Determinación de Coeficientes Convectivos en el Exterior de Evaporadores de Refrigeración Mediante Simulación

Abstract

La mayoría de los evaporadores de refrigeración para enfriamiento de aire usan el concepto de intercambiador de tubos y aletas, en que un refrigerante se evapora en el interior de tubos horizontales que forman un haz. Dado que el coeficiente convectivo del aire exterior es mucho menor que el de evaporación, la superficie externa se extiende mediante aletas paralelas que abarcan el haz completo. Para los coeficientes convectivos externos en flujo cruzado de aire respecto al haz de tubos se dispone de varias correlaciones empíricas. En la presente memoria se realiza la determinación de los coeficientes externos mediante simulación numérica, usando el software Comsol. Dada la complejidad geométrica de estos equipos, que requiere de computadores de gran capacidad de memoria y de procesamiento, se restringió el estudio a 6 casos con tubos en línea, variando el diámetro y los espaciados de tubos paralelo y transversal al flujo, usando valores recomendados para estos parámetros. Aunque el flujo es tridimensional, se debió restringir el estudio a una versión bidimensional de los arreglos, consistente en una estructura básica de 4 tubos. Además se desacoplaron los fenómenos de transferencia de calor entre el aire y los tubos, de la transferencia de calor en las aletas. Se creó un modelo de flujo y transferencia de calor a bajos números de Reynolds (10³-10) para determinar coeficientes convectivos en la configuración de 4 tubos, arrojando dependencias entre el coeficiente convectivo y el número de Reynolds. Los modelos se validaron por comparación con resultados empíricos para el caso de tubo único. El análisis de los campos de flujo y temperatura caracteriza el fenómeno como uno de capa límite. En la selección de mallas se intentó suprimir las oscilaciones numéricas en el coeficiente superficial de convección alrededor del tubo, y reproducir su evolución lo largo del arco, según se describe en la literatura. Para las aletas se usó un modelo de conducción 3D aplicado a una configuración unitaria de 4 tubos, variando el espesor y el número de Reynolds del flujo. Se comprobó que las aletas de aluminio entregan eficiencias superiores al 70%. Los coeficientes convectivos se representaron por una expresión en términos de los parámetros independientes. Las restricciones geométricas indicadas, así como el estrecho rango de Reynolds usado, limitan la generalidad de esta expresión. Se indican las directrices generales para la continuación de este estudio