Figura 29. Montaje de la primera prueba.
La Figura 29 muestra el montaje realizado para la primera prueba del sistema A/C. Esta prueba consiste en analizar todo el sistema pero con la diferencia de que en la zona del automóvil solo se toman las presiones y no las temperaturas. Además, En la prueba se asume que la temperatura a la salida del condensador es igual a la temperatura de saturación del refrigerante para la presión de alta, y, se asume que la temperatura permanece constante entre la salida del evaporador y la entrada del compresor. Se realizaron en total el análisis de 4 velocidades diferentes para el compresor, y, cada velocidad fue registrada tres veces para analizar la repetitividad de los datos y el error aleatorio asociado. Ejecutando el modelo de ecuaciones para caracterizar el sistema, se obtuvieron graficas de: potencia necesaria del compresor en el eje, potencia entregada al refrigerante por el compresor, capacidad de refrigeración del sistema, coeficiente de operación para el consumo al eje y el interno, graficas de presión contra entalpia con el análisis de caída de presión, tiempo de encendido del compresor para diferentes velocidades, comportamiento de las temperaturas y el análisis de eficiencias.
Con el modelo de ecuaciones para estimar la potencia consumida se obtuvo la gráfica de potencia consumida por el motor de combustión interna (eficiencia 30%) contra la velocidad del compresor. Además, con la finalidad de complementar la caracterización del sistema, en esta prueba se incluyeron gráficas que evalúan la potencia consumida contra la velocidad del compresor y gráfica del tiempo de encendido del sistema comprado con el valor de potencia consumida. Estas graficas complementarias ayudan a tener una mejor comprensión de la caracterización del sistema de refrigeración.
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Resultados del modelo de ecuaciones para caracterizar el sistema A/C:
Figura 30. Consumo, capacidad de refrigeración y COP para el sistema analizado con presiones.
Figura 31. Consumo, capacidad de refrigeración y COP para el sistema analizado con presiones y trabajo del compresor.
La Figura 30 y Figura 31 muestran los diagramas de caracterización principales para un sistema de A/C automotriz, el cual, muchas veces es utilizado por las compañías fabricantes de compresores para mostrar las propiedades de su sistema. La Figura 30 es la más utilizada por los fabricantes ya que muestra el consumo de potencia al eje del compresor y el coeficiente de operación del sistema, el cual, es la división entre la capacidad de refrigeración y el consumo al eje. La Figura 31 muestra la potencia consumida y el C.O.P, pero esta vez, es la potencia que el compresor entrega al refrigerante. En ambas figuras, se puede observar que los comportamientos de las variables analizadas son los mismos. Se puede observar que a medida que aumenta la velocidad del compresor la potencia consumida y la capacidad de refrigeración aumentan, sin embargo, el C.O.P disminuye,
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estos eran los comportamientos que se esperaban. Es válido anotar que la Figura 31 tiene un error más alto en su comportamiento del C.O.P y de la potencia consumida ya que se asume que la temperatura de salida del condensador es la temperatura de saturación de acuerdo a las tablas.
Figura 32. Potencia consumida vs velocidad compresor analizado con presiones.
Figura 33. Torque analizado con presiones.
La Figura 32 muestra en detalle la potencia consumida al eje del compresor donde se puede observar el aumento a medida que la velocidad del compresor aumenta. Por otro lado y a manera de comparación, en la Figura 33 se presenta el resultado entre el torque medido con el multímetro y el medido mediante la tarjeta de adquisición de datos, observando el mismo comportamiento en ambas pruebas, teniendo en cuenta, que el de la tarjeta de adquisición es una señal filtrada de forma manual. Por otro lado, La Figura 34 muestra el tiempo que se demora en estabilizar el sistema para cada una de las velocidades evaluadas comparada contra la potencia consumida durante el tiempo; esta figura permite observar que a mayor velocidad más rápido se estabiliza la temperatura del habitáculo, sin embargo, el consumo energético es mayor.
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Figura 34. Potencia consumida a diferentes velocidades.
Figura 35. Comportamiento de las temperaturas del sistema a 583 rpm.
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Figura 37. Comportamiento de las temperaturas del sistema a 1377 rpm.
Figura 38. Comportamiento de las temperaturas del sistema a 1801 rpm.
La lista de figuras de la Figura 35 a la Figura 38 muestran el comportamiento de las temperaturas para cada una de las velocidades evaluadas. Para la prueba 1 solo se registraron tres temperaturas (en el habitáculo del carro, en la entrada y salida del compresor), estas graficas comparan la temperatura contra el tiempo y de ellas se puede obtener el comportamiento de la temperatura para este tipo de sistemas. Las cuatro graficas muestran comportamientos similares, sin embargo, sus rangos de operación son diferentes. Por ejemplo, a 583 rpm la temperatura del habitáculo es cercana a los 18°C y toma un tiempo de aproximadamente 800 segundos para estabilizarse, mientras, que a 1801 rpm la temperatura es cercana a los 15°C y el tiempo de estabilización es de poco más de 200 segundos. Lo que permite deducir que, a mayor velocidad los rangos de variación de la temperatura son mayores pero su tiempo de estabilización es menor.
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Figura 39. Diagramas P-h para diferentes velocidades.
Por otro lado, La Figura 39 muestra los diferentes diagramas de P-h para las cuatro velocidades analizadas. En estos diagramas se puede ver el comportamiento real del gas en este tipo de sistemas el cuál varía del teórico debido a las pérdidas de presión por fricción. El rango de valores es diferente para cada una de las velocidades analizadas, sin embargo, el comportamiento es similar. Para esta prueba no es posible obtener las gráficas de temperatura-entropía ya que la temperatura en algunos puntos se basa en las tablas del gas y no mostraría variación alguna respecto a la del ciclo ideal.
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Figura 41. Eficiencia de compresión prueba 1.
Figura 42. Eficiencia del compresor prueba 1.
La Figura 40, Figura 41 y Figura 42 muestran el comportamiento de las eficiencias analizadas gracias al modelo de ecuaciones. El comportamiento de las tres eficiencias analizadas es similar, bajan a medida que la velocidad del compresor aumenta. Sin embargo, los rangos de los valores son diferentes, ya que cada una evalúa estados diferentes como se estableció en el modelo. La eficiencia mecánica (Figura 40) presenta un rango entre el 70% y el 85%, estos valores son adecuados para este tipo de sistemas teniendo en cuenta el tamaño y las propiedades del mismo. Una de las situaciones que mejoran esta eficiencia es lubricar de manera correcta el compresor, por lo tanto, se comprueba que la cantidad de lubricante utilizado fue el óptimo para este sistema y que es importante evaluar la influencia del refrigerante como una variable adicional. La eficiencia del compresor (Figura 42) tiene un rango entre el 30% y 40%, el cual depende de la velocidad del compresor. Este rango es el esperado ya que el compresor utilizado tiene unas perdidas muy grandes cuando este debe entregarle la potencia al refrigerante. Además, los resultados de la eficiencia del compresor se ven muy afectados debido a lo complejo que es asegurar la calidad del refrigerante en el sistema, algunas veces se pueden filtrar partículas en el estado de la materia incorrecto lo que afecta la eficiencia de funcionamiento del compresor.
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Resultados del modelo de ecuaciones para estimar el consumo:
Figura 43. Potencia consumida por un automóvil al encender el sistema A/C para la prueba 1.
La Figura 43 es el resultado de aplicar la ecuación planteada en el modelo para estimar la potencia consumida por el sistema. Teniendo en cuenta, que este caso es evaluado con un motor de combustión interna, con una eficiencia del 30%, y que esta eficiencia es comparada con la potencia al eje calculada con el otro modelo de ecuaciones, es posible estimar que el rango de consumo para este tipo de sistema analizado está entre 1 kW y 3 kW. Los valores analizados representan un consumo igual al de un sistema de aire acondicionado para una casa de familia pequeña. Esta estimación ratifica la hipótesis de que este tipo de sistemas tienen un consumo alto respecto a otros sistemas con condiciones más controladas. Además, se comprueba que el modelo diseñado es capaz de estimar el consumo con unos valores de incertidumbre asociados bastante aceptables, teniendo en cuenta las limitaciones del prototipo.
7.2.
Prueba 2
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Resultados del modelo de ecuaciones para caracterizar el sistema A/C:
La Figura 44 muestra el montaje para la prueba 2, en esta prueba se consideran las temperaturas de la zona del automóvil. De igual forma que la prueba 1 se tomaron los datos para 4 velocidades diferentes cada una con tres tomas para el análisis de datos. En esta prueba a diferencia de la anterior se tiene en cuenta la gráfica de temperatura contra entropía, y, además, se asume que las presiones permanecen constantes y no hay pérdidas por fricción.
Figura 45. Consumo, capacidad de refrigeración y COP para el sistema analizado con temperaturas.
Figura 46. Consumo, capacidad de refrigeración y COP para el sistema analizado con temperaturas y trabajo del compresor.
De manera similar a la prueba 1 el comportamiento de las principales variables a medir es el esperado para el caso de la prueba 2, como se puede observar en la Figura 45. De otro lado, se observan comportamientos similares entre las dos pruebas para el caso de
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la Figura 47, donde a mayor velocidad del compresor más rápido se llega a la temperatura deseada pero con un mayor consumo de potencia. Finalmente, la Figura 52 muestra el comportamiento real del sistema A/C para un diagrama de T-s, donde se tienen en cuenta los cambios en la temperatura debido a las interacciones con el ambiente circundante y las pérdidas por fricción, entre otras cosas.
Figura 47. Potencia consumida a diferentes velocidades analizado con temperaturas.
Figura 48. Comportamiento de las temperaturas a una velocidad de 579 rpm.
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Figura 50. Comportamiento de las temperaturas a una velocidad de 1378 rpm.
Figura 51. Comportamiento de las temperaturas a una velocidad de 1799 rpm.
La lista de figuras de la Figura 48 a la Figura 51representa, al igual que el caso anterior el comportamiento de las temperaturas para la prueba. A diferencia del caso anterior, en esta prueba se tomaron datos de 5 temperaturas diferentes en las que se adicionan a las del caso anterior la de salida condensador y salida evaporador. Los comportamientos de todas las temperaturas son los esperados y se estabilizan en tiempos similares a la prueba 1. La velocidad del compresor afecta el rango de las temperaturas, a mayor velocidad la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo del punto donde se estén midiendo. Este análisis de temperatura completo hace parte de la caracterización adecuada del sistema. Los comportamientos de las temperaturas se ven reflejados de igual manera en las gráficas de temperatura-entropía de la Figura 52, conocer todas las temperaturas permite construir los diagramas t-s con detalle absoluto teniendo en cuenta las perdidas asociadas. Es importante resaltar, que el hecho de que la entropía sea menor a la salida que a la entrada para todos los casos de la Figura 52, es un caso particular y se debe a la interacción que tiene las tuberías del sistema con el aire caliente que sale del motor. Al existir este cambio de temperatura el gas sube su temperatura más rápido y por lo tanto el compresor hace un menor trabajo, también pueden existir otras interacciones, que permitan este comportamiento, como lo es la extensión de las tuberías o la cantidad de aceite lubricante en el sistema.
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Figura 52. Diagrama de T-s para diferentes velocidades.
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Figura 54. Eficiencia de compresión prueba 2.
Figura 55. Eficiencia del compresor prueba 2.
La Figura 53, Figura 54 y Figura 55 muestran el comportamiento de las eficiencias para el caso de la prueba 2. En estas tres graficas es posible ver que las incertidumbres de esta prueba fueron más altas lo que implica una variación en el comportamiento de las gráficas asociado a este error. Sin embargo, es posible detallar que a medida que la velocidad del compresor aumenta la eficiencia disminuye. La eficiencia del compresor (Figura 55) se encuentra en un rango entre el 30% y 45%, valores esperados aunque un poco diferentes al primer caso, pero que de igual forma mantiene los rangos para este tipo de compresores. Es importante añadir, que el rango de la eficiencia mecánica para esta prueba (72% a 76%) es levemente inferior que el de la prueba 1, y, esto se debe a la falta de lubricación en el sistema. Al cambiar de prueba es necesario vaciar el sistema, tanto de gas refrigerante como de aceite, lo que complica aún más la comparación de los datos, sin embargo, se reafirma la importancia de establecer unos métodos de medición para la cantidad de aceite y de refrigerante que utiliza el sistema, ya que una mala lubricación o bajos niveles de refrigerante pueden afectar de manera sustancial el rendimiento del sistema de refrigeración.
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Resultados del modelo de ecuaciones para estimar el consumo:
Figura 56. Potencia consumida por un automóvil al encender el sistema A/C para la prueba 2.
La Figura 56 es el resultado de aplicar el modelo de ecuaciones para estimar el consumo del sistema A/C. Se observa que el comportamiento es miliar al del caso anterior, en donde a medida que aumenta la velocidad del compresor la potencia consumida aumenta. De igual forma a la prueba 1 el rango de consumo está entre 1kW y 3 kW. Para este caso se tienen unas incertidumbres asociadas más altas lo que hace que el consumo sea un poco diferente al caso 1.
7.3.
Incertidumbres
La Tabla 6 muestra los rangos de incertidumbres para cada variable y cada prueba. Es posible observar que la medición más crítica para las variables medidas ocurre en el voltaje y para las propagadas en le eficiencia del compresor. Para el caso de las variables medidas esta incertidumbre alta ocurre debido al tipo de instrumento utilizado ya que para bajas lecturas de voltaje (menos de 20 mV en los experimentos) la incertidumbre asociada puede ser muy alta. Por otro lado, en las variables propagadas el más alto se debe a que es uno de los últimos valores que se calculan según el modelo, lo que hace que esa incertidumbre propague las de todo el experimento. Además, es importante resaltar en los resultados de la Tabla 6 que la prueba 2 tiene unos rangos de incertidumbres mayores que los de la prueba 1, lo que claramente afecta el comportamiento y los rangos de los resultados obtenidos.
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Tabla 6. Rangos de incertidumbres promedio para cada una de las variables medidas y propagadas.
Nombre de la variable x Prueba 1 (%) Prueba 2 (%)
Velocidad 0,28 0,2 Presión P 3,73 8,07 Voltaje V 19,7 23,2 Temperatura T 3,49 5,00 Torque M 2,89 3,47 Entalpía h 0,65 0,92 Flujo másico 6,81 11,3 Capacidad de refrigeración 6,87 11,4 Potencia al eje 2,92 3,48 Potencia Indicada 8,76 9,45 Potencia compresor 10,1 13,1 Potencia al carro 8,76 9,45 COP al eje 7,53 12,2 COP compresor 12,4 17,5 Eficiencia mecánica 9,32 10,3 Eficiencia de compresión 13,4 16,5
Eficiencia del compresor 16,4 19,6
Variable Símbolo Rango de incertidumbres
𝜔 𝑚̇ 𝑄𝑒𝑣𝑎 𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛 𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡 𝑊𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑊𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝐶𝑂𝑃𝑖𝑛 𝐶𝑂𝑃𝑜𝑢𝑡 𝜂𝑚𝑒𝑐 𝜂𝑐𝑝 𝜂𝑐𝑜𝑚
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