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

Resumen

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. 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. 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. El diseño permite el ensayo de prototipos de intercambiadores de calor con diferentes geometrías y dimensiones. 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. 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. 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. 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. 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. -----------------------------------