Aportaciones al estudio de la condensación de refrigerantes puros y mezclas sobre tubos lisos y mejorados

Resumo

El objetivo de esta tesis ha sido el estudio, tanto experimental como teórico, de la transmisión de calor en procesos de condensación sobre tubos horizontales de varios de los refrigerantes que se están posicionando como solución a la prohibición del uso de los refrigerantes tradicionales. Para ello, se ha construido un banco de ensayos que permite medir coeficientes de condensación sobre diversos tipos de tubos mediante la aplicación del método de Wilson de forma indirecta. Se han recogido datos experimentales con cinco tipos de tubos diferentes: dos tubos lisos, fabricados en cobre y titanio; un tubo micro-aleteado 2D tipo Trufin con 32 fpi (aletas por pulgada) de titanio, un tubo micro-aleteado 3D tipo Turbo-C con 40 fpi de aleación de cuproníquel 90/10% y un tubo corrugado tipo Turbo Helix de acero AISI-316L. Los tubos lisos y micro-aleteados tienen un diámetro nominal exterior de 19,05 mm (¿ de pulgada), mientras que el del tubo corrugado es de 20 mm. Los fluidos estudiados han sido R134a y NH3, dos de los refrigerantes puros alternativos más utilizados; y las mezclas de última generación R417A, R422A y R422D, que están surgiendo como sustitutos directos del R22. También se han recogido datos para el R22 a modo de referencia. Los resultados experimentales obtenidos para R134a y NH3 se han comparado con varios modelos disponibles en la literatura para la evaluación de coeficientes de condensación de fluidos puros sobre tubos lisos y con superficies mejoradas. Por otra parte, se ha realizado un estudio teórico del proceso de condensación de mezclas zeotrópicas ternarias sobre tubos lisos y sus resultados se han comparado con los datos experimentales recogidos en el banco de ensayos con las mezclas estudiadas. En el capítulo 1 se realiza una breve introducción al problema actual al que se enfrenta la industria del aire acondicionado y la refrigeración como consecuencia de las legislaciones internacionales que han derivado en la prohibición del uso de los refrigerantes tradicionales y se plantean las alternativas que se están considerando para su sustitución. A continuación, se realiza una revisión bibliográfica de los trabajos que aportan datos experimentales y modelos de cálculo de los coeficientes de condensación sobre tubos horizontales lisos y mejorados. En el capítulo 2 se describe el banco de ensayos construido y se detalla su funcionamiento. También se describen el sistema de adquisición de datos, prestando especial atención a los sensores utilizados, así como el software desarrollado para su gestión. Por último, se indican las especificaciones técnicas de los tubos utilizados en el trabajo. En el capítulo 3 se revisan inicialmente las técnicas de medición de coeficientes de convección basadas en el método de Wilson y, posteriormente, se describe la metodología experimental específica utilizada en este trabajo. También se describe el tratamiento de incertidumbres y se discute la validez de la metodología experimental desarrollada. En el capítulo 4 se exponen los resultados experimentales obtenidos con los refrigerantes puros. Inicialmente se presentan los resultados obtenidos con cada refrigerante con tubo liso, y a continuación, se exponen los relativos a los tubos tipo Trufin, tipo Turbo-C y tipo Turbo Helix y se comparan con los del tubo liso. También se discute la validez de los modelos de condensación más representativos disponibles en la literatura. En el capítulo 5 se exponen los resultados experimentales obtenidos con las mezclas R417A, R422A y R422D. Inicialmente, se exponen los resultados obtenidos con las tres mezclas sobre tubo liso, comparándolos entre sí y con el R22. A continuación, se exponen los resultados relativos al tubo tipo Turbo-C con las tres mezclas, se comparan entre sí y con el R22 y se evalúa la mejora que proporciona dicho tubo respecto al tubo liso con cada mezcla. En el capítulo 6 se realiza un análisis teórico del proceso de condensación de mezclas zeotrópicas ternarias sobre tubos lisos horizontales, y sus resultados se comparan con los obtenidos experimentalmente para las mezclas estudiadas. En el capítulo 7 se exponen las conclusiones generales extraídas del trabajo realizado y de sus resultados. También se plantean los trabajos de investigación que se pretenden desarrollar en el futuro dentro de la línea de investigación en la que se enmarca esta tesis doctoral.