Development of experimental and numerical infrastructures for the study of compact heat exchangers and liquid overfeed refrigeration systems

Abstract

Se ha desarrollado y construido una infraestructura experimental orientada a la validación de modelos de intercambiadores compactos de aletas y tubos y sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido. El objetivo ha sido la obtención de datos experimentales fiables, con condiciones geométricas y de contorno exactamente definidas, para poder compararlos inequívocamente con resultados de simulaciones numéricas. <br/><br/>Se presentan los modelos matemáticos, objetivo de la validación, y una descripción detallada del circuito de aire, del refrigerante líquido, y del refrigerante de cambio de fase, que integran la infraestructura.<br/><br/>Estos tres circuitos están encargados de asegurar condiciones estables y controladas para los prototipos ensayados y para el sistema de refrigeración con sobrealimentación de líquido, en un amplio rango de temperaturas, flujos másicos y potencias. <br/><br/>El diseño permite el ensayo de prototipos de intercambiadores de calor con diferentes geometrías y dimensiones. <br/><br/>Se presentan detalladamente los instrumentos de medida con sus precisiones, montaje, se describen también los componentes y los parámetros de la unidad de adquisición de datos.<br/><br/>Especial atención se ha dedicado a la calibración de los instrumentos de medida como parte esencial del proceso de preparación de los ensayos. Se describe el proceso de estimación de las incertidumbres sistemáticas de los sensores calibrados. Se expone en detalle la formulación y la metodología adoptada para el análisis de incertidumbre de los resultados experimentales.<br/><br/>El procesamiento y el análisis de los datos experimentales se ha realizado en forma automática con un código computacional especialmente desarrollado, encargado de calcular los resultados a partir de las variablas medidas, de llevar a cabo el análisis de incertidumbres detallado, y de comparar los resultados numéricos y experimentales.<br/><br/>Se presentan resultados experimentales obtenidos con la infraestructura experimental desarrollada. Se presentan estudios detallados de intercambiadores de calor compactos en condiciones de enfriamiento de aire, utilizando refrigerante líquido y de cambio de fase. Se presentan también resultados del estudio experimental del sistema de refrigeración con sobrealimentación de líquido. Los resultados han sido comprobados y verificados a través de balances energéticos en todos los componentes, donde la misma magnitud física ha sido evaluada de mediciones independientes. Con el objetivo de permitir el uso mas general de los resultados experimentales se presentan también los datos crudos de las variables medidas durante los ensayos.<br/><br/>Se ha propuesto una metodología de validación para el modelo de intercambiadores compactos, basada en comparaciones sistemáticas de resultados numéricos y experimentales. Estas comparaciones han sido analizadas en términos estadísticos con el objetivo de cuantificar las diferencias observadas y dar una evaluación global de las prestaciones del modelo numérico en las condiciones ensayadas. La metodología propuesta para la validación del modelo de intercambiadores compactos puede ser utilizada como base para metodologías de validación en general.

Experimental infrastructures intended for validation of compact heat exchanger models, and models of liquid overfeed refrigeration systems have been developed and constructed. The aim has been the obtaining of reliable experimental data from tests at exactly defined geometrical and boundary conditions, permitting the unequivocal comparisons with numerical simulation results. <br/><br/>The mathematical models are presented and detailed description of the airhandling, the liquid refrigerant, and phase-changing refrigerant circuits integrating the experimental infrastructure is given.<br/><br/>These three circuits are encharged to provide stable controlled conditions for the tested prototypes and the liquid overfeed system in the desired range of temperatures, fluid flows, and capacities. <br/><br/>The design permits the accommodation of heat exchanger prototypes with different geometry and sizes.<br/><br/>Detailed overview of the measuring instruments is presented, with their accuracies and mounting, and the components and parameters of the data acquisition system are described.<br/><br/>Special attention has been paid to the calibration of the measuring instruments as an essential part of the test preparation. The process of estimation of the systematic uncertainties in the calibrated sensors measurements is described. The formulation and the methodology adopted for the uncertainty analysis of the experimental results is exposed in detail.<br/><br/>The experimental data processing and analysis has been performed automatically with a specially developed program encharged with the calculation of the experimental results from the measured variables, the detailed uncertainty analysis, and the numerical to experimental results comparisons.<br/><br/>Experimental results obtained with the developed infrastructure are presented. Detailed studies of compact heat exchangers under cooling conditions, using liquid and phase-changing refrigerants, are performed and presented. Results from the experimental studies of the liquid overfeed refrigeration system are also presented. The results have been checked and verified through energy balance checks for all the components where measurements of the same physical magnitude can be contrasted with independent measurements. In order to give more general use of the obtained experimental data, the raw measured variables during the tests are also presented.<br/><br/>An experimental validation methodology for the compact heat exchanger model has been proposed, based on systematic comparisons between numerical and experimental results. The comparisons have been analysed in statistical terms in order to quantify the observed differences and to give global evaluation of the numerical model performance in the tested conditions. The methodology proposed for validation of the heat exchanger model can be used as a basis for validation methodology for numerical models in general.