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Propuestas de mejora del tubo capilar para incrementar la eficiencia energética de un refrigerador doméstico mediante software especializado.

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Con el presente proyecto se realiza un análisis del tubo capilar de un refrigerador doméstico, utilizando para ello las herramientas de simulación numérica ANSYS CFX, a fin de establecer cambios en sus características dimensionales que propicien un incremento de la eficiencia energética. Se establece el método de análisis con mayor aproximación, veracidad y coherencia de resultados en base a simulaciones similares y se plantean modificaciones del tubo capilar limitando las mismas a cambios en su diámetro y longitud. Se determina la influencia directa o indirecta que tiene cada una de las modificaciones sobre el COP del refrigerador. Con esto se establecen modificaciones factibles de ejecutar e implementar en los sistemas actuales que mejoren la eficiencia general del refrigerador.
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PROPOSALS FOR IMPROVING THE CAPILLARY TUBE TO INCREASE
THE ENERGY EFFICIENCY OF A HOUSEHOLD REFRIGERATOR
USING SPECIALIZED SOFTWARE.
Andrés E. Jara
(1a)
, José. Bermeo
(1b)
, Nelson G. Jara
(1c)
, Fran Z. Reinoso
(1d)
, Lourdes E.
Jara
(2)
y Cesar A. Isaza-Roldan
(3)
(1)
Grupo de Investigación y Desarrollo en Simulación, Optimización y Toma de Decisiones GID-
STD, Carrera de Ingeniería Mecánica, Universidad Politécnica Salesiana.
Dirección postal: 010105. Web: http://www.ups.edu.ec
E-mail:
a
ajara@est.ups.edu.ec
b
jbermeov@est.ups.edu.ec
c
njara@ups.edu.ec
d
freinoso@ups.edu.ec
(2)
Facultad de Ciencias Químicas, Universidad de Cuenca.
Dirección postal: 010103. Web: http://www.ucuenca.edu.ec
E-mail: lourdes.jara@ucuenca.edu.ec
(3)
Centro de Investigación, Desarrollo y Calidad en Refrigeración y Climatización. Facultad de
Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana.
Dirección postal: 050031. Web: http://www.upb.edu.co
E-mail: cesar.isaza@upb.edu.co
Abstract: With this project an analysis of the capillary tube of a household refrigerator is carried
out, using for it the numerical simulation tools ANSYS CFX, in order to establish changes in its
dimensional characteristics that propitiate an increase in energy efficiency. The analysis method is
established with greater approximation, veracity and consistency of results based on similar
simulations and modifications of the capillary tube are proposed limiting them to changes in their
diameter and length. The direct or indirect influence of each of the modifications on the COP of the
refrigerator is determined. This establishes feasible modifications to execute and implement in
current systems that improve the overall efficiency of the refrigerator.
Keywords: domestic refrigeration, capillary tube, ANSYS, coefficient of performance.
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PROPUESTAS DE MEJORA DEL TUBO CAPILAR PARA
INCREMENTAR LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE UN
REFRIGERADOR DOMÉSTICO MEDIANTE SOFTWARE
ESPECIALIZADO.
Andrés E. Jara
(1a)
, José. Bermeo
(1b)
, Nelson G. Jara
(1c)
, Fran Z. Reinoso
(1d)
, Lourdes E.
Jara
(2)
y Cesar A. Isaza-Roldan
(3)
(1)
Grupo de Investigación y Desarrollo en Simulación, Optimización y Toma de Decisiones GID-
STD, Carrera de Ingeniería Mecánica, Universidad Politécnica Salesiana.
Dirección postal: 010105. Web: http://www.ups.edu.ec
E-mail:
a
ajara@est.ups.edu.ec
b
jbermeov@est.ups.edu.ec
c
njara@ups.edu.ec
d
freinoso@ups.edu.ec
(2)
Facultad de Ciencias Químicas, Universidad de Cuenca.
Dirección postal: 010103. Web: http://www.ucuenca.edu.ec
E-mail: lourdes.jara@ucuenca.edu.ec
(3)
Centro de Investigación, Desarrollo y Calidad en Refrigeración y Climatización. Facultad de
Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana.
Dirección postal: 050031. Web: http://www.upb.edu.co
E-mail: cesar.isaza@upb.edu.co
Resumen: Con el presente proyecto se realiza un análisis del tubo capilar de un refrigerador
doméstico, utilizando para ello las herramientas de simulación numérica ANSYS CFX, a fin de
establecer cambios en sus características dimensionales que propicien un incremento de la
eficiencia energética. Se establece el método de análisis con mayor aproximación, veracidad y
coherencia de resultados en base a simulaciones similares y se plantean modificaciones del tubo
capilar limitando las mismas a cambios en su diámetro y longitud. Se determina la influencia
directa o indirecta que tiene cada una de las modificaciones sobre el COP del refrigerador. Con
esto se establecen modificaciones factibles de ejecutar e implementar en los sistemas actuales
que mejoren la eficiencia general del refrigerador.
Palabras clave: refrigeración doméstica, tubo capilar, ANSYS, coeficiente de operación
1. INTRODUCCIÓN
Con la intención de obtener datos de gran valor que se puedan usar en la industria de la refrigeración doméstica
para conseguir equipos más eficientes energéticamente y que estén sintonizados con índices de eficiencia
energética más exigentes como en el caso de México [1], varios investigadores han llevado a cabo estudios y
análisis de los distintos componentes del sistema de refrigeración y tipos de fluidos de trabajo principalmente
que propicien una mejora de la eficiencia energética [2].
De entre todos los componentes del refrigerador que desempeñan una función, el tubo capilar resulta ser el
elemento más simple en cuanto a manufactura y aspecto exterior, sin embargo su función es de vital
importancia y todos los procesos que se generan en su interior son de gran complejidad, ya que reduce la
presión que sale del compresor hacia el evaporador y regula el flujo, por este motivo un aspecto importante a
tomar en cuenta es la carga de refrigerante que debe tener durante la labor transitoria. Esta carga depende del
volumen interno del equipo de refrigeración, que incluye las tuberías, el compresor, los intercambiadores de
calor, los receptores de líquido y varios accesorios, además depende de las características del refrigerante, sus
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estados y la presión de trabajo a nivel físico del sistema [3]. Varios autores estudiaron este fenómeno con el
fin de reducir el consumo de energía mediante la variación de la restricción de la expansión y la carga de
refrigerante [4], es así que mediante la variación de ciertos parámetros hallaron que a una carga muy baja, el
sobrecalentamiento del evaporador aumenta, en cambio con una carga muy elevada la línea de aspiración se
convierte en frío, conduciendo en los dos casos a un mayor consumo de energía [5]
Encontraron también dos perdidas que se presentan en el sistema de refrigeración en condiciones transitorias,
la primera en el desplazamiento del refrigerante después de un arranque y parada del compresor, la cual afecta
al rendimiento general del sistema y la segunda se da cuando el compresor está activo, en el período de carga
térmica del evaporador y condensador es más alta de lo que sería para un sistema controlado de forma continua,
lo que ocasiona pérdidas de eficiencia que oscilan entre el 5 y el 37% [6].
En otro estudio sugieren un tubo capilar estrangulado, con una temperatura de condensación flotante que puede
operar con grandes variaciones de carga sin llegar a desestabilizarlo, al igual que un sistema de control de
dispositivos de expansión termostática más sofisticado [7].
Otros autores sugieren dos opciones para la mejora de la eficiencia, la primera opción se centra en reducir la
carga y el volumen interno de todos los componentes (intercambiadores, receptores, la línea de líquido), ya
que permiten un beneficio considerable sin ocasionar la disminución del rendimiento. La segunda opción
consiste en utilizar una válvula de expansión electrónica (EEV) en el equipo de refrigeración [3], esta válvula
eleva el rendimiento del sistema en comparación con el sistema de tubo capilar. Manifiestan no generalizar
estos resultados, debido a las diferencias en la configuración del sistema, ya que utilizaron un único sistema
de bomba de calor [8].
Estas y otras investigaciones hacen ciertas propuestas de mejoras tecnológicas para incrementar la eficiencia
energética del sistema de refrigeración, las cuales principlamente fueron desarrolladas de manera experimental.
Sin embargo otros trabajos basan sus análisis en la utilización de software especializado como es el ANSYS
con los que proponen métodos empíricos o algebraicos para dimensionar los tubos capilares tanto en diámetro
y longitud a fin de conseguir una disminución de la carga y por ende una mejora en la eficiencia del equipo
de refrigeración [9]–[15].
Dadas las limitaciones de los modelos desarrollados y por motivos tales como la complejidad en la resolución
de ecuaciones, pocas alternativas de uso en diferentes refrigerantes y dificultad de adaptación a modelos más
robustos, se requiere validátlos con los resultados experimentales [16]–[19].
Como se mencionó, el tubo capilar es un dispositivo muy sencillo, pero en su interior ocurren cambios en el
refrigerante, y mucho depende de este la eficiencia que se alcance en el refrigerador. Su función es la de
permitir la expansión del refrigerante al cambiar su estado o fase de líquido a vapor. El refrigerante sale del
condensador en estado líquido muy cercano a la temperatura de saturación, es decir que puede estar como
líquido subenfriado o saturado e ingresa al tubo capilar presentandose una caída de presión debido al diámetro
interior pequeño que oscila entre 0.66 a 2 mm [20] en comparación al diámetro del condensador y evaporador
además de que su longitud es larga entre 2m y 6m en relación a su diámetro, esta caída de presión es súbita y
gtande pero la entalpía se mantiene constante.
Esta caída de presión además viene acompañada de dos estados metaestables para finalizar con un estado
estable [11] [21]. Esta metaestabilidad se puede definir como la existencia de un estado del refrigerante sin
estar en estado de subenfriamiento o de saturación.
La Figura 1 muestra las cuatro etapas del refrigerante al atravesar el tubo capilar, de la siguiente manera:
En el estado de líquido estable, la temperatura medida tiene una presión de saturación que está por debajo de
la presión de medida, el líquido está comprimido y existe refrigerante solo en estado estable líquido. Conforme
avanza el refrigerante, la temperatura se mantiene constante y la presión medida cae por debajo de la presión
de saturación, motivo por el cual se espera vapor sobrecalentado, sin embargo solo existe únicamente líquido,
pasando a un estado metaestable de líquido por estar en condiciones de vapor sobrecalentado pero continúa en
estado líquido. La presión medida continúa en descenso pero la presión de saturación sigue debajo de la presión
medida y, debiendo existir vapor sobrecalentado recién empieza una mezcla líquido-vapor , el punto en que
empieza a generarse el vapor se conoce como flash-point [21], por tal hecho se establece como estado
metaestable líquido-vapor. Finalmente se igualan los valores de presión de saturación y temperatura de
saturación para existir un estado estable de líquido-vapor del refrigerante a la salida del tubo capilar.
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Figura 1. Estados del refrigerante al atravesar el tubo capilar. Adaptado de [21].
2. MODELO
El aporte de este trabajo es proponer mejoras del tubo capilar de un refrigerador doméstico usando para ello
software especializado. La información de preproceso para este caso en particular debe responder cuestiones
como: qué se vá a analizar, qué resultados se requieren obtener, cuáles son las simplificaciones que se pueden
realizar, cuáles son las condiciones iniciales, entre otras.
Para poder garantizar resultados confiables es imprescindible demostrar tanto que el software seleccionado
como los resultados obtenidos van a ser compatibles, en este sentido tratar el problema en particular, que para
el caso es el análisis multifásico del fluido refrigerante durante el paso por el tubo capilar, se continúa con al
menos una validación del problema, comparando los resultados obtenidos con los desarrollados por algunos
autores que utilizaron condiciones similares.
El software elegido será el CFX de la familia de ANSYS en la versión 18.2 y las validaciones que se llevarán
a cabo serán dos, las cuales se citan a continuación:
1. Tubo capilar adiabático recto, Sami et al [20]
2. Tubo capilar adiabático helicoidal, Zareh et al [18]
Para el caso de análisis multifásico del refrigerante R134a, se ha podido cargar las bases de datos del software
CFX definiendolo en el estado líquido y de vapor a fin de que se pueda realizar los cálculos necesarios y
determinar el estado del refrigerante.
2.1 Validación del modelo de tubo capilar adiabático recto
El trabajo desarrollado por Sami et al [20], propone un modelo para predecir la distribución de la presión a lo
largo del tubo capilar, verificando un error promedio de 15% (ver Figura 2).
Figura 2. Predicción de la presión a lo largo del tubo capilar (modelo de Sami et. al). Fuente [20]
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La calibración del modelo, motivo de este artículo, se ha planteado en referencia a las condiciones inciales y
de geometría, como: longitud del tubo = 4,5 metros, presión de entrada = 1.010 kPa, temperatura de entrada =
30 °C, diámetro interno del tubo capilar = 1,07 milímetros.
En la Figura 3 se muestra el sólido modelado, que representa el dominio por el que circulará el refrigerante,
además se presenta la discretización del dominio (mallado), establecido con 284.340 elementos tetraédricos
cuadráticos, con una calidad promedio de 81,4% y un mínimo de 64,3%. Como se puede notar se ha establecido
1/4 de la sección total aprovechando la axisimetría existente.
Figura 3. Sólido modelado y discretización del dominio del tubo capilar adiabático recto. Fuente Autores
En la Figura 4 se presenta la generación de interfaz de periodicidad cíclica o interfaz axisimétrica, indicada
por los círculos morados concéntricos al eje de revolución del tubo capilar.
Figura 4. Generación de interfaz de periodicidad cíclica. Fuente Autores
Una vez establecido todas las fases y características de programación, se obtiene los resultados de la
convergencia de residuales directamente del software ANSYS (ver Figura 5).
Figura 5. Convergencia de residuales. Fuente Autores
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Una vez obtenida la gráfica de la presión total versus la posición dentro del tubo capilar como resultados
calculados por el programa, se procede a establecer la comparación del modelo simulado en CFX contra el
modelo de la Figura 2, para el refrigerante R-134a, considerando un tubo capilar adiabático recto. Luego del
análisis se ha obtenido un error promedio de 13,4%, lo que significa un resultado válido para la franja de error
que se maneja (ver Figura 6).
Figura 6. Comparación del modelo simulado en CFX contra el modelo de Sami et al [20] para el refrigerante R-
134a Tubo Capilar Adiabático Recto. Fuente Autores
2.2 Validación del modelo de tubo capilar adiabático helicoidal
En el trabajo de Zareh et al [18], se propone un modelo para predecir la presión a lo largo de un tubo capilar
adiabático pero con geometría helicoidal (ver Figura 7).
Figura 7. Predicción del modelo de la presión a lo largo del tubo capilar. Fuente [18].
La calibración del modelo desarrollado en CFX, se ha planteado en referencia a las condiciones inciales y
geometría, como: longitud del tubo = 4,5 metros, presión de entrada = 1.049 kPa, temperatura de entrada = 33
°C, diámetro interno del tubo capilar = 1,397 mm, diámetro de la helicoidal = 40 mm.
En la Figura 8 se presenta el modelo 3D del dominio del tubo capilar con geometría helicoidal, además de la
discretización del dominio (mallado), con 1.523.569 elementos tetraédricos cuadráticos, con una calidad
promedio del 98,4% y un valor mínimo del 33,7%.
0
200
400
600
800
1000
1200
012345
Presión [kPa]
Posición en el tubo capilar [m]
Publicacion
Simulación
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Figura 8. Sólido modelado y discretización del dominio de tubo capilar adiabático helicoidal. Fuente Autores.
Una vez obtenida la gráfica de la presión total versus la posición dentro del tubo capilar como resultados
calculados por el programa, se procede a establecer la comparación del modelo simulado en CFX contra el
modelo de la Figura 7, para el refrigerante R-134a, considerando un tubo capilar adiabático helicoidal. Luego
del análisis se ha obtenido un error promedio de 5,09 %, lo que significa un resultado válido para la franja de
error que se maneja (ver Figura 9).
Figura 9. Comparación del modelo simulado en CFX contra el modelo de Zareh et al [18], para el refrigerante R-
134a Tubo Capilar Adiabático Helicoidal. Fuente Autores
3. PROPUESTAS
Para plantear las propuestas, se procederá a realizar variaciones geométricas de los dos modelos validados. Se
debe tener presente que al tubo capilar ingresa el refrigerante a una temperatura que estacerca de la
temperatura de saturación que a su vez tendrá su presión de saturación y a la salida con una presión inferior,
que es la que originalmente es la que se cargará en el sistema.
Es necesario tener valores constantes para poder limitar el número de variaciones posibles del tubo capilar.
Las presiones de entrada y de salida serán los únicos valores fijados, esto para poder comparar las variaciones
para un refrigerador que conservará sus presiones manométricas fijas, y los demás valores se podrán cambiar
a fin de generar cambios significativos.
A continuación en la Tabla 1 se presenta un resumen que indica las consecuencias de variar algunas de las
condiciones para el tubo capilar derecho, de acuerdo a las variaciones del diámetro y longitud.
Tabla 1. Propuestas de tubo capilar derecho. Fuente: Autores
P
Cond
[kPa] ΔT
sub
[°C] Diámetro [mm] Longitud [m] Flujo másico
[kg/h]
1010 5 0,66 2 3,45
0
200
400
600
800
1000
1200
012345
Presión [kPa]
Posición en el tubo capilar [m]
Numérico
Simulado
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8
1010 15 0,66 2 4,55
1010 5 0,77 2 3,76
1010 15 0,77 2 4,87
1010 5 0,66 3 3,05
1010 15 0,66 3 4,07
1010 5 0,77 3 3,58
1010 15 0,77 3 4,76
Los tubos capilares helicoidales, son los que se encuentran montados realmente en la industria de refrigeración,
doméstica. De primera mano se podría afirmar que no existe variación apreciable, sin embargo se demuestra
que existen variaciones cuando mayor es el diámetro de la helicoidal o espiral [18]. De modo que para unas
mismas condiciones de funcionamiento del refrigerador (subenfrimiento y presiones) y longitud de tubo
capilar, entre un diámetro de espiral de 40 mm a un diámetro de 100 mm puede incrementarse un 20% el flujo
másico. En la Tabla 2 se muestran resultados del incremento del flujo másico de un tubo capilar helicoidal
cambiando únicamente incrementando el diámetro de la helicoidal
Tabla 2. Propuestas de tubo capilar helicoidal. Fuente: Autores
P
Cond
[kPa] ΔT
sub
[°C] Diámetro [mm] Longitud [m] Diámetro
Helicoidal [mm] Flujo másico
[kg/h]
1010 5 0,66 2 40 3,05
1010 5 0,66 2 100 3,18
4. ANALISIS DE RESULTADOS
De acuerdo a los resultados detallados en la Tabla 3, se puede indicar lo siguiente:
Si el refrigerante tiene una presión alta cuando la eleva el compresor y en estado de vapor sobrecalentado, el
condensador a continuación reduce la temperatura a presión constante, de modo que cambiará a mezcla de
líquido-vapor y finalmente líquido. Es más conveniente que el refrigerante ingrese al tubo capilar como un
líquido subenfriado [20], es decir con una temperatura menor a la de saturación para que exista y pueda fluir
más cantidad de refrigerante hacia el evaporador. Esta afirmación se la podrá constatar en la Tabla 1.
Se puede atribuir más beneficios al subenfriamiento (ΔT
sub
), ya que la entalpía se desplazará más hacia la
izquierda (Figura 1), se reducirá más su valor y el refrigerante dentro del evaporador tendrá que absorber más
energía del contenido al interior del refrigerante para llegar hasta las condiciones de temperatura y presión de
saturación. El refrigerante sin embargo antes de salir del evaporador ya deberá estará como vapor de muy alta
calidad o incluso como vapor sobrecalentado [22].
Tomando como referencia los procesos validados de [18] y [21], la presión de salida del tubo capilar es de 200
kPa, para esta presión la temperatura de saturación resulta de T
sat@200kPa
= -10 °C para el refrigerante R134a
(dato obtenido del programa REPROF), es decir que el refrigerante al salir del tubo capilar estará a -10 °C,
recuerde que dentro del tubo capilar empezó el cambio de fase de líquido subenfriado a mezcla líquido-vapor
en el flash point y este punto también se muestra en la Figura 1. En el evaporador continúa elevando su calidad
de vapor a presión y temperatura constante.
El COP o coeficiente de operación se puede determinar por la relación entre la energía absorbida por el
evaporador y la energía de entrada que provee el compresor. Este coeficiente indica el nivel de efectividad del
sistema de refrigeración, mientras su valor sea mayor entonces el sistema será más eficiente.
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1
Investigaciones además demuestran que el COP se encuentra influenciado no solo por el dispositivo de
expansión, sino por la carga del refrigerante [22]. Según el autor, si la carga del refrigerante es muy elevada,
el evaporador ya no convertirá todo el refrigerante en vapor y entrará mezcla líquido-vapor al compresor. Otro
factor que influye según la misma investigación resulta ser la excesiva estrangulación del paso del refrigerante,
sería análogo a reducir el diámetro del tubo capilar, como consecuencia el COP se reducirá por un trabajo más
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elevado que debe ejercer el compresor pudiendo estar bajo de 1, lo cual es ineficiente. En sus estudios
demuestra además que el COP puede incrementarse con un tubo capilar de diámetro pequeño pero con mayor
carga de refrigerante comparada con un tubo capilar de mayor diámetro con baja carga de refrigerante.
En investigaciones realizadas por [23], realizan experimentaciones para determinar una longitud mínima del
tubo capilar para garantizar que el evaporador alcance a convertir todo el refrigerante en vapor sobrecalentado.
Se puede discutir sobre este artículo nuevamente al referirnos a la Tabla 1, que indica que una mayor longitud
reduce el flujo másico del refrigerante, y este podrá ser convertido con mayor probabilidad en vapor
sobrecalentado. En otras palabras, si el tubo capilar es muy corto existirá mayor masa de refrigerante que
podría refrigerar un mayor volumen y masa al interior del refrigerandor, pero no todo la masa de refrigerante
podría llegar a convertirse en vapor sobrecalentado y que entrará como mezcla al compresor.
Por otro lado, un tubo capilar muy largo dejará menor paso de masa de refrigerante al evaporador que no será
suficiente para refrigerar el espacio pero se estará garantizando que al compresor llegue vapor sobrecalentado.
5. CONCLUSIONES
Se ha podido verificar que mediante cambios dimensionales en el diámetro, longitud y geometría del tubo
capilar se generan variaciones en el flujo másico del refrigerante, lo que incrementa el calor de remoción del
espacio refrigerado y en consecuencia aumenta el coeficiete de operación del sitema de refrigeración para un
valor dado de potencia de entrada.
Los resultados de la simulación del tubo capilar en configuración recta, muestran que para una temperatura de
entrada al tubo capilar de 15 °C, un diámetro de 0,77 mm y una longitud de 2 m, se obtuvo el valor más alto
de flujo másico de refrigerante de 4,87 kg/h.
Los resultados de la simulación del tubo capilar en configuración helicoidal, muestran que para una
temperatura de entrada al tubo capilar de 5 °C, un diámetro de 0,66 mm, una longitud de 2 m y un diámetro
del helicoidal de 100 mm, se obtuvo el valor más alto de flujo másico de refrigerante de 3,18 kg/h.
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... Los refrigeradores por su uso continuo, constituyen uno de los equipos de mayor consumo eléctrico, de ahí la importancia de optimizar su funcionamiento y minimizar la energía que demandan a través de propuestas de innovación tecnológica orientada a la industria, educación al consumidor en buenas prácticas de uso de estos equipos, aplicación de normas e índices energéticos que regulen los consumos y sistemas de etiquetado energético [1]. En los últimos años en la UPS Cuenca, se han desarrollado una serie de investigaciones que involucran el uso de equipo de laboratorio, simulación gráfica y numérica fundamentalmente, que han llevado a establecer propuestas de mejora del sistema de refrigeración por compresión de vapor, entre ellos: propuestas de mejora del tubo capilar [2], estudio del flujo de aire en un enfriador [3], instrumentación de un refrigerador doméstico [4], además de establecer criterios del uso de un R600a frente a un R134a [5]. Para continuar en esta línea de investigación, en este artículo se presenta el diseño y la implementación de un banco de pruebas tipo túnel de viento para la determinación principalmente de la curva presióncaudal de ventiladores axiales utilizados en la industria de la refrigeración doméstica. ...
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Conference Paper
Resumen Los refrigeradores constituyen uno de los equipos de mayor consumo eléctrico a nivel residencial, es por esto la importancia de optimizar su funcionamiento y minimizar la energía que demandan a través de propuestas de innovación tecnológica orientadas a la construcción de electrodomésticos que posean una mayor eficiencia energética. Uno de los componentes del refrigerador doméstico que debe ser optimizado es el ventilador axial utilizado para la distribución del aire frio al interior. En este sentido y con la intención de establecer procesos de análisis, hemos visto la necesidad de desarrollar e implementar un banco de ensayos tipo túnel de viento que permita determinar, entre otros parámetros, la curva característica de este tipo de ventiladores. El banco de ensayos que hemos implementado cumple con la normativa ANSI/AMCA Standard 210-16 y los métodos de prueba aerodinámicos de ventiladores; además de una interfaz gráfica que permite establecer la curva presión-caudal para el análisis del comportamiento de los ventiladores. Palabras clave: túnel de viento, refrigerador doméstico, ventilador axial.
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Thesis
En este proyecto se cuantifica el impacto tecnológico que podría tener la industria de la refrigeración doméstica en Latinoamérica, luego de introducir políticas energéticas con base en el establecimiento de estándares mínimos de desempeño energético (MEPS), que lleven a un control de la producción nacional y sobre todo a un control de los equipos de refrigeración doméstica que están siendo importados. Estos MEPS serían establecidos de manera general con base en la homologación mediante estándares utilizados en países con índices de eficiencia energética más exigentes, utilizando los datos de México, Colombia y Ecuador como casos de estudio. Para determinar el impacto mencionado, en primera instancia se estudia la industria de la refrigeración doméstica en México, Colombia y Ecuador como casos de estudio, en aspectos como: participación en el mercado, situación tecnológica, generación de empleo y cadena productiva de suministros; en segunda instancia se estudia la evolución de los índices de eficiencia energética y las políticas establecidas en dichos países, considerando los objetivos, incentivos y reglamentos, además de establecer los desarrollos tecnológicos que se han propuesto en refrigeración doméstica para mejorar la eficiencia; en una siguiente instancia se analiza el comportamiento del mercado de los productos de refrigeración doméstica en la región ante la implementación de políticas de eficiencia energética, específicamente en refrigeradores/congeladores, que son los más utilizados en los países mencionados, esto a través del modelado y simulación con software especializado que utiliza la metodología de la dinámica de sistemas y la consideración de atributos de decisión del usuario para la renovación voluntaria de equipos ineficientes, como: consumo energético, costos y tamaños fundamentalmente. Los resultados del modelo para el año 2025 indican que los ahorros de energía eléctrica por el uso de refrigeradores eficientes con etiqueta energética A+ y A++ que representan los escenarios 3 y 4 establecidos, para México estarían en el orden de 4,5 TWh/año y 55 millones de toneladas de CO2 evitadas por dicho ahorro, para Colombia llegarían a valores de 1.8 TWh/año y 14 millones de toneladas de CO2 evitadas por dicho ahorro y para Ecuador llegarían a tener ahorros de 0.7 TWh/año y 8 millones de toneladas de CO2 evitadas por dicho ahorro, esto sin lugar a duda representaría para los países en estudio ahorros económicos significativos y sobre todo para las empresas fabricantes la posibilidad de incrementar su capacidad de producción, sean estas por exportaciones a otros mercados con índices de eficiencia más exigentes o por ventas en el mercado interno debido a la implementación de planes de renovación, proyectados para México en 3 millones de equipos, para Colombia de 1,5 millones y para Ecuador de 0,45 millones. El crecimiento de las empresas representaría también un incremento sustancial en la generación de empleo, cadenas de suministros que involucren procesos adicionales y la necesidad de formación profesional del personal involucrado.
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Article
In this work, the thermodynamic performance of a domestic refrigerator was experimentally studied by simultaneously varying the refrigerant charge (mr) and the capillary tube length (L). The potential of replacing R12 by R600a was also investigated. The test rig for the experiment was a vapor compression refrigerator designed to work with R12. The enthalpy of the refrigerants R600a and R12 for each data set for the experimental conditions were obtained by using REFPROP software (version 9.0). The results show that the design temperature of-12 0 C (according to ISO-8187 standard) and pull – down time of 135 minutes are achieved by using 60g of R600a with L= 1.2m and 1.5m. For R12, the design temperature is achieved at pull – down time of 165 minutes with mr = 40g and L = 0.9m. The appropriate combination of L and mr for R600a to be used as a drop-in refrigerant for R12 is found to be 1.5m and 60g on the basis of power consumption per day, pull-down time and COP, whereas by considering the cooling capacity, it is 0.9 m and 60g. The cooling capacity of R600a was about 9.18% higher than that of R12, the power consumed by R600a was about 24 % lower than that of R12 and the COP of R600a was about 6.3% higher than that of R12. In conclusion, the proposed R600a seems to be an appropriate long-term candidate to replace R-12 in the existing refrigerator in terms of power consumption, cooling capacity and COP.
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Article
Resumen. Este artículo presenta un estudio sobre el estado del arte de la técnica de investigación desarrollada en los últimos años en la refrigeración doméstica; para superar dificultades relacionados con el gran consumo de energía y sus problemas de impacto ambiental. Hay varios informes de investigación relacionados con mejorar la eficiencia energética de refrigeradores domésticos, con hidrocarburos refrigerantes naturales, que han mostrado mejoras sustanciales en varios aspectos. El refrigerante sugerido tiene un impacto ambiental, de alto rendimiento, confiable y de bajo costo. Palabras Claves: consumo de energía eléctrica, refrigerantes hidrocarburos, sistema de refrigeración, eficiencia energética. Abstract. This paper presents a study of the state of the art of research developed in recent years in domestic refrigeration to overcome difficulties related to high-energy consumption and its environmental impact issues. There are several research reports related to improve the energy efficiency of domestic refrigerators, with natural refrigerants hydrocarbons, which have shown substantial improvements in various aspects. The proposed refrigerant has an environmental impact, high performance, reliable and low cost.
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Article
Capillary tubes are used widely in small refrigeration systems. It is necessary to design the capillary tube, but there does not exist any analytical equation which allows the determination of capillary tube length or mass flow rate for all refrigerants. In this work, an analytical equation is derived which allows them to design the capillary tubes. The comparison with existing methods and experimentally obtained values using the refrigerants R12, R22, R113, R114, R134a, and R600a has turned out to be satisfactory.
Article
Abstract Capillary tubes are extensively used in several cooling applications like refrigeration, electronic cooling etc. Local pressure variation in adiabatic straight capillary tube (mini channel) is studied experimentally and numerically with R134a as the working fluid. Experiments are performed on two straight capillary tubes. It is found that the diameter is the most sensitive design parameter of the capillary tube. Experiments are performed on five helically coiled capillary tubes to quantify the effect of pitch and curvature of helically coiled capillary tube on the pressure drop. Non dimensionalized factor to account coiling of capillary tube is derived to calculate mass flow rate in helically coiled capillary tubes. Flow visualization in adiabatic capillary tube confirms the bubbly nature of two phase flow. Numerical and experimental investigations in diabatic capillary tube suggest that the use of positive displacement pump and choking at the exit of the channel ensures flow stability.
Article
In the present study, two-phase refrigerant flow is simulated using drift flux model for straight and helical capillary tubes. The conservation equations of mass, energy and momentum are solved using the 4th order Runge-Kutta method. This model is validated by previously published experimental and numerical results and also by experimental results presented in this work. The effect of various parameters such as inlet pressure, inlet temperature, sub-cooling degree, and geometric dimensions are studied. The results of the present study show that for the same length and under similar conditions, mass flux through helical capillary tube with coil diameter of 40 mm are about 11% less than that through the straight tube, where the helical tube length is about 14% shorter than the straight one for the same refrigerant mass flux.
Article
In this work the thermodynamic behavior of a household refrigerator was experimentally studied by simultaneously varying the refrigerant charge and the expansion restriction. A special charging device was designed and constructed for this purpose comprised of a cylinder, a load cell and two solenoid valves. In addition, the original capillary tube was replaced with a larger-diameter capillary tube and installed in series with a metering valve. The expansion restriction was varied by adjusting the capillary tube–metering valve pair to settings higher and lower than that of the original system. A total of 95 energy consumption measurements were recorded with different combinations of refrigerant charge and expansion restriction. A minimum energy consumption region comprised of several combinations of refrigerant charge and expansion restriction was clearly identified. It was also observed that an improper combination of expansion restriction and refrigerant charge may increase the energy consumption by up to 30%.
Article
Capillary tube flows have been solved through both numerical and analytical approaches. The former requires a reasonable understanding of the governing equations of heat and fluid flow, thermodynamic relations, numerical methods, and computer programming, and therefore are not the suitable approach for most refrigeration and air-conditioning practitioners. Some simpler procedures based on different strategies for analytically solving the capillary tube flow have been proposed in the literature, although iterative loops for calculating the mass flow rate are still required. The aim of this work is to advance a semi-empirical algebraic model to solve adiabatic capillary tube flows using a relatively simple set of thermodynamic relations and being explicit for the mass flow rate calculation. Comparisons with a comprehensive experimental data set, taken with the refrigerants HFC-134a and HC-600a, has shown that the model predicts more than 90% and nearly 100% of all data within ±10% and ±15% error bands, respectively.
Article
A detailed one-dimensional steady and transient numerical simulation of the thermal and fluid-dynamic behaviour of capillary-tube expansion devices working with pure and mixed refrigerants has been developed and presented in part I of this article. The accuracy of the detailed simulation model is demonstrated in this paper by comparison with experimental data from the technical literature.Results presented include both metastable flow modelling and non-metastable flow modelling, homogeneous and separated flow model for metastable flow and the used of different empirical correlation needed in the numerical model. Comparisons of model prediction between various approaches are discussed.Numerical results and parametric studies for concentric capillary tube-suction line heat exchangers have also been presented.
Article
In this paper, a numerical model is presented for predicting capillary tube performance using new alternative refrigerants, namely pure and/or binary mixtures. The model has been established after the fluid flow conservation equations written for a homogeneous refrigerant fluid flow under saturated, subcoooled and two phase conditions.Numerical results showed that the proposed model in question fairly simulated our experimental data as well as others and fairly predicted the capillary tube behaviour under the investigated conditions.