Desarrollo de una bomba de calor de absorción a gas con fluidos orgánicos e intercambiadores de placas

El crecimiento de la demanda eléctrica en Cataluña entre 1986 y 1999 ha sido alrededor de un 70% y se prevé para el año 2010 que dicha demanda sea un 43% superior a la actual. Incrementos similares en otras comunidades pueden provocar un colapso en el sistema eléctrico español.A pesar de que el crecimiento del consumo energético se debe principalmente al incremento de la capacidad productiva de nuestro país, cada vez es más significativo el efecto de la proliferación de equipos de climatización eléctricos en el computo global de dicha demanda. Actualmente, y aún siendo el sector de la climatización un mercado emergente en nuestro territorio, ya se considera que el 12% de la demanda eléctrica está destinada a la climatización de edificios y viviendas y es la principal causante de los picos de demanda anuales situados en los meses de julio y diciembre.Ante tal situación, y con las grandes perspectivas de expansión del mercado del aire acondicionado en nuestro país, en esta tesis se propone desarrollar un equipo de climatización que permita contribuir a satisfacer las necesidades térmicas en el sector residencial y pequeño comercio. Para ello, se propone un equipo de absorción que puede funcionar como bomba de calor en invierno con una potencia nominal de 24.5 kW y como equipo de refrigeración en verano con 20 kW de potencia frigorífica. En ambos casos, el consumo eléctrico previsto será inferior a 2 kW, ya que la energía de activación es térmica a temperaturas de 120-150ºC, pudiéndose utilizar tanto el calor procedente de la combustión o bien de energía solar.Los equipos de absorción convencionales presentan ciertas limitaciones derivadas de los fluidos que utilizan (cristalización y corrosión en el caso del Agua-Bromuro de Litio, y presiones elevadas y rectificación para el Amoniaco-Agua). En este trabajo, se ha adoptado la mezcla de fluidos orgánicos Metanol-Tetraetilenglicol-dimetiléter para solventar dichas limitaciones. Esta mezcla se caracteriza por ser completamente miscible, ser compatible con la mayor parte de materiales utilizados actualmente en los equipos de aire acondicionado y presentar una buena estabilidad térmica y química a las temperaturas de operación previstas. El equipo desarrollado opera en modo refrigeración bajo un ciclo de absorción-compresión de doble efecto, con un COP>1.2, mientras que en modo calefacción se convierte en un ciclo de simple efecto con un COP>1.4. En ambos casos, se ha incorporado una etapa de compresión con el fin de aumentar el intervalo de temperaturas de operación. De esta forma, no es necesario el uso de torres de refrigeración, pudiéndose utilizar aerorefrigeradores en su lugar.La utilización de intercambiadores de placas ha permitido contar con unas superficies de intercambio de calor elevadas, en un reducido volumen. Como resultado, el equipo presenta una baja inercia térmica y un tamaño aceptable.El equipo se ha experimentado en un banco de ensayos, construido a tal efecto, sometiéndose a las condiciones de operación previstas. Los resultados obtenidos confirman el buen comportamiento del equipo y del sistema de control adoptado.The electrical demand in Catalonia has raised around 70% between 1986 and 1999, and the foreseen demand in 2010 is around 43% higher than the present one. Similar increases in other parts of the country may produce a collapse in the Spanish Electrical Network. Moreover, around 12% of the present electrical consumption in Spain is just for air conditioning.Considering this situation and the enormous favourable perspectives in the Spanish air conditioning market, the development of an absorption unit for residential and light commercial applications is proposed in this thesis. In the target conditions, the unit should to provide a heating capacity of 24.5 kW in winter, while in summer the cooling capacity is targeted to 20 kW. In both cases, the expected electrical demand is below 2 kW, because the driving energy required is from a thermal source at temperatures between 120 and 150ºC. Most of the commercial absorption units have some limitations related to working pair (corrosion, crystallisation, operating pressure or rectification). In order to overcome these limitations, in this study an organic pair has been selected, being the refrigerant Methanol and the absorbent Dimethylether tetraethylenglycol. The advantages of this mixture are its full miscibility, the good chemical and thermal stability in the expected operating temperatures and its compatibility with most of materials commonly used in the air conditioning units.The developed unit operates in summer under an absorption-compression double effect cycle with a COP>1.2, while in winter the unit is shifted to a single effect absorption-compression cycle with a COP>1.4. In both cases, the compression step provides a higher temperature lift between the evaporator and the absorber, which makes feasible to reject the heat through a dry system instead of a cooling tower.The unit has been built using plate heat exchangers in order to have high heat transfer surfaces in a low volume, accomplishing a compact unit with low thermal inertia.The first results obtained in a test facility confirm both the suitable control strategy and the promising perspectives for the unit

Thermal energy storage with phase change materials in building envelopes

Els materials de canvi de fase (PCM) han estat considerats per a l’emmagatzematge tèrmic en edificis des de 1980. Amb la inclusió dels PCM en plaques de guix, guix, formigó o altres materials que s’utilitzen per a cobrir les parets, l’emmagatzematge tèrmic pot ser part de les estructures fins i tot en edificis lleugers. Les noves tècniques de microencapsulació han obert moltes possibilitats en aplicacions per a edificis. El treball que es presenta és el desenvolupament d’un formigó innovador mesclat amb PCM microencapsulat, amb un punt de fusió de 26 oC i una entalpia de canvi de fase de 110 kJ/kg. El primer experiment va ser la inclusió del PCM microencapsulat dins del formigó i la construcció d’una caseta amb aquest nou formigó-PCM. Es va construir una segona caseta al costat de la primera amb les mateixes característiques i orientació però amb formigó convencional que serveix com a referència. Durant els anys 2005 i 2006 es va analitzar el comportament d’ambdues casetes i més tard es va edificar un mur Trombe a la paret sud de totes dues per investigar la seva influència durant la tardor i l’hivern.Phase change materials (PCM) have been viable for thermal storage in buildings since before 1980. With the advent of gypsum board, plaster, concrete or other wall covering materials containing PCM, thermal storage can be part of the building structure even for lightweight buildings. New microencapsulation techniques offer many possibilities in building applications. The work we present here uses an innovative concrete that contains a commercial microencapsulated PCM with a melting point of 26oC and a phase change enthalpy of 110 kJ/kg. First we introduced the microencapsulated PCM into the concrete, and then we constructed a small house-sized cubicle from this new PCM-concrete. A second cubicle with the exact same characteristics and orientation, but built from standard concrete, was located next to the first as a reference system. We tested the behaviour of the cubicles in 2005 and 2006. Later, a Trombe wall was added to the cubicles to study its effect during autumn and winter.The work was partially funded by the project ENE2005- 08256-C02-01/ALT (Ministerio de Educación y Ciencia). M. Medrano would like to thank the Spanish Ministry of Education and Science for his Ramon y Cajal research appointment

An embedded real-time red peach detection system based on an OV7670 camera, ARM Cortex-M4 processor and 3D Look-Up Tables

This work proposes the development of an embedded real-time fruit detection system for future automatic fruit harvesting. The proposed embedded system is based on an ARM Cortex-M4 (STM32F407VGT6) processor and an Omnivision OV7670 color camera. The future goal of this embedded vision system will be to control a robotized arm to automatically select and pick some fruit directly from the tree. The complete embedded system has been designed to be placed directly in the gripper tool of the future robotized harvesting arm. The embedded system will be able to perform real-time fruit detection and tracking by using a three-dimensional look-up-table (LUT) defined in the RGB color space and optimized for fruit picking. Additionally, two different methodologies for creating optimized 3D LUTs based on existing linear color models and fruit histograms were implemented in this work and compared for the case of red peaches. The resulting system is able to acquire general and zoomed orchard images and to update the relative tracking information of a red peach in the tree ten times per second

Exergy and structural analysis of an absorption cooling cycle and the effect of efficiency parameters

Absorption cycles are an alternative to compression cycles in cooling and refrigeration applications. Our analysis of an absorption cycle is based on the exergy and the structural analysis. Once the exergy analysis has been achieved, the coefficients of structural bonds (CSBs) of the main heat and mass exchangers can be determined by a structural analysis. The CSBs show how the modification of the irreversibility of one component, by means of a variation of its efficiency, affects the whole cycle. It will be wise to put much of the design effort in improving the efficiency of a component, knowing that a slight decrease of the irreversibility of that component, thanks to a higher efficiency, results in an important improvement in the total irreversibility of the cycle. This methodology is applied to a single effect ammonia-water absorption cooling cycle. We also study how the selection of efficiency parameters affects the results comparing CSBs of heat exchangers obtained from the minimum temperature differences or the UA-values. Results show that the UA is a more suitable parameter than the minimum temperature difference. Concerning the CSB values, we obtain very high values for the refrigerant heat exchanger. Values above one are also observed for the absorber, condenser and generator. Lower values are found for the generator and the solution heat exchanger. A more detailed analysis should investigate the dependence of the CSB values on the range of efficiencies. As a further step, these results could be used in the thermoeconomic analysis and economical optimization