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Desarrollo y validación experimental de modelos de transferencia de calor y masa avanzados para la condensación de refrigerantes usados en sistemas de refrigeración por compresión

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Desarrollo y validación experimental de modelos de transferencia de calor y masa avanzados para la condensación de refrigerantes usados en sistemas de refrigeración por compresión

Martinez Suarez, Jose Antonio
 
DATE : 2017-11-03
UNIVERSAL IDENTIFIER : http://hdl.handle.net/11093/878
UNESCO SUBJECT : 3328.16 Transferencia de Calor ; 3328.07 Destilación y Condensación
DOCUMENT TYPE : doctoralThesis

ABSTRACT :

Actualmente, en cumplimiento del Protocolo de Montreal, los HFCs son los principales sustitutos de los CFCs y HCFCs en los sistemas de refrigeración por compresión. Sin embargo, los últimos estudios sobre el calentamiento global del planeta y las exigencias del Protocolo de Kyoto han reflejado la necesidad de introducir una nueva generación de refrigerantes con un potencial de calentamiento atmosférico (PCA) más bajo que el de los actuales HFCs, así como la de promover políticas orientadas al desarrollo de equipos de refrigeración de mayor eficiencia energética, que utilicen refrigerantes con PCA menores y que en definitiva produzcan un menor impacto medioambiental. Muchos de los refrigerantes sustitutivos que se están proponiendo son mezclas zeotrópicas, cuya utilización en sistemas de refrigeración incorpora importantes diferencias respecto a las sustancias puras que se venían utilizando. En concreto, diversos estudios reflejan que, debido a la existencia de procesos simultáneos de transferencia de calor y masa que se dan con las mezclas, los criterios de cálculo de intercambi ... [+]
Actualmente, en cumplimiento del Protocolo de Montreal, los HFCs son los principales sustitutos de los CFCs y HCFCs en los sistemas de refrigeración por compresión. Sin embargo, los últimos estudios sobre el calentamiento global del planeta y las exigencias del Protocolo de Kyoto han reflejado la necesidad de introducir una nueva generación de refrigerantes con un potencial de calentamiento atmosférico (PCA) más bajo que el de los actuales HFCs, así como la de promover políticas orientadas al desarrollo de equipos de refrigeración de mayor eficiencia energética, que utilicen refrigerantes con PCA menores y que en definitiva produzcan un menor impacto medioambiental. Muchos de los refrigerantes sustitutivos que se están proponiendo son mezclas zeotrópicas, cuya utilización en sistemas de refrigeración incorpora importantes diferencias respecto a las sustancias puras que se venían utilizando. En concreto, diversos estudios reflejan que, debido a la existencia de procesos simultáneos de transferencia de calor y masa que se dan con las mezclas, los criterios de cálculo de intercambiadores de calor que se venían utilizando con sustancias puras deben ser perfeccionados, puesto que en caso contrario se producirán importantes errores de cálculo. Se ha demostrado que la simple sustitución de un refrigerante por otro con un menor PCA, puede producir un impacto medioambiental mayor debido a una menor eficiencia energética del sistema si no se modela y rediseña de forma adecuada sus intercambiadores de calor. El proceso de condensación de una mezcla zeotrópica es un campo de trabajo actual, como se concluye del número de publicaciones científicas al respecto. Puede decirse que existen dos diferencias fundamentales en comparación con la condensación de una sustancia pura. La primera está relacionada con los efectos de la resistencia a la transferencia de masa sobre la rapidez del proceso de condensación total y de las distintas especies. La segunda diferencia es que el punto de rocío de la fase vapor va variando a medida que se produce el proceso de condensación. Las diferencias fundamentales entre la ebullición de una sustancia pura y una mezcla zeotrópica son similares a las comentadas para la condensación. En la literatura científica existen multitud de trabajos sobre condensación y ebullición en los que los procesos de transferencia de calor y de masa se abordan mediante el uso de coeficientes de transporte obtenidos experimentalmente. Muchos de los modelos teóricos que se utilizan actualmente y de los resultados experimentales publicados, están basados en coeficientes de transferencia que se calculan en base a distintas teorías como la teoría de la película o la teoría de la penetración. Sin embargo, estos modelos proporcionan una visión reducida de la realidad del problema. En el caso de los estudios experimentales que se utilizan para calcular coeficientes de transferencia, en muchas ocasiones los efectos combinados de transferencia de calor, masa y de las relaciones de equilibrio líquido-vapor no son fáciles de separar, por lo que los coeficientes experimentales publicados obedecen a varios factores, dando lugar a que sus valores dependan, más de lo que sería previsible, de algunas variables como la concentración o temperaturas que se han utilizado durante los ensayos. Esto provoca que la información publicada de estos estudios sea, en ocasiones, difícil de utilizar y, probablemente, no extrapolables a una mezcla distinta de la analizada. Por ello es necesario desarrollar modelos avanzados que permitan simular los procesos de condensación y ebullición de mezclas zeotrópicas mediante el planteamiento y resolución de las ecuaciones en derivadas parciales de conservación de la masa, especies, cantidad de movimiento y energía, a lo que habría que añadir las ecuaciones algebraicas que permitiesen determinar el estado termodinámico de la mezcla y sus propiedades de transporte, que en general serán bastante complicadas y lejanas de poder considerarse lineales. En general, la resolución de un problema de este tipo es bastante complicada y no puede abordarse de forma analítica, necesitándose un método numérico de solución como es el método de elementos finitos o de volúmenes finitos. Teniendo todo esto en cuenta, los objetivos que se plantean en la elaboración de esta tesis doctoral son: - Desarrollo y resolución numérica de modelos de cálculo avanzados que permitan modelar de forma precisa los fenómenos de transferencia de calor y masa que tienen lugar durante los procesos de condensación y ebullición con mezclas utilizadas en sistemas de refrigeración. - Validación experimental de los modelos mediante el diseño, construcción y evaluación de un prototipo experimental que permita caracterizar los procesos de condensación y ebullición con mezclas utilizadas en sistemas de refrigeración. [-]
 
Actualmente, en cumprimento do Protocolo de Montreal, os HFCs son os principais sustitututivos dos CFCs e os HCFCs nos sistemas de refrixeración por compresión. Sen embargo, os últimos estudos sobre o quecemento global no planeta e as esixencias do Protocolo de Kyoto reflexan a necesidade de introducir una nova xeración de refrixerantes cun potencial de quecemento atmosférico (PCA) mais baixo có dos actuais HFCs [2], así como a de promover políticas orientadas o desenvolvemento de equipos de refrixeración de maior eficiencia enerxética, que utilicen refrixerantes con PCA menor e que en definitiva produzan un menor impacto ambiental. Moitos dos refrixerantes sustitutivos que se están propoñendo son mesturas zeotrópicas, a súa utilización en sistemas de refrixeración incorpora importantes diferenzas respecto ás sustancias puras que se viñan utilizando. Concretamente, diversos estudos reflexan que, debido a existencia de procesos simultáneos de transferencia de calor e masa que se dan coas mesturas, os criterios de cálculo de intercambiadores de calor que se viñan utilizando con ... [+]
Actualmente, en cumprimento do Protocolo de Montreal, os HFCs son os principais sustitututivos dos CFCs e os HCFCs nos sistemas de refrixeración por compresión. Sen embargo, os últimos estudos sobre o quecemento global no planeta e as esixencias do Protocolo de Kyoto reflexan a necesidade de introducir una nova xeración de refrixerantes cun potencial de quecemento atmosférico (PCA) mais baixo có dos actuais HFCs [2], así como a de promover políticas orientadas o desenvolvemento de equipos de refrixeración de maior eficiencia enerxética, que utilicen refrixerantes con PCA menor e que en definitiva produzan un menor impacto ambiental. Moitos dos refrixerantes sustitutivos que se están propoñendo son mesturas zeotrópicas, a súa utilización en sistemas de refrixeración incorpora importantes diferenzas respecto ás sustancias puras que se viñan utilizando. Concretamente, diversos estudos reflexan que, debido a existencia de procesos simultáneos de transferencia de calor e masa que se dan coas mesturas, os criterios de cálculo de intercambiadores de calor que se viñan utilizando con sustancias puras deben ser perfeccionados, debido a que en caso contrario produciríanse importantes erros de cálculo. Demostrouse que a substitución simple dun refrixerante por outro con menor PCA, pode producir un impacto ambiental maior debido a unha menor eficiencia enerxética do sistema se non se modela e rediseñan, de forma adecuada, os seus intercambiadores de calor. O proceso de condensación dunha mestura zeotrópica e un dos campos de traballo actuais, como se conclúe no número de publicacións científicas ó respecto. Pode dicirse que existen dúas diferenzas fundamentais en comparación coa condensación dunha sustancia pura. A primeira está relacionada cos efectos da resistencia a transferencia de masa sobre a rapidez do proceso de condensación total e das distintas especies. A segunda e que o punto de rocío da fase vapor vai variando a medida que se produce o proceso de condensación. As diferenzas fundamentais entre a ebullición dunha sustancia pura e unha mestura zeotrópica son similares ás comentadas para a condensación. Na literatura científica existen multitude de traballos sobre condensación e ebullición nos que os procesos de transferencia de calor e masa abórdanse mediante o uso de coeficientes de transporte obtidos experimentalmente. Moitos dos modelos teóricos que se utilizan actualmente e os resultados experimentais publicados baséanse en coeficientes de transferencia que se calculan en base a distintas teorías como a teoría da película ou a teoría da penetración. Sen embargo, estes modelos proporcionan unha visión reducida da realidade do problema. No caso dos estudos experimentais que se usan para calcular coeficientes de transferencia, en moitas ocasións os efectos combinados de transferencia de calor, masa e das relacións de equilibrio líquido-vapor non son fáciles de separar, polo que os coeficientes experimentais publicados obedecen a varios factores, dando lugar a que os seus valores dependan, mais do que sería previsible, dalgunhas variables como a concentración ou temperaturas que se utilizaron durante os ensaios. Isto provoca que a información publicada dos estudos sexa, en ocasións, difícil de utilizar e, probablemente, non extrapolable a unha mestura distinta da analizada. Por elo é necesario desenvolver modelos avanzados que permitan simular os procesos de condensación e ebullición de mesturas zeotrópicas mediante o plantexamento e resolución de ecuacións en derivadas parciais de conservación de masa, especies, cantidade de movemento e enerxía, a o que habería que engadir as ecuacións alxebraicas que permitan determinar o estado termodinámico da mestura e as súas propiedades de transporte, que en xeral serán bastante complicadas e distantes de poder considerarse lineais. En xeral, a resolución dun problema deste tipo é bastante complicada e non pode abordarse de forma analítica, necesitándose un método numérico de solución como é o método de elementos finitos ou de volumes finitos. Tendo en conta todo isto, os obxectivos que se plantexan na elaboración desta tese doutoral son: - Desenvolvemento e resolución numérica de modelos de cálculo avanzados que permitan modelar de forma precisa os fenómenos de transferencia de calor e masa que teñen lugar durante os procesos de condensación e ebullición con mesturas utilizadas en sistemas de refrixeración. - Validación experimental dos modelos mediante o deseño, construción e avaliación dun prototipo experimental que permita caracterizar os procesos de condensación e ebullición con mesturas utilizadas en sistemas de refrixeración. [-]

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