Simulación numérica y validación experimental de evaporadores ...

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)


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)


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)


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)


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)


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)


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


(2/6)(2/6)


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)


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)


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


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)


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)


Unidad experimental

(2/3)(2/3)


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)


Resultados numéricos

(2/3)(2/3)


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

Análisis flujo bifásico (líquido−vapor)Análisis flujo bifásico (líquido−vapor)

CONDENSACIÓN

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


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


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

Simulación numérica y validación experimental de evaporadores ...

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