Application of coaxial
heat exchangers in the optimization of the cop of automotive cooling system=
s by
compression of the gas R134A.
Paúl Montúfar Paz.
|
DO= I: https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v2i2.119<= /span> |
The
present work has the objective of characterizing several coaxial heat excha=
nger
geometries in an automotive cooling system and its effect on the performance
coefficient, using R-134a as refrigerant by means of experimental tests. In=
the
first instance, the experimental tests were carried out with different
geometries of coaxial interchanges involved in the high-pressure line betwe=
en
the condenser and the expansion valve, as well as the l=
ow
pressure line between the evaporator and the compressor, Between the
volume of the exchanger and the coefficient of performance by means of a
multifactorial analysis. The development of the research entails complying =
with
parameters for the acquisition of experimental data and the development of =
an
adequate experimental design. Statistical regressions were developed with R=
2 of
86.86% and a standard deviation of 2.2 for the low-pressure zone, while for=
the
high pressure zone The regression determined a R=
2 of
95.17% and a standard deviation of 0.57. As for the COP and the T variables=
is
statistically significant with a value of R2 of 99.97%, thus helping to des=
ign
the heat exchangers to decrease fuel consumption in vehicles
Keywords:
IHX, COP, R-134Ş.
Este
trabajo tiene como objeto la caracterización de varias geometrías de
intercambiadores de calor coaxiales en un sistema de refrigeración automotr=
iz y
su efecto en el coeficiente de desempeńo, utilizando como refrigerante el
R-134a mediante pruebas experimentales. En primera instancia se realizó las
pruebas experimentales con distintas geometrías de intercambiadores coaxial=
es
que intervienen la línea de alta presión entre el condensador y la válvula =
de
expansión, así como la línea de baja presión entre el evaporador y el
compresor, determinando una correlación entre el volumen del intercambiador=
y
el coeficiente de desempeńo por medio de un análisis multifactorial. El
desarrollo de la investigación conlleva cumplir con parámetros para la
adquisición de los datos experimentales y el desarrollo de un diseńo de
experimentos adecuado. Los intercambiadores de calor utilizados fueron de
geometría recta con aleación de aluminio 3 003. Se desarrolló regresiones
estadísticas con R2 de 86,86 % y una desviación estándar de 2,2 =
para
la zona de baja presión, mientras que para la zona de alta presión la regre=
sión
determino un R2 de 95,17 % y una desviación estándar de 0,57. En
cuanto al COP y las variables T es estadísticamente significativ=
a con
un valor de R2 de 99,97%, logrando de esta manera ayudar con el
diseńo de los intercambiadores de calor para disminuir el consumo de
combustible en los vehículos.
Palabras
Claves:
IHX,
COP, R-134Ş.
Introducción.
El
intercambiador de calor interno (IHX) no tiene mucha cabida en el sector
automotriz, siendo más ocupado en las plantas de refrigeración con el fin de
asegurar una función adecuada y proteger la integridad de los componentes,
evitando con esto el ingreso de gas parpadeante a la válvula de expansión y
reduciendo con esto el ingreso de líquido a la entrada del compresor.
Mie= ntras menos energía necesite el refrigerante para comprimirse, mayor será el coeficiente de desempeńo en el sistema, el coeficiente depende de la combinación de las propiedades térmicas y físicas, el efecto de refrigeraci= ón, el volumen específico, el calor específico del líquido, el de evaporación y= la relación de compresión. (Goribar, 2003)
En = el sector del automóvil, la transición a un refrigerante libre de cloro tuvo l= ugar a principios de los ańos 90´s demostrando que el R134a tiene un COP mejor q= ue el CO2 con la disparidad COP dependiendo de la velocidad del compresor (capacidad del sistema) y de la temperatura ambiente. Para una velocidad del compresor de 1000 RPM, la COP de CO2 fue menor en un 21% a 32= ,2şC y en un 34% a 48,9şC. A altas velocidades y temperaturas ambiente, la disparidad de COP fue aún mayor. (hidrofluorocarbono, HFC) sustituyó al R12 (CFC). (Brow, Yana, & Prior, 2002)
Sin embargo, no se presentan investigaciones recientes que ayuden al diseńo de = un IHX en función de los volúmenes para la fabricación de un intercambiador. <= /p>
Importancia del
problema .
El consumo de combustibles fósiles ha generado problemas respecto a la contaminación ambiental por lo cual es necesario evaluar alternativas que permitan una utilización más eficiente de los recursos. Al= ser los vehículos propulsados por un motor de combustión interna los que encabe= zan dicho consumo de combustible cualquier medida que logre mermar esta utiliza= ción llega a ser de gran importancia.
El uso del aire acondicionado en los automóviles si bien brinda mayor confort a los ocupantes representa también un importante incremento en la demanda energética del trabajo generado por la quema de combustibles, el cual se ha cuantificado entre un 5 y 20 % al consumo norma= l, el IHX viene a ser una alternativa interesante y de utilidad que permite incrementar el COP del sistema de refrigeración habitual lo cual se traduce= en una menor demanda energética de recursos mientras se brinda la misma capaci= dad de refrigeración de un habitáculo
Para conseguir evaluar el beneficio proporcionado por estos intercambiadores de = calor entre las fases de alta y baja presión de un sistema de refrigeración es necesario determinar un modelo estadístico experimental para cuantificar el aumento del COP en función de los volúmenes de transferencia de calor de un intercambiador IHX en un sistema de refrigeración automotriz.
Es necesario adem= ás conocer al detalle el comportamiento de cada uno de los componentes que intervienen en el ciclo de refrigeración y del IHX como tal lo cual requier= e de caracterizar los componentes y funcionamiento de los sistemas de refrigerac= ión automotriz.
A fin de poder seleccionar el mejor prot=
otipo
de intercambiador de calor se seleccionaron varias geometrías que permitan
determinar los principales factores de impacto sobre los objetivos del
proyecto, para dicho propósito fue necesario analizar diferentes
intercambiadores IHX de fácil manufactura mediante pruebas experimentales d=
el
sistema de refrigeración en un banco de pruebas.
Una vez realizadas las pruebas experimentales el determinar la incidencia de la variación de la temperatura en él COP se vuelve de vital importancia para poder conocer los beneficios del sistema.
El sistema de A/C tiene efectos profundos en la economía de combustible del vehículo, la mayoría de sistemas de A/C todavía está heurísticamente contro= lado y opera de manera ineficiente. Un análisis llevado a cabo en Renewable Energy Laboratory mostró que el uso de sistemas es equivalente al 5,5% del consumo de combust= ible de vehículos ligeros domésticos. (Quansheng &am= p; Marcello, 2015)
El
coeficiente de desempeńo de un refrigerante es la medida de su eficiencia en
utilizar la energía gastada en el compresor, en relación con la energía
absorbida durante la evaporación. Mientras menos energía necesite el
refrigerante para comprimirse, mayor será el coeficiente de desempeńo en el
sistema.
Entonces,
el coeficiente de desempeńo es la relación=
entre
el efecto de enfriamiento que se realiza en el evaporador (
Ecuación
1.
Como
existe un intercambio de calor durante el ciclo de refrigeración, para esto=
se
debe tomar en cuenta los resultados por cada kg de refrigerante que se tenga
disponible en el sistema.
Figura
1.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Por tanto, como se observa en la figura 1, =
el
trabajo realizado por el compresor en función de las entalpias se representa
como la variación de ellas.
De
la misma manera el calor absorbido en el evaporador está dado por la variac=
ión
de las entalpias entre el punto 1 y 4.
Entonces
reemplazando las ecuaciones 1-2 y 1-3 en 1-1 se obtiene:
Una regla empírica es que el COP mejora ent=
re 2
y 4 por ciento por cada °C que eleva la temperatura de evaporación o que
disminuye la temperatura de condensación.
Robinson
et al. (Douglas & Eckhard, 1998) presentó u=
na
revisión bibliográfica detallada del dióxido de carbono y concluyó que el u=
so
de un intercambiador de calor interno en conjunción con un dispositivo de
recuperación de trabajo tiende a reducir el COP del ciclo transcrítico
de dióxido de carbono en hasta 8%. Además, informaron que el uso de un
intercambiador de calor interno junto con una válvula de expansión aumenta =
el
COP en hasta un 7%. (Ciro & A, 2008)
El
Intercambiador de Calor Interno (IHX) es un intercambiador de calor de líqu=
ido
a vapor, con una cámara interna y una cámara externa. El refrigerante líqui=
do
caliente del condensador fluye a través de la cámara interior, y está rodea=
do
por vapor refrigerante fresco que fluye desde el evaporador a través de la
cámara exterior.
Después
de que el condensador elimina suficiente calor para condensar el refrigeran=
te a
un líquido, sigue siendo bastante caliente. El IHX transfiere aún más calor=
del
refrigerante líquido, "sub-enfriando"=
por
debajo de la temperatura de condensación.
Sin
embargo, la razón principal de la IHX se utiliza hoy en día es conseguir el=
uso
de menos refrigerante. En el laboratorio, un sistema de A/C lleno de R-134a=
es
aproximadamente un 10% más eficiente cuando está equipado con un IHX. Eso
significa una temperatura más baja en las rejillas de ventilación para la
cantidad de energía consumida para hacer funcionar el compresor, reduciendo=
aún
más las emisiones del tubo de escape.
Figura =
2.Intercambiador=
IHX
.
Fuente:
: Autores, Ecuador, 20=
17.
Figura
3.
Diagrama presión entalpía isoterma IHX
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
En
la figura 3 se representa en color verde el ciclo original de funcionamiento
del A/C donde sus valores de presión y temperatura para cada punto definen =
el
valor del COP del sistema, este valor del COP puede ser incrementado gracia=
s a
la variación de temperaturas de los puntos 1 y 3, esto se consigue con un
intercambiador de calor que se encuentra entre las fases de alta y baja pre=
sión
pudiéndose diferenciar en la gráfica con color azul que une los puntos del =
1´al
4´, resultado del cual en los próximos capítulos se cuantificará los valores
del COP.
Figura
4.
Esquema circuito con IHX
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
El
propósito de considerar los volúmenes del intercambiador para el diseńo de =
los
mismos es con el fin de determinar los efectos en los cuales se podrían var=
iar
para el diseńo del intercambiador.
Se
debe tomar en cuenta que existen dos volúmenes, el primero es el volumen
interno del intercambiador o el de la cámara interna y el segundo es el que
rodea a la cámara interior.
Figura
5.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Diseńo de
experimentos
El
diseńo de experimentos (DOE) es una técnica estadística que se basa en
organizar y diseńar una serie de experimentos de forma que con el mínimo nú=
mero
de pruebas se consiga extraer información útil para obtener conclusiones que
permitan optimizar la configuración de un proceso o producto.
Figura
6.
Diseńo Factorial DOE
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
En
los experimentos se realizarán de acuerdo al diseńo experimental dieciocho
corridas con el sistema de aire acondicionado incorporando los intercambiad=
ores
de calor en velocidad uno y en velocidad dos, con el fin de recopilar los d=
atos
de temperatura y presión en cada uno de los puntos críticos del sistema, los
mismos que serán tomados en las mismas condiciones que en las corridas del
sistema en condiciones normales.
Las
pruebas experimentales para la caracterización del ciclo de refrigeración se
las realiza en el laboratorio de aires acondicionados de la Escuela superior
politécnica de Chimborazo, mediante el uso del
banco de pruebas de aires acondicionados automotrices, el mismo que
brinda la posibilidad de tomar las lectura tanto de presiones como de temperaturas a las cuales funciona un s=
istema
de aires acondicionado automotriz, adicional a esto se puede realizar prueb=
as
continuas y recopilar estos parámetros en tiempo real por medio de una tarj=
eta
de adquisición de datos.
Figura
7.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Sensor de presión
(circuito de baja presión)
Los
sensores determinados para la recopilación de datos del circuito de baja
presión es el transmisor de presión de tipo HR-PTM300 y es uno de los más
aplicados para la medición de aire y líquido.
Figura
8.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Los
sensores determinados para la recopilación de datos del circuito de alta
presión es el sensor de presión de tipo HK-1100C y es uno de los más aplica=
dos
para la medición de en la industria.
Figura
9.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Los
sensores determinados para la recopilación de datos del circuito de alta y =
baja
presión son los sensores de NTC-10k, el mismo que es un termistor que al
aumentar la temperatura, razón por la que también aumenta sus componentes
internos, motivo por el cual su resistencia es menor.
Figura
10. <=
span
lang=3DES-EC style=3D'mso-bidi-font-size:12.0pt;line-height:115%;font-famil=
y:"Times New Roman",serif'>Sensor
de temperatura NTC-10K.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
El
compresor que se utilizara en el banco de pruebas es un compresor de carrera
variable y funciona con dos velocidades a 1 750 rpm y 1 805 rpm.
Para
la caracterización del sistema normal del aire acondicionado se establecen =
los
valores tanto de presión como de temperatura medidos a las salidas del
compresor, condensador y evaporador, para posteriormente realizarla
incorporando ya el intercambiador de calor, con valores medidos a las entra=
das
y salidas del intercambiador y de esta manera lograr predecir los rangos de
operación y verificar el incremento del COP.
Resultados.
Como
se explicó anteriormente la variación de la temperatura tanto en la entrada=
del
compresor como a la entrada de la válvula de expansión determinan el aumento
del coeficiente de desempeńo, los mismos que se valoraron para determinar su
comportamiento.
Variación
de temperatura en la entrada del compresor.
Una
vez determinados los valores tanto de temperatura como de presión con el ci=
clo
normal de funcionamiento del sistema de aire acondicionado, se procede a
determinar el comportamiento del COP en cuanto al aumento de temperatura en=
la
entrada del compresor.
Figura
11. <=
span
lang=3DES-EC style=3D'mso-bidi-font-size:12.0pt;line-height:115%;font-famil=
y:"Times New Roman",serif'>Variación
COP vs. T entrada del compresor.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
A
continuación, se procede a determinar el comportamiento del COP en cuanto a=
la
disminución de temperatura en la entrada de la válvula de expansión.
Figura
12. <=
span
lang=3DES-EC style=3D'mso-bidi-font-size:12.0pt;line-height:115%;font-famil=
y:"Times New Roman",serif'>Variación
COP vs. T entrada válvula de expansión.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Con
los datos obtenidos y utilizando el software Minitab se procede a realizar =
una
regresión seleccionando los mejores subconjuntos para determinar los valore=
s de
la variación de temperatura con respecto a los volúmenes de la cámara inter=
na
como de la externa.
Figura
13. <=
span
class=3DGramE>Predictor variación
de temperatura tramo de baja presión.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Por
medio del software se logra determinar que R2 es del 86,9%, lo q=
ue
nos indica que las variables seleccionadas son las correctas ya que mientras
más alto sea este valor, mejor será el ajuste del modelo a los datos.
Figura
14. <=
span
lang=3DES-EC style=3D'mso-bidi-font-size:12.0pt;line-height:115%;font-famil=
y:"Times New Roman",serif'>Probabilidad
normal regresión ΔT tramo de baja presión.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Determinada
la regresión se resume el modelo con un R2 de 86,86 % y una
desviación estándar de 2,213 y obteniendo una ecuación justificada
experimentalmente.
=
El
decremento de la temperatura en el punto crítico tres antes de la válvula de
expansión es importante para el incremento del COP como se pudo determinar
anteriormente, por lo tanto, es necesario dar un tratamiento estadístico al
modelo experimental en relación de la variación de temperatura que se provo=
ca
en el intercambiador de acuerdo a las tres geometrías evaluadas.
Figura
15. <=
span
lang=3DES-EC style=3D'mso-bidi-font-size:12.0pt;line-height:115%;font-famil=
y:"Times New Roman",serif'> Predictor variación<=
/span>
de temperatura tramo de alta presión.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Por
medio del software se logra determinar que R2 es del 95,2%, lo q=
ue
nos indica que las variables seleccionadas son las correctas ya que mientras
más alto sea este valor, mejor será el ajuste del modelo a los datos.
Figura
16. <=
span
lang=3DES-EC style=3D'mso-bidi-font-size:12.0pt;line-height:115%;font-famil=
y:"Times New Roman",serif'>Probabilidad
normal regresión ΔT tramo de baja presión.
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Determinada
la regresión se resume el modelo con un R2 de 95,17 % y una
desviación estándar de 0,565 y obteniendo una ecuación justificada experime=
ntalmente.
<=
!--[if gte msEquation 12]>
Determinadas
las ecuaciones que nos ayudan con la determinación de los valores de la
variación de temperatura en los dos tramos del circuito se procede a realiz=
ar
una regresión estadística para determinar el efecto de la variación de
temperatura en el COP, obteniendo los siguientes resultados.
<=
!--[if gte msEquation 12]>
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif'>
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif'>
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif'>
Figura
17.
COP Vs TA y TX.=
Fuente:
Autores, Ecuador, 2017.
Conclusiones.<= o:p>
ˇ =
La
implementación de intercambiadores de calor coaxiales en los sistemas de
refrigeración automotriz proporcione ventajas de eficiencia en el consumo p=
ara
ciertas zonas de operación, estas ventajas están en el orden del 4% respect=
o a
sistemas de aire acondicionado estándar, por tal motivo esta investigación
brinda ventajas ambientales y económicas que permitirán un punto de partida
dentro de la optimización de sistemas de refrigeración por compresión del
R134A.
ˇ =
La
forma de los intercambiadores de calor es un factor importante al momento de
optimizar espacios en el habitáculo de motor en vista de formas curvas ofre=
cen
mayor incremento de COP por metro cuadrado de material con que manufacturo =
los
intercambiadores.
ˇ =
De
acuerdo a los resultados se logró obtener una estimación precisa de la
relación, manteniendo unos pocos datos con residuos grandes, pero estos val=
ores
fuera de lo normal no representan un problema para la normalidad del modelo=
.
ˇ =
Se
determinó una correlación entre los volúmenes de la cámara interna como la
externa en relación al COP, estableciendo parámetros importantes para el di=
seńo
de intercambiadores de calor para estos sistemas.
ˇ =
La
relación entre el COP y las var=
iables
T es estadísticamente significa=
tiva con
un valor de R2 de 99,97%, por lo que esta ecuación se puede util=
izar
para predecir el COP para valores específicos de las variables T, o para
encontrar la configuración de las variables T que corresponda a un valor o
rango de valores deseado para el COP.
Referencias
bibliográficas.
International Journal of Refrigeration, Brow, J. S., Yana, S. F., &
Prior, D. A. (2002). Comparitive analysis of an automotive air conditioning
systems operating with CO2 and R134a. International Journal of Refrigera=
tion,
1932.
International Journal of Refrigeration
Mota-Babiloni, A., Navarro-Esbrí, J., Barragán-Cervera, Á., Molés, F=
.,
& Peris, B. (2014). Analysis based on EU Regulation No 517/2014 of new
HFC/HFO mixtures as alternatives of high GWP refrigerants in refrigeration =
and
HVAC systems. International Journal of Refrigeration, 21-31.
Mobility Air Conditionig Society. MACS. (06 de Enero de 2017).
pdcahome
Termodinámica. Cengel. (2007). Termodinámica. Mc Graw Hill.
=
=
=
=
Para
citar el artículo indexado.
Montúfar
P, Bolívar A., Moreno L. & Noboa G.
(2018). Aplicación de intercambiadores de calor
coaxiales en la optimización del cop de sistema=
s de
refrigeración automotriz por compresión del gas r134a. <=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif'>Revista
electrónica Ciencia Digital 2(2), 561-577. Recuperado desd=
e: http://cienciadigital.org/revistacienciadigita=
l2/index.php/CienciaDigital/article/view/119/110
=
El
artículo que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital.
El
articulo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1]Escuela Supe=
rior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo Ecuador, pamp6010@hotmail.com<=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:10.0pt;font-family:"Times New Roman",serif;
mso-ansi-language:ES-EC'>
<=
![if !supportFootnotes]>[2=
]Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chim=
borazo
Ecuador, bcuaical@espoch.edu.ec
<=
![if !supportFootnotes]>[3=
]Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chim=
borazo
Ecuador, limoreno@espoch.edu.ec
[4]Universidad
Estatal de Bolívar, Bolívar,
Ecuador, procuraduría@ueb.edu.ec
www.cienciadigital.org
Vol. 2, N°2, p. 56=
1-577,
Abril - Junio, 2018