Caracterización y modelización de un expansor scroll de pequeña potencia. Integración en sistemas de absorción para producción de energía mecánica y refrigeración

Abstract

En esta tesis se realizó un estudio teórico-experimental de un expansorscroll de pequeña potencia, comercializado como compresor, con la finalidad de integrarlo en sistemas de refrigeración por absorción para producir energía mecánica. El estudio consistió en primer lugar encaracterizar el expansor con aire y con amoniaco con objetode establecer sus prestaciones en distintas condiciones de operación. Luego se modelizó mediante un modelo semi-empírico en que la expansión se realiza según un proceso isentrópico seguido de uno isocórico, y las fugas internas del fluido como el paso de un flujo a través de una tobera convergente isentrópica. El modelo permite estimar la potencia mecánica neta, el caudal másico y la temperatura de salida del expansor a partir de la presión y temperatura de entrada, relación de presiones y frecuencia de giro, siendo las desviaciones máximas entre las variables calculadas y las medidas para el amoniaco del ±9%, ±5% y ±4 K, respectivamente. Adicionalmente, el modelo fue aplicado a expansores de mayor desplazamiento volumétrico del mismo fabricante con el fin de obtener sus mapas de funcionamiento. Finalmente, se realizó un estudio teórico sobre la integración de los expansores en distintas configuraciones en sistemas de refrigeración por absorción de simple etapa con las mezclas amoníaco/agua, amoniaco/tiocianato sódico y amoniaco/nitrato de litio. Los resultados obtenidos de la simulación termodinámica muestran que en estos sistemas puede producirse hasta unos 29 kW de energía mecánica y hasta 29 kW de refrigeración en distintas proporciones, a partir de fuentes de calor térmicas desde 80 oC a 130 oC y refrigeración a temperaturas de hasta -10 oC.

This thesis presentsthe theoretical and experimental study of a small scroll expander, commerciallyavailable as a compressor, in order to integrate it into absorption systems forthe production of mechanical energy. The expander was characterized with airand ammonia to determine its performance at different operational conditions.Then the expander was modelled to predict its performance assuming that thefluid that enters into the expander carries out an isentropic expansion processfollowed by an adiabatic isochoric process. The leaks are modelled as anisentropic flow through a converging nozzle. The model calculates the netmechanical power, mass flow rate and the exhaust temperature from the supplypressure and temperature, pressure ratio and rotational speed, with a maximumdeviation between the calculated and measured variables for ammonia from ±9%,±5% and ±4 K, respectively. Also the expander model was used to calculatethe performance of other expanders of the same type but with a highervolumetric displacement (TRSA09 and TRSA012). Finally, it was performed a studyabout the integration of expansion system in absorption refrigeration systemsusing three working mixtures: ammonia/water, ammonia/sodium thiocyanate andammonia/lithium nitrate. These systems can produce up to about 29 kW ofmechanical power and 29 kW of cooling capacity at desired proportions from heatsources at low temperatures, from 80 to 130 °C and cooling at temperatures upto -10 °C.