Estudio teórico y experimental de los componentes térmicos para bombas de calor de resorción con CO2.

Abstract

La present tesi realitza un estudi experimental de l'procés de desorció de la barreja CO2 / acetona en un intercanviador de calor de plaques. S'ha realitzat una revisió bibliogràfica de la demanda energètica a nivell industrial per a identificar rangs de temperatures en els quals pot implementar la tecnologia de bomba de calor. El cicle de bomba de calor per compressió / resorció es defineix com una alternativa factible per a l'aprofitament de calor residual a baixa i mitja temperatura (30 - 60ºC) fins a temperatures útils per a processos industrials (> 80ºC). Es realitza la modelització de propietats termodinàmiques de la mescla CO2 / Acetona i de el cicle de bomba de calor per compressió / resorció. Es va realitzar un estudi paramètric de les variables independents i es van obtenir rangs d'operació respecte a pressió, temperatura i composició en els quals el cicle funciona com a bomba de calor. Es van obtenir resultats de l'eficiència de l'cicle i de la relació de cabals. S'han obtingut les condicions d'operació per a dur a terme l'estudi experimental de l'procés de desorció de la barreja en un intercanviador de plaques format per 4 plaques / 3 canals. S'ha dissenyat i construït un equip experimental per caracteritzar el procés de desorció de la barreja CO2 / acetona a l'intercanviador de calor de plaques. S'han obtinguts resultats per al coeficient de transferència de calor de la solució, flux de calor i flux màssic de desorció a l'intercanviador de calor de plaques.

La presente tesis realiza un estudio experimental del proceso de desorción de la mezcla CO2/acetona en un intercambiador de calor de placas. Se ha realizado una revisión bibliográfica de la demanda energética a nivel industrial para identificar rangos de temperaturas en los cuales puede implementarse la tecnología de bomba de calor. El ciclo de bomba de calor por compresión/resorción se define como una alternativa factible para el aprovechamiento de calor residual a baja y media temperatura (30 – 60ºC) hasta temperaturas útiles para procesos industriales (>80ºC). Se realiza la modelización de propiedades termodinámicas de la mezcla CO2/Acetona y del ciclo de bomba de calor por compresión/resorción. Se realizó un estudio paramétrico de las variables independientes y se obtuvieron rangos de operación respecto a presión, temperatura y composición en los cuales el ciclo funciona como bomba de calor. Se obtuvieron resultados de la eficiencia del ciclo y de la relación de caudales. Se han obtenido las condiciones de operación para llevar a cabo el estudio experimental del proceso de desorción de la mezcla en un intercambiador de placas formado por 4 placas/3 canales. Se ha diseñado y construido un equipo experimental para caracterizar el proceso de desorción de la mezcla CO2/acetona en el intercambiador de calor de placas. Se han obtenidos resultados para el coeficiente de transferencia de calor de la solución, flujo de calor y flujo másico de desorción en el intercambiador de calor de placas.

Heat pump technology is an interesting option to recover waste heat at low temperatures (40 – 60ºC) and upgrade it to temperatures above 80ºC to meet the heat demand in industrial processes, and thus reduce consumption of primary energy and associated CO2 emissions. Current heat pump technologies are limited by the thermodynamic properties of working fluids and the resistance of their components. Compression/resorption heat pumps using refrigerant/absorbent working fluid mixtures such as CO2/acetone can operate at low high pressures with good performances. This research aims to experimentally study the desorption process in a plate heat exchanger of the CO2/Acetone mixture as an alternative for its use in the compression/ resorption heat pump cycle. The experimental results show values for the heat transfer coefficient (hs) between 0.2 and 0.5 kW/ m2K. An increase in the temperature of the heating water and a low temperature difference between the heating water and the temperature of the solution at the desorber´s inlet enhance the heat transfer. The hs value decreases as the pressure of the experiment increases. The heat transfer in the heat exchanger improves with low mass fractions of CO2 in the CO2/Acetone solution (22 % - 25%). The calculated mean vapour quality reaches a maximum value of 16% at a test pressure of 12 bar. The calculated heat transfer in the heat exchanger is between the 1.5 and 5 kW/ m2 range. The calculated desorption flow is between 0.002 and 0.005 kg/s.