Software para el dimensionamiento de condensadores y evaporadores en bombas de calor aire/aire

Abstract

El control de la temperatura siempre ha sido muy importante a lo largo de la historia, y con el desarrollo de la industria y de la tecnología lo es aún más. Existen multitud de equipos que necesitan para trabajar adecuadamente una determinada temperatura del ambiente o un calentamiento o refrigeración de los fluidos con los que operan. Por ejemplo en la industria química es esencial mantener la temperatura constante en determinadas reacciones para obtener algunos productos. O en la industria alimenticia, en la cual es necesario refrigerar las sustancias o aplicar calor para que se produzca la transformación de unas en otras.
La termotecnia es la ciencia que estudia el intercambio de calor entre fluidos, y por lo tanto es un conocimiento extremadamente importante a la hora del diseño de cambiadores. Según la Real Academia Española la termotecnia es la técnica del tratamiento del calor, como se puede deducir de su construcción morfológica: termo- y –tenia. En la ETSII UPM esta ciencia se cursa englobada en otra asignatura denominada Transferencia de Calor.
El objetivo de este trabajo es estudiar el intercambio de calor que se produce en una máquina frigorífica para aplicarlo al diseño de una herramienta informática que agilice y optimice el diseño de cambiadores de calor, tanto condensadores como evaporadores. Dicho software será capaz de calcular las dimensiones del cambiador dada la potencia calorífica requerida o al revés, es decir calcular la potencia dadas las dimensiones del cambiador. Por norma general van a ser conocidas las temperaturas de entrada y salida del aire que es el fluido exterior que se pretende calentar o enfriar. Lo que se persigue calcular en casi todas las industrias es qué potencia ha de tener el cambiador para alcanzar dichas temperaturas del aire, o qué caudales de refrigerante y de aire van a ser necesarios para lograrlo.
Una máquina refrigeradora puede funcionar como evaporador, en el que el refrigerante se calienta hasta cambiar de fase absorbiendo calor del exterior, tanto como condensador, en el que el refrigerante se enfría hasta condensar dentro de los tubos, cediendo calor al exterior. El objetivo es que se desarrolle un programa que pueda funcionar en los dos casos, según lo elija el usuario. Por limitaciones de la herramienta que se utiliza, el software EES, esto no va a ser posible por lo que se va a desarrollar un programa separado para cada caso, uno para baterías evaporadoras y otro para baterías condensadoras aunque en la práctica la misma máquina pueda realizar las dos funciones.
También se define como objetivo el disponer del código del programa de diseño de baterías con la finalidad de ir modificándolo a medida que se realicen ensayos experimentales o se verifique con otras herramientas tanto informáticas como prácticas.
Este trabajo de fin de grado se basa en la continuación y ampliación de otro trabajo anterior titulado “Software para el diseño de baterías de agua acondicionadoras de aire” realizado por una antigua alumna de la ETSII – UPM. Este trabajo se centraba en el diseño de baterías de agua exclusivamente, mientras que el presente se va a centrar en baterías evaporadoras y condensadoras en las que se produce cambio de fase del fluido interior, que en vez de ser agua será un refrigerante. Las baterías de agua se utilizan a nivel doméstico o en espacios donde no se dispone de sitio para una máquina refrigeradora, sin embargo los evaporadores y condensadores son ampliamente utilizados en la industria y no sólo a nivel doméstico por lo que en este proyecto se abren las puertas a un mercado mucho más extenso. Desde que se desarrolló el primer trabajo mencionado de baterías de agua era necesaria su ampliación para baterías evaporadores y condensadoras.
Este trabajo se comenzó practicando con la herramienta EES para descubrir e interiorizar todas sus funciones. Con ese objetivo se realizaron en formato de pequeños programas todos los ejercicios de los libros “Evaporadores, Miranda Barreras, 2002” y “Condensadores, Miranda Barreras, 2002” apoyándose en el Manual de uso del EES (Klein, 1989) y su formato didáctico adaptado para la escuela, “Introducción al programa EES, J.A. Fernández Benítez & J.A. Mardomingo Jimeno”
Una vez teniendo soltura en el manejo del EES se estudió el formato que empleaba el programa Thest en el cálculo de las baterías, y la configuración de tubos y de aletas que vienen predefinidos en dicho programa. A partir de esto, se tomó como punto de partida una de las baterías ejemplo que venía predefinida en el programa Thest, asumiendo que son las más utilizadas industrialmente. En concreto esta batería se encuentra definida en el programa como “Sample Coil nº 1” y al inicializarla se muestran los parámetros de la imagen posterior.
Se observa que el tipo de aleta es 1022 corrugada y el tipo de tubo liso. Se definen como entradas el número de filas y columnas de tubos que tendrá el cambiador. También se observa que el material por defecto de las aletas es aluminio, por lo que así se tomará en el programa en EES. Para iniciar a desarrollar el programa se hace algunas simplificaciones sobre las entradas del ejemplo. Por ejemplo se toma el sobrecalentamiento del vapor y el subenfriamiento del líquido como nulo, no se consideran tubos sin utilizar y se supone un aire exterior con 0% de humedad relativa.
Se dispone de un punto de partida para comenzar a desarrollar el programa ya que al tener las dimensiones de un cambiador real se puede probar a calcular su potencia calorífica fijando una temperatura de entrada del aire. En un nivel superior no hará falta definir las dimensiones del cambiador si no que dichas dimensiones serán el resultado del programa al introducirle la potencia.
Después se hizo un estudio de los refrigerantes más frecuentemente utilizados en la industria y se eligió el R134a por sus buenas características para trabajar con él como fluido que circula por el interior de los tubos.
Posteriormente se estudió el ciclo de compresión mecánico para saber aplicar las ecuaciones de transmisión de calor al caso de los evaporadores y condensadores. También se plasmó todas las correlaciones que determinaban el coeficiente de transferencia de calor en la programación del software para poder elegir posteriormente la que se aproxime más a los resultados de Thest.
Por último se introdujeron las aproximaciones al caso real, como considerar el aire exterior con una humedad relativa distinta al 0% o contemplar la efectividad de las aletas y los factores de ensuciamiento de la batería en las ecuaciones de transferencia de calor. Para acabar el trabajo se diseñó la interfaz de ambos programas similar a la que muestra el programa Thest.
El trabajo está presentado dividido en dos partes fundamentales. Primero la teoría del problema que es fundamentalmente la explicación del ciclo mecánico de compresión simple y posteriormente todo el proceso de desarrollo del programa, que incluye el estudio de intercambio de calor, la definición del cambiador y evaporador que se va a utilizar y por último los resultados finales y la comparación con el programa Thest.
En este trabajo se ha llegado a desarrollar un programa con el que se obtiene resultados muy parecidos a los que proporciona la herramienta comercial Thest y con la ventaja de poder acceder al código con el que se ha programado, por lo que se han alcanzado los objetivos propuestos al comienzo.
En el terreno didáctico se han aplicado conocimientos de termodinámica, de transmisión de calor, de materiales y de mecánica de fluidos entre otros muchos.