[ES] Debido a la crisis climática, es necesario encontrar fuentes alternativas para la climatización de locales y la producción de agua caliente sanitaria (ACS). Las bombas de calor se presentan como una alternativa excelente para sustituir a las calderas y así poder reducir las emisiones de gases contaminantes. En obra nueva, si se dispone de acceso al terreno o a una masa de agua, las bombas de calor agua-agua o salmuera-agua son altamente recomendadas debido a sus numerosas ventajas. El principal problema que presentan las bombas de calor es el refrigerante que contienen, ya que en la actualidad no existe refrigerante que sea a la vez barato, seguro y con propiedades termodinámicas óptimas. La tendencia en el futuro cercano en bombas de calor utilizadas para la calefacción de locales es volver al uso de refrigerantes naturales como los hidrocarburos y las hidrofluorolefinas. Estos refrigerantes presentan problemas de seguridad debido a su inflamabilidad o toxicidad y es por eso que, en caso de carecer de medidas de seguridad adicionales, la cantidad de refrigerante está limitada. En esta tesis se presenta un trabajo experimental sobre una bomba de calor salmuera-agua trabajando con poca cantidad de R290. La campaña experimental fue pensada para obtener resultados beneficiosos sobre cuál es el actual potencial de este tipo de tecnología tras la limitación de la carga de refrigerante, para desarrollar formas de reducción de carga de refrigerante en los sistemas y para mejorar las simulaciones de predicción de la cantidad necesaria de refrigerante. La campaña experimental está dividida en dos partes, cada una enfocada en uno de los siguientes objetivos: la primera en conocer el actual comportamiento anual de esa bomba de calor y la segunda para desarrollar estrategias de reducción de carga de refrigerante. En cada campaña experimental se almaceno tanto los datos de funcionamiento como la cantidad de refrigerante que había en cada uno de los componentes. La instalación estaba equipada con las herramientas necesarias para la toma de datos durante el funcionamiento de la bomba de calor y también era capaz de sectorizarla asilando cada uno de los componentes para poder extraer y pesar el refrigerante y así conocer que cantidad había en cada zona. Con los datos recogidos, se ha podido observar diferencias entre la predicción de carga de refrigerante en los diferentes componentes y la medida experimentalmente, y también se ha encontrado alguna de las causas de esa discrepancia, pudiendo así corregir el modelo. Para ello, se ha desarrollado un modelo de compresor y al modelo existente de intercambiadores de calor se le ha añadido un volumen muerto de refrigerante. Con estos cambios la predicción ha mejorado notablemente en el modelo utilizado y en la actualidad se puede utilizar para conocer una aproximación del refrigerante necesario. / [CA] A causa de la crisi climàtica, és necessari enden fonts alternatives per a la climatització dels locals i la endencia d'aigua calenta sanitaria (ACS). Les bombes de calor es presenten com una alternativa excel·lent per a substituir a les calderes i així poder reduir les emissions de gasos contaminants. En obra nova, si es disposa d'accés al terreny o a una massa d'aigua, les bombes de calor aigua-aigua o salmorra-aigua són endencia recomanades a causa dels seus nombrosos avantatges. El principal problema que presenten les bombes de calor és el refrigerant que contenen, ja que en l'actualitat no existeix refrigerant que siga alhora barat, segur i amb propietats termodinàmiques òptimes. La tendencia actual en bombes de calor utilitzades per a la calefacció d'espais, és tornar a l'ús de refrigerants naturals com els hidrocarburs i les hidrofluorolefines. Aquests refrigerants presenten problemes de seguretat a causa de la seua inflamabilitat o toxicitat i és per això que, en cas de mancar de mesures de seguretat addicionals, la quantitat de refrigerant està limitada. En aquesta tesi es presenta un treball experimental sobre una bomba de calor salmorra-aigua treballant amb poca quantitat de R290. La campanya experimental va ser pensada per a obtindre resultats beneficiosos sobre quin és l'actual potencial d'aquesta mena de tecnologia després de la limitació de la càrrega de refrigerant, per a desenvolupar formes de reducció de càrrega de refrigerant en els sistemes i per a millorar les simulacions de predicció de la quantitat necessària de refrigerant. La campanya experimental està dividida en dues parts, cadascuna enfocada en un dels següents objectius: la primera a conéixer l'actual comportament anual d'aqueixa bomba de calor i la segona per a desenvolupar estratègies de reducció de càrrega de refrigerant. En cada campanya experimental s'emmagatzeme tant les dades de funcionament com la quantitat de refrigerant que hi havia en cadascun dels components. La instal·lació estava equipada amb les eines necessàries per a la presa de dades durant el funcionament de la bomba de calor i també era capaç de sectoritzar-la asilant cadascun dels components per a poder extraure i pesar el refrigerant i així conéixer que quantitat hi havia en cada zona. Amb les dades recollides, s'ha pogut observar diferències entre la predicció de càrrega de refrigerant i la mesura experimentalment, i també s'ha trobat alguna de les causes d'aqueixa discrepància, podent així corregir el model. Per a això, s'ha desenvolupat un model de compressor i al model existent de bescanviadors de calor se li ha afegit un volum mort de refrigerant. Amb aquests canvis la predicció ha millorat notablement i en l'actualitat es pot utilitzar per a conéixer una aproximació del refrigerant necessari. / [EN] Due to the climate crisis, there is a need to find alternative energy sources for space heating, cooling, and domestic hot water (DHW) production. Heat pumps are an excellent alternative to substitute current boilers to reduce gas emissions. A liquid source heat pump is highly recommended in new buildings with access to land or water due to its significant advantages. The main problem with this technology is that it uses a refrigerant inside, and there is no refrigerant with good performance, cheap and safe to handle. The near future trend in heat pumps used for space heating is to use pure refrigerants such as natural refrigerants and HFOs. These refrigerants (except CO2) have safety issues (flammability or toxicity); consequently, a maximum amount of refrigerant is allowed without considering extra safety measures. This PhD presents an experimental work with a ground source heat pump (GSHP) with a low R290 refrigerant amount. This experimental campaign is helpful to know the current achievable performance derived from the limitation of refrigerant amount, to develop refrigerant charge reduction strategies and to improve existing simulation software based on refrigerant charge prediction. The experimental campaign was divided into two parts to focus separately on normal annual behaviour and refrigerant charge reduction strategies. In each test campaign, performance data was recorded during the test, and the refrigerant charge amount in each component was extracted and weighed after the end of each test. The installation had the tools to acquire data from the vapour compression circuit, isolate the components, and extract and weigh the refrigerant to know how much refrigerant was inside each section. With the data collected, it was observed that the differences in refrigerant charge prediction in the components with the software used were significant, and some causes of these differences have been identified, correcting the prediction model. So, a compressor model has been developed, and a dead volume has been added to the refrigerant charge calculation in heat exchangers. With these changes, the refrigerant prediction has greatly improved in the model used and could be a reliable approximation. / Gracias a la Universitat Politècnica de València por brindarme la financiación y los medios a través del programas “Ayudas para movilidad de estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València” y “Programa de Ayudas de investigación y Desarrollo” (PAID-01-17) / Sánchez-Moreno Giner, L. (2023). Research about Refrigerant Charge in Domestic Heat Pumps [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196786

In view of the fact that most of the synthetic refrigerants, in case of leakage or release, are harmful to the environment by contributing in global warming or depleting stratospheric ozone layer, many research works have been done recently to find alternative refrigerants posing no or negligible threat to the environment. Among alternative refrigerants, ammonia, a natural refrigerant with zero Global Warming Potential (GWP) and Ozone Depletion Potential (ODP), can be a sensible choice.Although ammonia has been used for many years in large industrial systems, its application in small units is rare. In this project a small heat pump with about 7 kW heating capacity at -5 °C and +40 °C evaporation and condensation temperatures is designed and built to work with ammonia as refrigerant. The heat pump is expected to produce enough heat to keep a single-family house warm in Sweden and to provide tap hot water for the house. After successful completion of this project, it is planned to install the heat pump in a house to test it throughout a heating season to study its performance in real working conditions.Since ammonia is flammable and toxic in high concentrations, the refrigerant charge is tried to be kept low in the heat pump to reduce the risk of fire or poisoning in case of unwanted release of refrigerant to the surroundings. The compact design of the heat pump helps reducing the refrigerant charge. Besides, considering the limited space normally reserved for installation of a heat pump in a house, the compact design of the heat pump is necessary.

[pt] A tecnologia automotiva moderna alcança progressos consideráveis tanto no aspecto mecânico como funcional, com esses avanços tecnológicos, o maior progresso foi feito na estrutura dos automóveis e dos sistemas de ar condicionado. O presente trabalho é desenvolvido considerando a importância da utilização de gás refrigerante, já que se tornou um assunto ambiental de grande importância pelo fato de ter um papel na destruição da camada de ozônio. Foi construída uma bancada experimental que consta de duas câmaras isoladas para a colocação do equipamento, instrumentos, dispositivos de medição e geração de carga térmica, em seguida foi montado um condicionador de ar automotivo composto por componentes originais do sistema de condicionamento de ar de um automóvel para simular funcionamentos, com a finalidade de avaliar os parâmetros de funcionamento afetados quando são utilizadas diferentes cargas de gás refrigerante. Foram realizados testes controlando a temperatura e umidade constantes no habitáculo automotivo (câmara 1), para variações de temperatura na câmara (2), da vazão mássica no sistema e variações de torque e velocidade, no sistema motor - compressor, com diferentes quantidades de gás refrigerante originando situações de insuficiência de carga, carga adequada e sobre carga. Para o controle da carga térmica dentro das câmaras foram utilizados controladores de potência e um software aplicativo. Os parâmetros de operação do equipamento foram obtidos e arquivados mediante um sistema automático de aquisição de dados. Os resultados experimentais mostraram o comportamento real do ciclo de refrigeração, a queda de pressão nas linhas de descarga e de sucção, assim como no condensador e no evaporador. Apresenta-se o sub-resfriamento do refrigerante na saída do condensador bem como o superaquecimento na sucção. Verifica-se uma tendência politrópica, no lugar do processo isentrópico do ciclo ideal. Esta divergência do ciclo faz com que a temperatura de descarga do compressor (T2) seja elevada. A carga de gás refrigerante exerce influência no desempenho de um sistema de condicionamento de ar e os resultados do presente trabalho concordaram bem com as expectativas teóricas do problema considerado. / [en] The modern automotive technology reaches considerable progress s in the mechanical aspect as in the functional, with these technological advances, the biggest progress was made in the structure of the automobiles and in the air conditioning systems. Considering the importance of the use of refrigerant, the present work is developed, because the refrigerant gas became a great importance ambient subject for its paper in the ozone layer destruction. An experimental bench was constructed; it consists of two isolated chambers, where equipment, instruments, devices of measurement and thermal load generation were installed. After that, an automotive air conditioner was mounted, made up of original components from an automobile air conditioning system to simulate operation, with the purpose to evaluate the operation parameters affected when using different refrigerant loads. Tests with constant temperature and humidity in the simulated automotive chamber (1) for variations of chamber (2) temperature, of mass outflow in the system and variations of torque and speed in the motor-compressor system were performed with different refrigerating amounts creating situations of insufficient load, adequate load and over load. For the chambers thermal load controlling, power controlling and appropriate software were used. The equipment operational parameters had been gotten and filed by means of an automatic data acquisition system. The experimental results had shown the real behavior of the refrigeration cycle, the pressure drop in the discharge and suction lines, as well as in the condenser and the evaporator. Also the refrigerant sub-cooling in the exit of the condenser, the gas overheating in the suction, the polytrophic trend instead of the ideal cycle isentropic process was observed. This divergence from the ideal cycle makes the discharge compressor temperature (T2) was higher. The refrigerant gas charge influences the performance of an air conditioning system and the present work results agreed well with the theoretical expectations for the considered problem.

La tesis que a continuación se presenta surge como una respuesta práctica al problema medioambiental relacionado con el empleo de sustancias sintéticas como fluidos de trabajo en muchos de los equipos de climatización comercializados en la actualidad. Con su desarrollo se busca dar alternativas a la creciente demanda de sistemas de climatización eficientes que contribuyan a la optimización de los recursos energéticos. Uno de los objetivos planteados en el desarrollo de la tesis ha sido el diseñar y evaluar experimentalmente el comportamiento de diferentes prototipos experimentales de bombas de calor, particularmente de tipo agua-agua con el uso del propano como refrigerante. La caracterización de los prototipos se llevó a cabo realizando diferentes estudios de carga con la finalidad de determinar la mínima cantidad de propano en cada sistema para obtener las máximas prestaciones en cuanto a COP y capacidad. Los estudios han mostrado que los elementos principales, como el compresor o los intercambiadores de calor presentan mayores rendimientos con el uso del propano en comparación a algunos refrigerantes sintéticos como el R407C. Esto se debe en gran medida a las excelentes propiedades termodinámicas y de transporte del propano, así como a la evolución que este refrigerante tiene a través de los componentes del sistema. En cuanto a la carga óptima de propano, se han obtenido cargas de refrigerante próximas a los 500 gramos, que han permitido obtener coeficientes de operación elevados bajo condiciones de trabajo típicas de calefacción y refrigeración, así como capacidades específicas de refrigeración entre 25 y 33 Wattios por gramo de propano. / Martínez Galván, IO. (2008). Estudio experimental de optimización de una bomba de calor agua-agua empleando propano como fluido de trabajo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3344