Simulación numérica y validación experimental de evaporadores, condensadores y tubos capilares.
Integración en sistemas de refrigeración por compresión
Octavio García Valladares
Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor
Introducción Introducción
FLUJO BIFÁSICO (LÍQUIDO−VAPOR)
INTERCAMBIADORES DE TIPO TUBULAR CONCÉNTRICO
INTERCAMBIADORES DE TIPO COMPACTO
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN DEL TIPO CAPILAR
Flujo bifásico (líquido−vapor) Flujo bifásico (líquido−vapor)
FLUJO BIFÁSICOFLUJO BIFÁSICO
� Formulación matemática
� Evaluación de coeficientes empíricos
� Diferenciación entre regiones
� Algoritmos numéricos de resolución
� Análisis de geometrías complejas
� Estudios numéricos
� Validación del código
Método tramo a tramo
Método de corrección de presiones
Formulación matemática Formulación matemática
ECUACIONES GOBERNANTES
Ecuación de Continuidad: [ ] 0tm1i
im =∂∂++&
Ecuación de la Energía:
[ ]
( ) zPq~
tm
lele
~tp~
zAtle
~
lm
tge~
gm
tgm
le~g
e~1i
ilegegm1iilem
~
∆=∂∂−+
∂∂∆−
∂
∂
+∂
∂+
∂∂
−+
+
−++
&
&&
Ecuación de Cantidad de Movimiento :
[ ] [ ] mgsinèzPô~A1iip
tm~
z1iillm
1i
iggm w −∆−+−=∂∂∆+++
+
&&& νν
donde [ ] iX1iX1iiX −+=+ .
Flujo a través de un VC
HIPÓTESIS
� Flujo unidimensional.
� Modelo de flujo separado.
� Volúmenes de control fijos.
� Fluido Newtoniano.
� Flujos de calor en la dirección axial del flujo despreciables.
� Transferencia de calor por radiación despreciable.
...h);f(p,ñh);f(p,gxh);f(p,T ===
Propiedades termofísicas (REFPROP v5.0 NIST):
Coeficientes empíricos:
2
2w
ñAm
81
ô~fÖ
&=
( )fw TT
qá
−=
&
SvOutPlaceObject
Comparación de coeficientes empíricos Comparación de coeficientes empíricos
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR (CONDENSACIÓN)*
*Datos experimentales del artículo de Dobson et al. (1994)
Resolución de las ecuaciones gobernantes Resolución de las ecuaciones gobernantes
Método tramo a tramo (step by step) Método de corrección de presiones
SvOutPlaceObjectid1iöic1iöibiöia +−++=
Ecuación genérica ( )T,...,mh,p,ö &=
Transición entre regiones
(1/2)(1/2)
Resolución de las ecuaciones gobernantes Resolución de las ecuaciones gobernantes
Condiciones de contorno
( )entradagxóTp,,m −−&
( ) ( )salidapyentradagxóTp, −−
( ) ( )salidapyentradagxóT,m −−&
�
�
�
� )fTwâá(Twqâ)(1q −+−= &&
Criterio de convergencia
äÄö
1iö*
1iö<+
−+ ( )T,...,mh,p,ö &=
Condición de contorno especial para la p�:La única condición de contorno
cuya resolución es directa es:
( )entradagxóTp,,m −−&
Método tramo a tramo (step by step) Método de corrección de presiones
0/’ =∂∂ zp’
21
2’
Qp
bA
b
bm
bk
zb
db
Ab
bm
bk
zb
d
bp
ρ
ρ
&
&
∆+±
∆=ó
(2/2)(2/2)
Estudios numéricos Estudios numéricos
Criterio de Transición 1 Criterio de Transición 2n zbc (m) zec (m) Tout (ºC) zbc (m) zec (m) Tout (ºC)10 0.300
(20.5%)3.000
(8.4%)35.52(3.7%)
0.248(0.4%)
2.728(1.4%)
34.05(0.6%)
20 0.300(20.5%)
2.850(3.0%)
34.68(1.2%)
0.249(0.0%)
2.756(0.4%)
34.19(0.2%)
50 0.300(20.5%)
2.820(1.9%)
34.52(0.8%)
0.249(0.0%)
2.765(0.1%)
34.24(0.1%)
100 0.270(8.4%)
2.790(0.8%)
34.37(0.3%)
0.249(0.0%)
2.768(0.0%)
34.25(0.0%)
200 0.255(2.4%)
2.775(0.2%)
34.29(0.1%)
0.249(0.0%)
2.768(0.0%)
34.26(0.0%)
500 0.252(1.2%)
2.772(0.1%)
34.27(0.0%)
0.249(0.0%)
2.768(0.0%)
34.26(0.0%)
1000 0.252(1.2%)
2.772(0.1%)
34.27(0.0%)
0.249(0.0%)
2.768(0.0%)
34.26(0.0%)
2000 0.250(0.4%)
2.770(0.1%)
34.27(0.0%)
0.249 2.768 34.26
Criterio de transición (Método tramo a tramo)
δ=1x10−1 δ=1x10−3
n t=0 s 50 100 150 200 tcpu* t=0 s 50 100 150 200 tcpu*
10 34.05 34.38 34.67 34.88 35.03 1 34.05 34.38 34.67 34.88 35.03 1.6020 34.20 34.52 34.81 35.02 35.15 1.90 34.20 34.52 34.81 35.02 35.15 2.60
50 34.24 34.60 34.87 35.07 35.21 3.80 34.24 34.60 34.87 35.07 35.21 5.40100 34.25 34.61 34.88 35.08 35.23 7.50 34.25 34.61 34.88 35.08 35.23 10.30200 34.26 34.61 34.89 35.09 35.24 14.90 34.26 34.62 34.89 35.09 35.23 20.50
500 34.26 34.63 34.89 35.09 35.24 37.89 34.26 34.62 34.89 35.09 35.24 48.891000 34.26 34.65 34.90 35.09 35.24 75.69 34.26 34.62 34.89 35.09 35.24 96.982000 34.26 34.65 34.91 35.10 35.24 141.47 34.26 34.62 34.89 35.09 35.24 193.06
(1/2)(1/2)
Estudios numéricos Estudios numéricos
Comparación entre el método de corrección de presiones y el tramo a tramo
50 VC�s
200 VC�s
25 VC�s
(2/2)(2/2)
Validación del código Validación del código
Comparación con resultados experimentales de Jung y Didion (evaporación)
PRUEBA 278
−15
−10
−5
0
5
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Distancia [m]
Tem
pera
tura
[ºC
]
3,90
3,95
4,00
4,05
4,10
4,15
4,20
4,25
4,30
Pre
sión
[bar
]
Tfluido num
Tpared num
Tarriba
Tizq
Tabajo
Tder
Tflluido exp
Presión num
Presión exp
PRUEBA 455
−5
0
5
10
15
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Distancia [m]
Tem
pera
tura
[ºC
]
3,4
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
4,0
Pre
sión
[bar
]
Tfluido num
Tpared num
Tarriba
Tizq
Tabajo
Tder
Tflluido exp
Presión num
Presión exp
Fluido: R22 Fluido: R12/R152a (60/40% fracción molar)Prueba 278(tramo 1): pin=4.285 bar, Tin=−12.8ºC, min=32.38g/s, qw=10060 W/m2. Prueba 455(tramo 1): pin=3.91 bar, Tin=−7.0ºC, min=33.05g/s,
qw=10100 W/m2.
Prueba 278(tramo 2): pin=4.189 bar, xgin=0.131, min=32.38g/s, qw=10060 W/m2. Prueba 455(tramo 2): pin=3.80 bar, xgin=0.149, min=33.05g/s, qw=10100
W/m2.
Dispositivos de expansión de tipo capilar Dispositivos de expansión de tipo capilar
Distribución de presiones típica a lo largo de un capilar
Discretización espacial para un tubo de expansión capilar Condiciones de contorno
( ) ( )salidapyentradagxóTp, −−
( ) ( )salidapyentradagxóT,m −−&
�
�
(1/5)(1/5)
Dispositivos de expansión de tipo capilar Dispositivos de expansión de tipo capilar
FLUJO
HOMOGÉNEO
FLUJO NO
HOMOGÉNEO
Refri−
gerante
∆Tsub
[oC]
pin
[bar]
pout
[bar]
D
[mm]
L
[m]
experimen−
tal
[g/s]Owen
[g/s]
Dev.
[%]
McAdams
[g/s]
Dev.
[%] [g/s]
Dev.
[%]
Biblio−
grafía
2.0 10.55 1.456 0.74 2.9 0.940 0.960 2.13 1.029 9.47 0.904 −3.83
6.0 10.55 1.698 0.74 2.9 0.940 1.105 17.55 1.155 22.87 1.067 13.51
Maczeh,K., et al.
1983
8.5 10.10 3.0 1.25 0.747 9.167 9.032 −1.42 9.117 −0.55 9.140 −0.29
R12
8.5 10.10 3.0 1.62 0.747 18.06 17.358 −3.89 17.457 −3.34 17.607 −2.51
6.0 10.12 3.0 1.25 0.747 8.611 8.294 −3.68 8.390 −2.57 8.454 −1.82
R22 33 14.80 3.0 1.25 0.747 17.05 17.118 0.40 17.118 0.40 17.118 0.40
13 6.91 1.5 1.62 0.747 15.83 15.037 −5.01 15.040 −4.99 15.387 −2.80R114
8.5 10.10 3.0 1.25 0.747 9.167 8.564 −6.58 8.707 −5.02 8.546 −6.77
Schulz,
U. W.,
1987
4 9.20 4.23 0.77 2.926 1.01 1.019 0.89 1.065 5.45 0.961 −4.85
12 9.20 4.23 0.77 2.926 1.19 1.287 8.15 1.307 9.83 1.257 5.63
4 9.20 4.23 0.77 2.009 1.20 1.256 4.67 1.308 9.00 1.195 −0.42R12
12 9.20 4.23 0.77 2.009 1.43 1.585 10.84 1.607 12.38 1.558 8.95
4 9.21 4.12 0.77 2.926 0.94 0.954 1.49 1.000 6.38 0.908 −3.40
12 9.21 4.12 0.77 2.926 1.12 1.230 9.82 1.249 11.52 1.209 7.95
4 11.26 4.12 0.77 2.009 1.28 1.355 5.86 1.423 11.17 1.309 2.27R134a
12 11.26 4.12 0.77 2.009 1.50 1.711 14.07 1.743 16.2 1.695 13.0
4 9.26 2.22 0.77 2.926 0.64 0.634 −0.94 0.671 4.84 0.610 −4.69
12 9.26 2.22 0.77 2.926 0.79 0.801 1.39 0.822 4.05 0.791 0.13
4 11.25 2.22 0.77 2.009 0.87 0.887 1.95 0.936 7.59 0.860 −1.15R600a12 11.25 2.22 0.77 2.009 1.02 1.099 7.75 1.126 10.39 1.089 6.76
Melo, C.
et al.,
1994
5.56 9.67 4.12 0.838 3.048 1.47 1.293 −12.04 1.343 −8.64 1.246 −15.24
11.11 9.61 4.12 0.838 3.048 1.66 1.520 −8.43 1.549 −6.69 1.494 −10.0
16.67 9.70 4.12 0.838 3.048 1.82 1.716 −5.71 1.731 −4.89 1.701 −6.54R134a
Dev. Promedio (44 casos) [%] = nn
iiDev∑
=1)(
7.79 9.51 6.95
Wijaya,
H.,1992
(2/5)(2/5)
Dispositivos de expansión de tipo capilarDispositivos de expansión de tipo capilar
Comparación con resultados experimentales de Li et al. para capilar adiabático
(3/5)(3/5)
Dispositivos de expansión de tipo capilar Dispositivos de expansión de tipo capilar
Comparación con resultados experimentales de Mikol para capilar adiabático
•Geometría: L=1.829m, D=1.41mm, θ=0º, ξ/D=3.8x10−4
•Caso 1: •Fluido: R12•Condiciones de contorno:
Fluido(z=0): Tin=Tsat(p=8.03 bar)=32.781ºC según REFPROP pin=8.58 bar, pout=3.72 bar (líquido subenfriado)
•Caso 2: •Fluido: R22•Condiciones de contorno:
Fluido(z=0): Tin=Tsat(p=15.58 bar)=40.65ºC según REFPROP pin=16.41 bar, pout=4.0 bar (líquido subenfriado)
caso 1 caso 2
3
4
5
6
7
8
9
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9
Distancia [m]
Pre
sió
n [
bar
]
02468101214161820222426283032343638
Tem
per
atu
ra [
ºC]
Presión num
Presión exp
Temp num
Temp exp
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9
Distancia [m]
Pre
sió
n [
bar
]
−5
5
15
25
35
45
Tem
per
atu
ra [
ºC]
Presión num
Presión exp
Temp num
Temp exp
Fluido m&exp [kg/h] m&num [kg/h]
R12 21.23 20.52 (3.34%)
R22 30.70 30.67 (0.10%)
(4/5)(4/5)
Dispositivos de expansión de tipo capilar Dispositivos de expansión de tipo capilar
Comparación con resultados experimentales de Sami y Tribes para capilar adiabático
caso 1 caso 2
•Geometría del capilar : L=1.25m, D=1.9mm, θ=0º, ξ/D=1.3x10−2
•Fluido utilizado: R410A (R32/R125 � 50%/50% en masa)
•Caso 1: •Condiciones de contorno:
Fluido(z=0): Tin=28ºC, pin=18.478 bar, pout=4.689 bar (líquido subenfriado)
•Caso 2: •Condiciones de contorno:
Fluido(z=0): xgin=0.019, pin=21.65 bar, pout=4.757 bar (líquido+vapor)
Caso m&exp [kg/h] m&num [kg/h]
1 57.9 56.0 (3.23%)
2 58.0 55.9 (3.54%)
(5/5)(5/5)
Condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntrico Condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntrico
Discretización de intercambiador tubular concéntrico
Flujo de calor en elementos sólidos
( ) ( )t
hmAeqwqznPnqsPsq
∂
∂=−+∆−
~~~~~ &&&&Ecuación de la energía:
VC en contacto con un sólido: ( )xzTxxq ∂∂−= λ~&
VC en contacto con un fluido : ( )solido
Tfluido
Txq −= α~&
(1/4)(1/4)
Condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntrico Condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntrico
Comparación con resultados experimentales trabajando con R134a
Resultados
Tin
[ºC]
Tout
[ºC]
m&
[kg/h]
aux,cm&
[kg/h]
Tc,i
[ºC]
Tc,o
[ºC]
pc
[bar]
Experimental 74.74 24.75 6.33 4.00 23.07 24.72 13.87
Numérico (74.74) 24.63 (6.33) (4.00) (23.07) 24.43 (13.87)
Resultados
Tin
[ºC]
Tout
[ºC]
m&
[kg/h]
aux,em&
[kg/h]
Te,i
[ºC]
Te,o
[ºC]
pe
[bar]
xgin
Experimental −19.60 19.22 6.33 3.00 19.24 18.28 1.357 −
Numérico (−19.60) 19.22 (6.33) (3.00) (19.24) 17.69 (1.357) (0.272)
Evaporador
Condensador
Evaporador de doble tubo
•Geometría: L=6 m, D1,D2,D3,D4,D5=8, 9.6, 16, 20, 58 mm, ξ =1.5x10−6 m, θ=0º•Tubo: Condiciones de contorno(z=0):Tin=−19.6ºC, pin=1.357 bar,min=6.33kg/h(líquido subenfriado)•Ánulo: Condiciones de contorno (z=L): Tin= 19.24ºC, pin = 1.0 bar, min=3 kg/h (líquido subenfriado)
Condensador de doble tubo
•Geometría: L=2 m, D1,D2,D3,D4,D5=6, 8, 16, 20, 58 mm, ξ =1.5x10−6 m, θ=0º•Tubo: Condiciones de contorno(z=0):Tin=74.74ºC, pin=13.87 bar, min=6.33kg/h(líquido subenfriado)•Ánulo: Condiciones de contorno (z=L): Tin= 23.07ºC, pin = 1.0 bar, min=4 kg/h (líquido subenfriado) Coincidencias en ambos intercambiadores•Configuración del flujo: flujo contracorriente•Ánulo: Fluido: agua (H2O)
•Pared del tubo: material: cobre. Condiciones de contorno: extremos adiabáticos.•Aislante: material: ARMAFLEX.•Temperatura ambiente: 22.63ºC.
•Parámetros numéricos: δ=1x10−7 , nz=400 , nr=5.
(2/4)(2/4)
Condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntrico Condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntrico
Resultados ilustrativos (Evaporador de doble tubo)
•Geometría: L=6 m, D1,D2,D3,D4,D5=6, 8, 16, 20, 25 mm, ξ =1x10−6 m, θ=0º
•Configuración del flujo: flujo contracorriente•Tubo: Fluido: amoníaco (NH3)
Condiciones de contorno (z=0): Tin= 8 ºC, pin= 6.15 bar,=6.329kg/h (líquido subenfriado)•Ánulo: Fluido: agua (H2O)
Condiciones de contorno (z=L): Tin= 25 ºC, pin = 1.0 bar,=360kg/h (líquido subenfriado)
•Pared del tubo: material: acero inoxidable Condiciones de contorno: extremos adiabáticos.
•Aislante: material: ARMAFLEX.•Temperatura ambiente: 25ºC.
•Parámetros numéricos: δ=1x10−7 , nz=400 , nr=5, Estado permanente.
(3/4)(3/4)
Condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntrico Condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntrico (4/4)(4/4)
Comparación con resultados experimentales de Melo et al.
Intercambiador de calor con un tubo capilar concéntrico
Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas) Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)
lx
flujo deaire
flujo derefrigerante
lx
x
z
y
Ny
.
.
.
.
.
.1
1
.
ly
lz
Nz
1. ..
1 . . Nx
Discretización del cuerpo de un intercambiador de aleta y tubos.
Arreglos de tubos Tipos de aletasTubos aleteados interiormente
(1/6)(1/6)
Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas) Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)
Comparación con resultados experimentales de Wang et al. para condensadores trabajando con R22
Arreglo de los tubos Tres bolillos (Staggered)
N úmero de tubos en X (profundidad) 2
N úmero de tubos en Y (altura) 12
N úmero de circuitos 1
Longitud de la aleta en X [mm] 391
Longitud de la aleta en Y [mm] 305
Longitud del in tercambiador en Z [mm] 595
Paso del tubo en X (P l) [mm] 19.05
Paso del tubo en Y (P t) [mm] 25.4
Paso entre aletas (S a) [mm] 1.7
Espesor de la aleta [mm] 0.12
Tipo de aleta O ndulada
Longitud de media onda (x f) [mm] 4.7625
Longitud de la cresta al valle (pd) [mm] 1.18
D iámetro exterior del tubo expandido (D) [mm] 10.24
Espesor del tubo [mm] 0.343
Humedad relativa del aire a la entrada 0.50
Temperatura del aire a la entrada [ºC] 25.0
Presión del aire a la entrada [bar] 1.0
Velocidades frontales del aire [m/s] 0.4, 0.7, 1.0, 1.5 y 2.0
Temperatura de entrada del refrigerante [ºC] 51.0 (vapor sobrecalentado)
Presión de entrada del refrigerante [bar] 17.292 (presión de saturación a 45ºC según REFPROP)
Velocidad másica del refrigerante [kg/m2s] 200
Geometría
Condiciones de contorno
(2/6)(2/6)
Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas) Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)
Comparación con resultados experimentales de Wang et al. para condensadores trabajando con R22
−0,2
−0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Velocidad frontal del aire [m/s]
Cal
idad
a la
sal
ida
Arreglo (C)
Arreglo (D)
Arreglo (F)
Arreglo (C) exp
Arreglo (D) exp
Arreglo (F) exp
−0,2
−0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Velocidad frontal del aire [m/s]
Cal
idad
a la
sal
ida
Arreglo (A)
Arreglo (B)
Arreglo (E)
Arreglo (A) exp
Arreglo (B) exp
Arreglo (E) exp
(3/6)(3/6)
Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas) Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)
Aleta Continua Aleta Cortada
Transferencia de calor [kW] 2.640 2.713
Temperatura de salida del refrigerante [ºC] 30.38 25.72
Calidad termodinámica a la salida −0.120 −0.158
Mejoras para incrementar el rendimiento del condensadores del arreglo (A) del artículo de Wang et al.
Tfi
nTfi
n
Aleta continua Aleta cortada
(4/6)(4/6)
Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas) Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)
Contrastación con resultados experimentales de condensadores de la empresa Centauro Internacional
CASO B1 B2
Longitud de la aleta en X [mm] 132
Longitud de la aleta en Y [mm] 914.4
Longitud del intercambiador en Z [mm] 980
Paso del tubo en X (Pl) [mm] 33.0
Paso del tubo en Y (Pt) [mm] 38.1
Paso entre aletas (Sa) [mm] 2.1
Espesor de la aleta [mm] 0.12
Tipo de aleta Ondulada
Longitud de media onda (xf) [mm] 8.24
Longitud de la cresta al valle (pd)[mm] 1.58
Diámetro exterior del tubo expandido (D) [mm] 13.2
Espesor del tubo [mm] 0.42
Tipo de tubo Liso Crossfin
M O D E L O M eto fin V A 1 2 7 3 6 V A 4 0 /7 0 B
N ú m ero d e a letas 7 0D iám etro in te rio r m áx im o (D i , m ax ) [ m m ] 1 2 .3 6
Altu ra d e la s a le tas (h al) [ m m ] 0 .2 2
Esp eso r d e la b ase d e la ale ta (e ) [m m ] 0 .1 6
Á n g u lo d e h é lice (h e lix ) [g rad o s] 2 0Á n g u lo d e áp ice (ap p ex )[g rad o s] 1 8 0
AIRE
(5/6)(5/6)
Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas) Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)
Contrastación con resultados experimentales de condensadores de la empresa Centauro Internacional
Caso B1(tubo liso)
B2(tubo aleteado)
Resultados Experimental Numérico Experimental NuméricoTemperatura salida del refrigerante [ºC] 36.7 37.87 36.3 36.37
Capacidad [kW] 25.7 25.53 28.3 28.41Diferencia de entalpías (entrada−salida) [kJ/kg] 188.9 187.87 190.4 190.71Caída de presión (refrigerante) [bar] 0.416 0.273 0.605 0.673
AIRE REFRIGERANTETemperatura de salida 36.10 [ºC] 36.37 [ºC]
Caída de presión 84.93 [Pa] 67.35 [hPa]Flujo 7830 [m3/h] 134.16 [kg/h] (rama 1)
133.83 [kg/h] (rama 2)133.80 [kg/h] (rama 3)133.71 [kg/h] (rama 4)
Capacidad 28.41 [kW]
Tubo aleteado (caso B2)
(6/6)(6/6)
(1/3)(1/3)Evaporadores de tipo compacto (carcaza y tubos) Evaporadores de tipo compacto (carcaza y tubos)
(3/3)(3/3)Evaporadores de tipo compacto (carcaza y tubos) Evaporadores de tipo compacto (carcaza y tubos)
Comparación de resultados numéricos y experimentales para
la capacidad térmica del evaporador de amoníaco
Simulación numérica del evaporador de amoníaco
Sistemas de refrigeración por compresión de vapor Sistemas de refrigeración por compresión de vapor
Sistema de refrigeración estándar de una sola etapa
Esquema de la unidad de refrigeración por compresión de una sola etapa
Elemento CMP TCC CND TCE EXP TEE EVP TECDatos p2, T1, m&1 p3, T2, m&2 p4, T3, m&3 p5,T4, m&4 p6, T5, m&5 p7, xg6, m&6 p8, xg7, m&7 p1, T8, m&8
Resultados p1, T2, m&2 p2, T3, m&3 p3, T4, m&4 p4,T5, m&5 p5, xg6, m&6 p6, xg7, m&7 p7, T8, m&8 p8, T1, m&1
Elemento CMP TCC CND TCE EXP TEE EVP TECDatos p2, T1, m& p2, T2, m& p3, T3, m& p4,T4, m& p5, T5, p6 p7, xg6, m& p8, xg7, m& p1, T8, m&
Resultados p1, T2 p3, T3 p4, T4 p5,T5 xg6, m& p6, xg7 p7, T8 p8, T1
Transferencia de información del algoritmo transitorio
Transferencia de información del algoritmo permanente
(1/3)(1/3)
Sistemas de refrigeración por compresión de vapor Sistemas de refrigeración por compresión de vapor
Unidad experimental
(2/3)(2/3)
Sistemas de refrigeración por compresión de vapor Sistemas de refrigeración por compresión de vapor
Contrastación entre resultados numéricos y experimentales (R134a)
Resultados T5 [ºC] T6 [ºC] m& [kg/h] pc [bar] pe [bar] xg
Experimental 23.45 −19.48 6.33 1.357 13.87 −
Numérico (23.45) −19.48 6.37 (1.357) (13.87) 0.272
Tubo de expansión del tipo capilar
T1
[ºC]
T2
[ºC]
T3
[ºC]
T4
[ºC]
T5
[ºC]
T6
[ºC]
T7
[ºC]
T8
[ºC]
xg6 xg7 m&
[kg/h]
exp 20.11 98.54 74.74 24.71 23.45 −19.48 −19.60 19.22 6.33
num 19.42 97.17 76.79 24.72 24.23 −18.87 −18.91 19.20 0.27 0.29 6.36
pc
[bar]
pe
[bar]
Tc,i
[ºC]
Tc,o
[ºC]
aux,cm&
[kg/h]
Te,i
[ºC]
Te,o
[ºC]
aux ,em&
[kg/h]
Tamb
[ºC]
exp 13.87 1.357 23.07 24.72 4.00 19.24 18.28 3.00 22.63
num (13.87) 1.367 (23.07) 24.48 (4.00) (19.24) 18.72 (3.00) (22.63)
Ciclo de Refrigeración
(3/3)(3/3)
Sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido Sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido
Esquema del circuito
No
Sí
Datos iniciales: Geometria, condiciones de contorno
pc*, pe*
Recipiente de baja presión
Intercambiador auxiliar
Flujos másicos
Conexiones: caída de presión, flujo de calor
Mapa de presiones, entalpias y flujos másicosFin
pc*=pcpe*=pe
Evaporador
Compresor
Condensador
Botella de líquido
|pc*−pc|<error
|pe*−pe|<error
Dispositivo expansión
Diagrama de flujo para la resolución
(1/3)(1/3)
Sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido Sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido
Resultados numéricos
(2/3)(2/3)
Sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido Sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido
Resultados numéricos
(3/3)(3/3)
Sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquidoSistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido
Unidad Experimental
CRC Cámara de compensación/regulaciónHUHumidificadorBABalanzaCFECámara de refrigeraciónCEResistencias eléctricasCMICaudalímetro másico de inserción EVEvaporadorHOHomogeneizadorDFDifusor
HU
CE
HOD
F
CRC
CFE
Tubo API−ASTM 18 "
BA
EV
Ducto flexible
8 m
Separación entre la cámara y el suelo a través de tabiques de plástico
Difusor extraíble
amortiguadores + balanza
CMI
Tubo galvanizado
Diferenciación entre regionesDiferenciación entre regiones
Líquido
subenfríado
h(p)<hbub(p),
p>psatbub,
xg=0
Evaporación
subenfríada
h(p)<hbub(p),
p>psatbub,
xg=0
(Tw−T)> (Tw−
Tsat)onb.
Región de flujo
bifásico
hbub(p)≤h(p)≤hdew(p),
psatbub ≥ p≥psatdew,
0<xg < xgdryout.
Región de
postdryout
hbub(p)≤h(p)≤hdew(p),
psatbub ≥ p≥psatdew,
xgdryouy<xg <1.
Región de vapor
sobrecalentado
h(p)>hdew(p),
p<psatdew,
xg=1.
Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)
Contrastación con resultados experimentales de evaporadores de la empresa Centauro Internacional
CASO C1 C2
Arreglo de los tubos Tres bolillos (Staggered)
Longitud de la aleta en X [mm] 165.0 264.0
Longitud de la aleta en Y [mm] 304.8 533.4
Longitud del intercambiador en Z [mm] 600 650
Paso entre aletas (Sa) [mm] 3.2 4.2
Espesor de la aleta [mm] 0.15 0.19
Tipo de aleta Ondulada
Diámetro exterior del tubo expandido (D) [mm] 13.2
Espesor del tubo [mm] 0.42
Tipo de tubo Liso
AIRE
CA SO C1 C2Prueba C1−1 C1−2 C2−2 C2−3Humedad relativa del aire a la entrada 0.38 0.59 0.41 0.47Temperatura del aire a la entrada [ºC] 10.0 0.1 10.1 0.0
Presión del aire a la entrada [bar] 0.959 0.959 0.957 0.959Flujo de aire [m3/h] 1405 2800
Calidad del refrigerante a la entrada 0.1783 0.222 0.192 0.212
Presión del refrigerante a la entrada [bar] 4.98 3.81 4.97 3.80
Flujo de refrigerante [kg/h] 38.6 31.5 130.5 104.3
Condiciones de contorno
Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)Condensadores y evaporadores de tipo compacto (tubos y aletas)
Contrastación con resultados experimentales de evaporadores de la empresa Centauro Internacional
M odelo C 1
Prueba C1−1 C1−2
Resultados Experimental N umérico Experimental N umérico
Temperatura de salida del aire [ºC] 6.2 6.43 −2.7 −2.61
Temperatura salida del refrigerante [ºC] 5.3 9.66 −3.4 −0.13
Capacidad [kW ] 1.84 1.87 1.46 1.48
D iferencia de entalpías (entrada−salida) [kJ/kg] 171.7 173.6 167.1 167.9
M odelo C2
Prueba C2−1 C2−2
Resultados Experimental Numérico Experimental Numérico
Temperatura de salida del aire [ºC] 3.8 4.19 −4.8 −5.07
Temperatura salida del refrigerante [ºC] 5.5 9.0 −3.2 −1.1
Capacidad [kW ] 6.14 6.19 4.9 4.92Diferencia de entalpías (entrada−salida) [kJ/kg] 169.3 170.6 169.3 169.5
ENSAYO C2−1 C2−2FLUIDO AIRE REFRIGERANTE AIRE REFRIGERANTE
Temperatura de salida 4.19 [ºC] 9.0 [ºC] −5.07 [ºC] −1.1 [ºC]
Caída de presión 75.91 [Pa] 85.2 [hPa] 89.25 [Pa] 72.18 [hPa]
Flujo 2800 [m3/h] 32.17 [kg/h] (rama 1)32.25 [kg/h] (rama 2)32.82 [kg/h] (rama 3)33.26 [kg/h] (rama 4)
2800 [m3/h] 25.55 [kg/h] (rama 1)25.82 [kg/h] (rama 2)26.44 [kg/h] (rama 3)26.49 [kg/h] (rama 4)
Capacidad [kW] 6.19 4.92
Ensayo C2−2
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