Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Geóloga / Como objetivos se busca estimar el potencial de climatización con bombas de calor en sectores residenciales de la Región Metropolitana e indicar dónde se cumplen los aspectos físicos necesarios para su implementación. Por un lado, se analizan los intercambiadores horizontales enterrados aproximadamente a un metro y medio del suelo. Se calcula el área de las tuberías a enterrar, considerando la demanda térmica de calefacción de viviendas con distintas dimensiones y la eficiencia del sistema. Se estima que el área de intercambiadores varía entre el triple a doble de la superficie que se desea climatizar. Junto a esto, se analizan los planes reguladores comunales para obtener las superficies mínimas prediales de las zonas residenciales y ver dónde es probable encontrar espacio para instalar el sistema. Se observa que son las zonas periféricas y el sector nororiente del Gran Santiago los que presentan las condiciones requeridas. Otro tipo de intercambiadores son los verticales abiertos. Para analizar su potencial se calculan los caudales de extracción de agua subterránea típicos en la Cuenca de Santiago y el rendimiento del sistema. Con estos caudales se tiene que las potencias generadas superan con creces las demandas térmicas residenciales. También se estima la profundidad de los intercambiadores considerando los abatimientos generados por la actual extracción de agua en la zona, los cuales no son significativos por la extensa presencia de arenas y grava, y el máximo nivel del agua subterránea en los últimos 30 años, donde se detectan zonas con un descenso sostenido en el último tiempo, que requieren mayor cuidado al determinar la profundidad. La profundidad de los intercambiadores se estima por sobre los 150 metros en las comunas cercanas a la zona apical del Abanico del Maipo, para luego ir disminuyendo radialmente, hacia el norte y el este del abanico, y llegar a 20 metros. Considerando los potenciales generados, aspectos físicos y costos de instalación, los intercambiadores horizontales son recomendados para viviendas unifamiliares y los intercambiadores abiertos para edificaciones mayores como edificios o viviendas distritales. / Este trabajo ha sido financiado por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA), proyecto FONDAP 15090013

Ingeniero Civil Mecánico / En las últimas décadas ha aumentado drásticamente el consumo energético mundial, los precios de los combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero. Ante este escenario, las bombas de calor geotérmicas pueden ser una solución de menor consumo energético, de menor costo operacional y menos contaminante que otros sistemas convencionales de calefacción. En este estudio se analiza la factibilidad técnico-económica de la utilización de las bombas de calor geotérmicas combinadas con un sistema solar para calefaccionar edificios en Chile. Los casos de estudio corresponden a edificios de 3, 7 y 11 pisos, ubicados en las localidades de: La Serena, Santiago, Osorno y Coyhaique. En primer lugar, se recopila información de las localidades de estudio y los edificios a nivel nacional. Posteriormente, se estima la demanda térmica de las edificaciones. Luego, se diseñan sistemas de calefacción con calderas a gas y con bombas de calor geotérmicas con apoyo solar. Finalmente, se comparan financieramente los proyectos con bombas de calor geotérmicas, con y sin apoyo solar, respecto a los proyectos de calefacción con calderas a gas. Para el diseño de sistemas se utiliza: losa radiante como sistema de distribución, bombas de calor con colectores verticales cerrados, colectores solares planos y calderas a gas licuado de petróleo (GLP). Los proyectos de calefacción con bombas de calor geotérmicas sin apoyo solar tienen inversiones iniciales 5 veces más grandes que las inversiones iniciales de los proyectos con caldera a gas. Sin embargo, los costos operacionales de los proyectos con caldera a gas son 2,7 veces más altos que los costos operacionales de los proyectos con bombas de calor geotérmicas. En el largo plazo, los menores costos operacionales de los sistemas con bombas de calor geotérmicas permiten recuperar la inversión diferencial respecto al sistema con caldera a gas. Por otro lado, los sistemas geotérmicos con apoyo solar disminuyen la inversión inicial en un 2,7 \% y sus costos operacionales en un 2,5 \%, respecto al caso con solo geotermia. Al contrastar los proyectos con bombas de calor geotérmicas y apoyo solar con los proyectos de calderas a gas en la ciudad de Coyhaique se obtienen tasas internas de retorno del orden del 5,7 \% y períodos de recuperación de 25 a 26 años. En Santiago y Osorno las tasas internas de retorno van desde el 3,9 \% al 4,5 \% y períodos de recuperación entre 35 y 45 años. Por último, en La Serena los períodos de recuperación superan los 50 años. De esta manera, los proyectos con bombas de calor geotérmicas presentan mayores rentabilidades en las localidades ubicadas más al sur de Chile. / Este trabajo forma parte de la investigación FONDAP CONICYT N° 15090013 titulada: Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013 / Made available in DSpace on 2013-12-05T22:54:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 320032.pdf: 8542639 bytes, checksum: 8fbda27f7ebe1f4a5595637d85bbccdc (MD5) / O Brasil possui o segundo maior mercado de piscinas no mundo e este cresce a uma taxa aproximada de 5% ao ano. Nas regiões Sul e Sudeste do Brasil, onde a temporada de calor é reduzida (Dezembro a Março), é necessário algum sistema de aquecimento para aumentar a temporada de banho. Bombas de calor assistidas por energia solar (SA-HP) têm sido estudadas nos EUA desde a década de 80, principalmente no aquecimento de ambientes. A combinação de uma bomba de calor com um sistema de aquecimento solar tende a amenizar várias das desvantagens destes sistemas quando operados separadamente. No inverno, os coletores solares fornecem água a uma temperatura muito baixa para ser utilizada no aquecimento direto, mas esta pode ser utilizada como fonte térmica para uma bomba de calor. Além disso, o sistema solar apresenta uma maior eficiência quando operado com temperaturas baixas, viabilizando a utilização de coletores baratos e sem cobertura. O sistema combinado pode compensar tanto a redução de desempenho do sistema solar convencional durante períodos nublados como a baixa capacidade de aquecimento da bomba de calor em períodos frios. Este estudo apresenta uma análise da viabilidade da utilização de SA-HP para aquecimento de piscinas. A metodologia empregada é baseada na simulação transiente de quatro configurações de sistemas de aquecimento, para uma piscina doméstica de 36m3 com uma superfície de 24m2, localizada em Florianópolis - Santa Catarina. As simulações são realizadas no software Transient System Simulation Tool (TRNSYS), onde o desempenho dos principais componentes, como coletor solar e piscina, são determinados por modelos matemáticos disponíveis na biblioteca de componentes do TRNSYS. Por outro lado, a simulação da bomba de calor é baseada em uma matriz de desempenho, a qual é determinada por um modelo termodinâmico em regime permanente implementado no software Engineering Equation Solver (EES). Esse modelo é validado a partir de dados de desempenho extraídos de um catálogo de um equipamento comercial. As quatro configurações consideradas neste estudo são: a configuração padrão, que utiliza apenas uma bomba de calor ar-água (ASHP); a configuração em paralelo, em que uma bomba de calor ar-água é instalada em paralelo ao sistema solar convencional (SA-ASHP); a configuração em série, em que o sistema de aquecimento solar é conectado em série a uma bomba de calor água-água (SA-WSHP); e a configuração dual-source que é a combinação das duas configurações anteriores, ou seja, utiliza-se uma bomba de calor com dois evaporadores (ar/água-água; SA-DSHP). Nas configurações em série e dual-source considera-se também um circuito de by-pass que possibilita o aquecimento da piscina diretamente pelos coletores solares. Além disso, em todas as configurações considera-se um aquecedor auxiliar para garantir que a temperatura da água da piscina seja mantida entre 27oC e 28oC, durante o ano todo. O desempenho térmico é avaliado em termos da fração solar, enquanto que a viabilidade econômica é quantifica através do life-cycle savings (LCS). Os resultados indicam que a configuração SA-DSHP apresenta o maior desempenho térmico, enquanto que a avaliação econômica mostra que todas as configurações apresentam viabilidade, sendo a configuração ASHP a mais atrativa. Nesse contexto, uma análise de sensibilidade da fração solar é realizada para analisar os efeitos das principais variáveis de projeto. Além disso, realiza-se uma análise de sensibilidade do LCS, em função dos principais parâmetros econômicos, com o intuito de verificar as premissas adotadas e considerar uma maior amplitude de análise.

Ingeniero Civil Mecánico / El escenario energético actual de importación de combustibles fósiles y sus altos precios hacen que el estudio de sistemas alternativos sea un asunto de prioridad para los cuerpos académicos e industriales. Chile es un país con un recurso solar privilegiado. Por lo tanto, la energía solar térmica es interesante dada la limpieza en su operación y versatilidad al momento de implementarla como una fuente de energía térmica en procesos y esto constituye un gran potencial para reemplazar o servir de apoyo a tecnologías tradicionales. Como trabajo de título, se realizó el estudio del rendimiento y las estrategias de control de una planta solar térmica provista por la empresa Renersol y compuesta de 27 m² de paneles solares, una bomba de calor, y un estanque de acumulación. Se elaboró un modelo basado en balances de energía para evaluar su dinámica temporal que fue validado con mediciones en terreno. Este modelo permitió predecir las temperaturas de funcionamiento y el flujo aportado a un proceso, flujo de energía perdida al ambiente, rendimiento instantáneo de colectores, aporte térmico de bomba de calor, consumo eléctrico, y rendimiento acumulado del sistema. Los resultados permiten observar que el modelo predijo de manera aceptable las temperaturas y flujos de energía, y que el rendimiento se ve afectado principalmente por los flujos másicos en los circuitos de calentamiento de agua y consumo. Por otro lado, se analizó la influencia del tamaño del estanque, el criterio de activación, el funcionamiento conjunto con bomba de calor, y el funcionamiento en condiciones de verano e invierno. La bomba de calor se encuentra restringida en su uso debido a las temperaturas máximas a las que puede operar por lo que es necesario divisar una estrategia de uso de los colectores que de condiciones que favorezcan su integración. Se recomienda hacer uso de ambas tecnologías independientemente y sin estrategia de acumulación para un mismo proceso.

Ingeniero Civil Mecánico / La energía geotérmica, ya sea de alta, mediana o baja entalpía, tiene un desarrollo insuficiente en Chile, debido en parte al alto costo de implementación, en conjunto de escasos estudios locales y específicos para el desarrollo de esta. Es por esto que se hace necesario aportar con estudios técnicos y económicos para distintos casos en Chile. El estudio se centra en realizar un análisis técnico-económico para el uso de energía geotérmica de baja entalpía, mediante la utilización de un sistema de climatización residencial evaluando 9 diferentes regiones del país en una vivienda de 77 [m2]. El sistema de climatización se basa en bomba de calor geotérmica (BCG), utilizando intercambiadores de calor geotérmicos (ICG) de tubos enterrados horizontalmente a 1,5 [m] de profundidad en ciclo cerrado y ventiloconvector (fancoil) como sistema de distribución. La metodología que se aborda en este trabajo comprende una primera parte de recolección de antecedentes para la cuantificación de cargas térmicas de la vivienda, para posteriormente dimensionar la bomba de calor geotérmica. Los antecedentes recolectados se integran a un modelo computacional (de MatLab) para la rápida adquisición de resultados por ciudad evaluada, las cuales corresponden a Arica, Calama, Vallenar, Coquimbo, Santiago, Temuco, Valdivia, Coyhaique y Punta Arenas. Con la evaluación técnica definida, se realiza una evaluación económica mediante el costo nivelado de energía (CNdE), para luego desarrollar una comparación entre las distintas ciudades haciendo una valoración de distintas variables como la capacidad térmica de la BCG, la demanda energética de la vivienda, el coeficiente de operatividad (COP), un indicador de transferencia de calor por metro lineal de tubería (que indica la calidad del recurso geotermal de baja entalpía) y el CNdE. El modelo computacional se valida comparando resultados como la carga térmica del hogar, el ciclo termodinámico resultante, el COP y su eficiencia respecto al COP máximo teórico y el indicador de transferencia de calor por metro lineal de tubería, todo respecto a la bibliografía utilizada. La ciudad con menor y mayor potencia térmica de BCG corresponde a Coquimbo y Santiago con 3,11 y 5,31 [kW] respectivamente. Así mismo, la localidad con menor y mayor demanda energética concierne a Coquimbo y Punta Arenas con 7.641 y 19.824 [kWht/año] respectivamente. Por otra parte, la ubicación con mayor y menor COP pertenece a Arica y Coyhaique, con 4,53 y 3,33 (donde el COP mínimo factible para la implementación de BCG es de 2,97). Luego, la zona con mayor índice de transferencia de calor por metro lineal compete a Punta Arenas y Coyhaique con 13,96 [W/m] y Valdivia con el menor índice, de 10,34 [W/m]. Por último, el menor y mayor CNdE corresponde a Punta Arenas y Arica con 54 y 77 [$/kWht] respectivamente. La ciudad recomendada para la implementación de BCG, respecto a la valoración de variables realizada corresponde a Punta Arenas, seguido por Coyhaique y Vallenar.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / El continuo aumento de demanda energética que se viene desarrollando año tras año en Perú, lleva a implementar nuevos sistemas de energía renovable para poder satisfacer las necesidades de confort climático. Para este caso se utiliza una energía renovable que se encuentra en la corteza terrestre y que a una cierta profundidad la temperatura es constante, un sistema basado en energía geotérmica, utilizando esta energía como una fuente inagotable que puede ser extraída de la tierra por medio del bombeo de fluidos calentados en su interior, aprovechando su gran inercia térmica. Es por ella que el objetivo de la investigación es el diseño de una vivienda familiar con las condiciones de confort óptimas para los residentes durante todo el año. Para esto se diseñara y dimensionara una instalación geotérmica para suministro de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria (ACS) mediante una bomba de calor geotérmica. Este dimensionamiento se incluye los sondeos geotérmicos y la selección de la bomba de calor. Cumpliendo con las condiciones básicas del CTE y del RITE durante todo el proceso. / Trabajo de suficiencia profesional

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / El elevado consumo de calefacción y los elevados índices de contaminación ambiental provocado por el consumo leña (u otro combustible fósil) en algunas regiones de Chile. Han motivado al desarrollo del presente trabajo de título como una alternativa eficiente, limpia y sustentable. Este consiste en la realización de estudios prospectivos técnicos-económicos para la implementación de tecnologías de bombas de calor (BC) de fuente de agua superficial (SWHP, Surface Water Heat Pump) para el suministro de calefacción (CC) y agua caliente sanitaria (ACS) en Chile. Específicamente se busca desarrollar el diseño básico de 3 centrales de calefacción distrital, que utilicen como mecanismo de generación de calor los sistemas SWHP para 3 casos de estudio en Chile, en donde el suministro de CC y ACS se realiza mediante la circulación de agua caliente por una red de distribución. Posteriormente se estudia la factibilidad económica de los sistemas diseñados para el modelo de negocio propuesto. Para el desarrollo de este trabajo se emplea la siguiente metodología: i) Recopilación de antecedentes generales, ii) Investigación del estado del arte de los sistemas SWHP, iii) Selección y caracterización de los casos de estudio, iv) Caracterización de la demanda térmica de los casos de estudio, v) Desarrollo de diseños de las centrales de calefacción distrital de tipo RWSHP (River Water Source Heat Pump), SWSHP (Sea Water Source Heat Pump) y LWSHP (Lake Water Source Heat Pump), vi) Análisis de desempeño y eficiencia energética y vii) evaluación de la factibilidad económica de las soluciones. Los principales resultados son los siguientes: RWSHP (Valdivia) SWSHP (S. P. de la Paz) LWSHP (Puerto Octay) Usuarios 553 casas 125 casas y 340 deptos. 5 Edificios públicos Reservorio Río Calle-Calle Océano pacífico Lago Llanquihue Captación Open loop direct Open loop indirect Open loop direct Demanda Térmica 3.533[GWht/año] 2 .859 [GWht/año] 889[GWht/año] 2.989[kW] 2.542[kW] 341[kW] Bomba de Calor (6) Mayekawa N6HK (6) Mayekawa N6HK (1) Sabroe Dual Pack COP Sistema 3,82 3,62 3,94 VAN (10%) 977.579 [USD] 1.046.150 [USD] 582.569 [USD] TIR 13 % 14 % 22 % Tarifa [CLP/kWht] 165 185 162 Se concluye los sistemas SWHP son competitivos para aplicaciones de CC y ACS presentando COP medio de 3,79 y una buena rentabilidad si se considera un modelo de negocio tipo ESCO, sin embargo, las tarifas no son competitivas en relación con el costo de las alternativas convencionales de calefacción; razón por la cual se justifica algún subsidio de gobierno, fijando así el precio en 78 [CLP/kWht] para los usuarios beneficiados con esta tecnología. También aprecia que sistemas SWHP open loop directo (RWSHP y LWSHP) tienen un mejor desempeño en comparación al tipo open loop indirecto (SWSHP), esto se debe a que el directo aprovecha todo el potencial del reservorio; mientras que los indirectos deben entregar parte de ese calor a un fluido secundario para hacer el transporte hacia la BC. Finalmente se observa que el COP del sistema es sensible a la temperatura del reservorio y de la temperatura de diseño a la salida del condensador de la BC (mayor COP a mayor T° del acuífero y menor T° de diseño).

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil Mecánica / En las últimas décadas ha aumentado drásticamente el consumo energético mundial, los precios de los combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero. Ante este escenario, las bombas de calor geotérmicas pueden ser una solución de menor consumo energético, de menor costo operacional y menos contaminante que otros sistemas convencionales de calefacción. En este estudio se analiza la factibilidad técnico-económica de la utilización de las bombas de calor geotérmicas combinadas con un sistema solar para calefaccionar edificios en Chile. Los casos de estudio corresponden a edificios de 3, 7 y 11 pisos, ubicados en las localidades de: La Serena, Santiago, Osorno y Coyhaique. En primer lugar, se recopila información de las localidades de estudio y los edificios a nivel nacional. Posteriormente, se estima la demanda térmica de las edificaciones. Luego, se diseñan sistemas de calefacción con calderas a gas y con bombas de calor geotérmicas con apoyo solar. Finalmente, se comparan financieramente los proyectos con bombas de calor geotérmicas, con y sin apoyo solar, respecto a los proyectos de calefacción con calderas a gas. Para el diseño de sistemas se utiliza: losa radiante como sistema de distribución, bombas de calor con colectores verticales cerrados, colectores solares planos y calderas a gas licuado de petróleo (GLP). Los proyectos de calefacción con bombas de calor geotérmicas sin apoyo solar tienen inversiones iniciales 5 veces más grandes que las inversiones iniciales de los proyectos con caldera a gas. Sin embargo, los costos operacionales de los proyectos con caldera a gas son 2,7 veces más altos que los costos operacionales de los proyectos con bombas de calor geotérmicas. En el largo plazo, los menores costos operacionales de los sistemas con bombas de calor geotérmicas permiten recuperar la inversión diferencial respecto al sistema con caldera a gas. Por otro lado, los sistemas geotérmicos con apoyo solar disminuyen la inversión inicial en un 2,7% y sus costos operacionales en un 2,5 %, respecto al caso con solo geotermia. Al contrastar los proyectos con bombas de calor geotérmicas y apoyo solar con los proyectos de calderas a gas en la ciudad de Coyhaique se obtienen tasas internas de retorno del orden del 5,7% y períodos de recuperación de 25 a 26 años. En Santiago y Osorno las tasas internas de retorno van desde el 3,9% al 4,5% y períodos de recuperación entre 35 y 45 años. Por último, en La Serena los períodos de recuperación superan los 50 años. De esta manera, los proyectos con bombas de calor geotérmicas presentan mayores rentabilidades en las localidades ubicadas más al sur de Chile.

Processos de refinação de petróleo caracterizam-se pelo intenso consumo energético. Dentre as mais variadas operações presentes nesta indústria, a separação de correntes por torres de destilação apresenta posição de destaque, despendendo mais de 40% da energia gasta por uma refinaria. Plantas de separação de propeno, importante produto para a indústria petroquímica visando a produção de polipropileno, se enquadram neste sentido, requerendo torres de destilação de considerável uso energético. Apesar da grande rejeição de calor referente a este consumo, por apresentar baixo nível térmico associado, frequentemente não se observa o seu aproveitamento. Neste contexto, bombas de calor apresentam-se como excelente alternativa para recuperação energética de correntes de rejeito térmico, com vastos exemplos na literatura aplicados à indústria e, especificamente associados a torres de destilação. Neste trabalho avaliou-se, por meio de modelagem e simulação computacional, a aplicação de duas modalidades de bomba de calor em ciclo de compressão de vapor (compressão de topo e compressão do fundo despressurizado), e uma em ciclo de absorção, integradas a uma planta de separação de propeno de uma refinaria localizada no Brasil, comparativamente a uma planta equivalente utilizando processo de destilação convencional com refervedor de fundo e condensador de topo. Para as premissas definidas no trabalho, verificou-se como o melhor resultado, a aplicação da bomba de calor por compressão de vapor de topo da coluna de destilação, o qual demonstra que 4,1 MW associado ao trabalho de eixo do compressor, torna possível uma economia energética de mais de 80% do consumo de vapor dágua e água de resfriamento, se comparados à planta convencional, sem a utilização de bomba de calor. Cálculos de rendimento exergético demonstram a melhor configuração ser 2,4 vezes mais eficiente que o modelo convencional. Limitações de troca térmica foram observadas no estudo de caso da bomba de calor de compressão de fundo despressurizado, demandando uma recirculação adicional de propano ao ciclo, com consequente redução de rendimento exergético a um patamar intermediário entre o caso convencional e o melhor resultado observado. Já para a bomba de calor de absorção, verificou-se, para o fluido de trabalho praticado e condição simulada, resultado aquém da situação convencional. Por fim, avalia-se que a aplicação de fonte térmica alternativa (vapor sub-atmosférico), de baixo conteúdo exergético, ainda que de difícil obtenção junto à refinaria, poderia viabilizar a inversão dos resultados observados, recomendando a sua verificação de uso para estudos futuros. / Oil refining process are recognized by its very intense energy consumption. In this industry, distillation columns are extensively used for product separation. Contributing with more than 40% of refinery energy consumption, distillation units typically require high level of heat rejection, frequently not capable of being directly used, due to its low temperature profile. In this scenario, the distillation of propylene, important product for petrochemical industry is set as one of the most energy intense refinery process. Process integration using heat pumps are considered an excellent choice to provide waste heat upgrade, with numerous examples applied to industry and specifically for distillation towers cited in the literature. In this work, two different vapor compression heat pump cycles (tower overhead compression and bottom flash compression) and an absorption heat pump cycle were applied to a propylene distillation facility located at a Brazilian refinery, in a comparison analysis with a conventional distillation process with typical bottom reboiler and overhead condenser. Considering the defined basis, the overhead vapor compression scheme has shown the better result, since its shaft compressor work of 4.1 MW, integrated to the tower allows reducing more than 80% of steam and cooling water consumption originally associated. An exergetic analysis was performed, confirming the proposal scheme to be 2.4 times more efficient than the process without heat pump integration. An intermediate result, between the conventional distillation and associated overhead vapor compression heat pump was observed in the bottom flash case, since, as consequence of a heat exchange bottlenecking, an additional propane compression loop had to be applied. With regards to the absorption heat pump scheme, considering the chosen fluid and the plant work conditions, no advantage was observed in comparison to the conventional case. In time, an alternative utility (vacuum steam), with low exergy content, was applied to the conventional system, replacing the low pressure steam originally used. Besides its difficult practical application, the alternative utility has proved to be able to reverse the previous work results, thus, further studies are recommended regarding its viability of use.