para bombas de calor es de 40%.
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RECOMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR Consiste en comprimir gases residuales (aumentando la T),
para luego poder extraerle el calor. En general se trabaja con vapor de agua (la fuente).
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RECOMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR Se utilizan básicamente 2 tipos de compresores:1. Turbocompresores:
• Los mas usados son radiales.• Caudales altos y medios.• Relación de compresión alrededor de 2.• Rendimiento isentrópicos de 0.7 - 0.8.• Con separador de líquido.
2. Compresores de Tornillo:• Caudales normalmente menores.• Relación de compresión de 2 a 6.• Rendimiento isentrópicos de 0.7-0.9.• No necesitan de separador de líquido.
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FACTORES ECONÓMICOS (ALGUNAS OBSERVACIONES)
Si las condiciones permiten su uso, las MVR son las bombas que poseen períodos de retorno a la inversión menores.
El período de retorno a la inversión de las ECCC depende fuertemente del COP y el costo de la energía eléctrica. En general para valores de COP=6 deberían ser rentables.
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LAS BOMBAS INDUSTRIALES EN EL MUNDO Datos en base a 8 países del primer mundo.
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Bombas de calor geotérmicas
Ventajas:
• Temperaturas de fuente o sumidero estables durante el año.
• No requieren descongelado en el evaporador en modo heat
•Por debajo de 1ºC las bombas enfriadas por aire necesitan calefacción suplementaria
•Mejora en eficiencia•Menor costo de mantenimiento que otros tipos de sumidero•Larga vida útil
•Menos ruidosos que equipos con torres o condensadores evaporativos.
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Tipos de intercambiadores geotérmicos
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Cuadro comparativoTubos horizontales Tubos en espiral Loop vertical
Profundidad 1,2 a 3 m 1,2 a 3 m 20 a 90 m
Espaciamiento 2 a 4 m 4 m > 5 m
Capacidad de intercambio
100-400 ft por TR 500-1000 ft por TR 200-600 ft por TR
Ventajas -Relativo bajo costo de perforación
-Menos superficie que los horizontales-A veces los costos son menores
-Menos longitud de cañería-Menos potencia de bombeo-Temperatura más estable-Menos área en planta
Desventajas
-Superficie en planta-Temperatura sujeta a variaciones-Mayor longitud que los verticales-Adición de anticongelantes
-Más cañería-Temperatura sujeta a variaciones-Más potencia de bombeo-Dificultad para el llenado
-Necesita equipo de perforación-Mayores costos de perforación
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Tubos sumergidos Sistema abierto Expansión directa
Profundidad 1,8 a 2,4 m50 cm sobre el lecho Depende de las
condiciones locales
2.7 a 3.7 m (vertical)1.5 a 3 m (horizontal)
Espaciamiento 3000 ft2 por TR N/A
Capacidad de intercambio 300 ft por TR 1.5 a 3 gpm por TR 100-150 ft2/TR (v)
450-550 ft2/TR (h)
Ventajas
-Puede ser el de menor largo de tubos.-Puede ser de bajo costo dependiendo de disponibilidad de agua
-Diseño simple-Menor perforación -Mejor rendimiento termodinámico-Menores costos
-Mejor eficiencia del sistema-No requiere bombeo
Desventajas
- Requiere gran cantidad de agua- Restringe el uso del lago
-Sujeto a regulaciones-Disponibilidad de agua (re inyección)-Fouling, material en suspensión, corrosión
-Costo inicial-Tubos sujetos a congelamiento-Retorno de aceite-Más carga refrigerante-Peligro de fugas
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Temperatura del suelo•Impacto en la eficiencia
•Determina el tamaño del GHE
Variación con el clima anual
Variación con la profundidad
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Conductividad del suelo
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Consideraciones económicas Coeficiente de performance
•Factible cuando el costo de energía eléctrica es aprox 3.5 veces menor que el precio de combustible por BTU
•Costos de mantenimiento
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Normas aplicables
Technology Application Reference Standard Category (capacity)
Rating Condition(enter water temperature)
Minimum Performanceas of 10/29/2001
Cooling Heating
Water-Source Heat Pumps ISO-13256-1(a) <17kBtuh Standard 86ºF (30ºC) 11.2 EER ---
Standard 68ºF (20ºC) --- 4.2 COP
>=17 kBtuh and <65 kBtuh Standard 86ºF (30ºC) 11.2 EER ---
Standard 68ºF (20ºC) --- 4.2 COP
>=65 kBtuh and <135 kBtuh Standard 86ºF (30ºC) 12.0 EER ---
Standard 68ºF (20ºC) --- 4.2 COP
Groundwater-Source Heat Pumps ISO-13256-1 <135 kBtuh Standard 59ºF (15ºC) 16.2 EER
Standard 68ºF (20ºC) 4.2 COP
Ground-Source Close-Loop Heat Pumps ISO-13256-1 <135 kBtuh Standard 77ºF (25ºC) 13.4 EER ---
Standard 32ºF (0ºC) --- 3.1 COP(a) ISO (1998) Water-Source Heat Pumps - Testing and Rating for Performance - Part 1: Water-to-Air and Brine-to-Air Heat Pumps.
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Cuadro comparativode inversión
Griffiss AFB, NYConventional
SystemAir-Source Heat
PumpGround-Source Heat
Pump
Number of units 13 7 22
Nominal capacity (tons)EachTotal
13.5175.5
13.594.5
4.8105.6
Supplemental heaters (kW)EachTotal
n/an/a
125875
33726
Equipment capacity (kBtuh/h)(at design conditions)SummerWinter
2,535.03,510.0
1,360.13,395.0
1,270.13,336.6
Energy Consumption (/yr)Electricity (kWh)Demand (kW-mo)Natural gas (therm)Total energy (MBtu)
252,9081,481
110,38011,901
1,6546,5554,200
05,562
1,413,2074,355
04,822
Energy Costs ($/yr)ElectricityDemandNatural gasTotal energy
12,6458,160
59,60580,411
82,82823,142
0105,970
70,66023,996
094,656
O&M Costs ($/yr) 8,775 3,300 3,700
Install Cost ($) 454,100 212,500 329,300
Equipment life (yr) 15 15 15
Total Life-Cycle Cost ($) 1,639,262 1,516,482 1,502,942
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Optimización de eficiencia – Minimización de irreversibilidades Generación de entropía en
una cañería: transición trubulento - laminar
522
3
2
2 )((Re).32
Pr),((Re)'
Df
Tm
NukTqS D
ff
f
Dfgen
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66
Optimización de eficiencia – Minimización de irreversibilidades Caso 2 – Calor transferido
constante
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Minimización del trabajo – Relación de temperaturas óptima
)()()()(
eLee
Hccc
ec
TTUAqTTUAq
qqW
c
cc
aW
)1(2
*
c
e
L
H
e
cc
Re
UAUAa
TT
TT
TUAWW
)()(1
)(*
Luego:
Donde:La relación de temperaturas que minimiza el trabajo es:
optc,
Condición imposible de satisfacer en la práctica. Viola la 2a ley de la termodinámica.
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Generación de entropía en función de la relación de transferencias y la eficiencia del compresor
)()()()(
)()(
1
Hccc
eLee
T
e
cc
c
H
c
L
e
e
egen
L
e
H
cgen
TTUAqTTUAq
UAUAx
WTT
qTq
Tq
TqS
Tq
TqS
BE
ADqBUAxqABTECDAqUAxTAB
AqS ete
H
etHegen
)()(11
)()( 2
*
Se puede escribir
Donde:
),,,,)(,(,,,,
*
eHLT
L
e
gengen
qTTUAxfctesEDCBATqS
S
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69
Generación de entropía en función de la relación de transferencias y la eficiencia del compresor
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COP y eficiencia 2º ppio en función de eficiencia del compresor y relación de transferencia entre condensador y evaporador
Para (UA)=250 W/mºK,
Qe=1000W, Th=303K y Tl=293K
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71
COP y eficiencia 2º ppio para una bomba de calor real e ideal
rev
irrII COP
COP