Simulación numérica y validación experimental de evaporadores, condensadores y tubos capilares. Integración en sistemas de refrigeración por compresión

Abstract

La presente Tesis centra la atención en la simulación numérica y validación experimental del comportamiento térmico y fluido-dinámico de flujos bifásicos (líquido-vapor), así como su aplicación en sistemas y equipos térmicos, propios del campo de la refrigeración y del aire acondicionado. Consecuencia del estudio realizado ha sido la elaboración de códigos informáticos para la simulación numérica de condensadores, evaporadores y dispositivos de expansión del tipo capilar, en base a la formulación de las ecuaciones gobernantes sobre volúmenes de control finitos. La Tesis también aborda la simulación de sistemas frigoríficos completos en base a algoritmos que acoplan la resolución de los elementos que lo integran.<br/><br/>El flujo bifásico se ha modelizado en base a la resolución de las ecuaciones gobernantes sobre volúmenes de control finitos, escritas en forma unidimensional y estado permanente o transitorio. Las ecuaciones gobernantes se resuelven mediante esquemas numéricos del tipo implícito que avanzan tramo a tramo en la dirección del flujo o bien esquemas numéricos basados en corrección de presiones. La formulación implementada requiere de información empírica para evaluar la interacción entre el fluido y los contornos sólidos limitantes, así como la estructura del flujo bifásico. Las formulaciones matemáticas implementadas han sido suficientemente contrastadas experimentalmente en base a resultados presentados en la literatura científica. <br/><br/>El modelo implementado para la simulación del flujo a través de tubos capilares, utiliza la modelización del flujo bifásico, resolviéndose en base a un algoritmo de tipo tramo a tramo. El caudal másico que circula por el capilar, o alternativamente la presión de entrada, se evalúan en base a un algoritmo Newton-Raphson, tanto para las condiciones de flujo crítico (estrangulado) como de flujo no crítico. La comparación realizada entre resultados numéricos y experimentales de diferentes autores muestra un notable grado de correlación. <br/><br/>El modelo implementado para la simulación de condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntricos, se ha estructurado en base a un algoritmo que en forma segregada e iterativa resuelve cada una de las partes del dominio: flujo en el interior del tubo, flujo en el ánulo, y los sólidos (tubo interior, tubo exterior, aislante). Para las zonas de flujo de fluido se utiliza el modelo desarrollado para flujo bifásico. Para los sólidos, la ecuación de conducción de calor se ha discretizado en base a un esquema numérico implícito del tipo central difference, resolviéndose el sistema de ecuaciones algebraicas en base a un algoritmo Gauss-Seidel apoyado en un TDMA en las direcciones radiales y axiales alternativamente. El tubo aislado ha recibido un tratamiento tridimensional axialsimétrico, mientras que el tubo interior recibe un tratamiento unidimensional.<br/>El estudio de evaporadores y condensadores de tipo compacto (tubos y aletas). La simulación desarrollada del flujo bifásico se ha implementado en un algoritmo numérico detallado de resolución del flujo del aire exterior y de los sólidos. Así de forma acoplada se resuelve el flujo en el interior de los conductos, el flujo de aire exterior y la transferencia de calor por conducción a través de los elementos sólidos (tubos y aletas). Se presentan distintos resultados experimentales con fines a la contrastación y validación de las subrutinas desarrolladas. <br/><br/>La integración de los diferentes equipos anteriores mencionados en sistemas de refrigeración por compresión de vapor se realiza mediante un modelo numérico para la resolución tanto de sistemas de refrigeración por compresión de una sola etapa, como de sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido. Ambos algoritmos numéricos se basan en un programa principal el cual llama de manera secuencial a diferentes subrutinas que evalúan los diferentes equipos y partes del sistema hasta que se alcanza la convergencia deseada. Se detalla la infraestructura experimental desarrollada con el objeto de validar las simulaciones numéricas para cada uno de los elementos integrantes del sistema y del sistema en su conjunto. Se presenta la contrastación entre resultados experimentales y numéricos para los sistemas de refrigeración por compresión de una sola etapa, así como resultados numéricos obtenidos por la simulación para el caso del sistema con sobrealimentación de líquido.