Modelo distribuído aplicado à análise do desempenho de condensadores do tipo tubo-aletado

Abstract

Neste trabalho apresenta-se um modelo distribuído para analisar o desempenho de condensadores do tipo tubo-aletado, comumente usados em sistemas de refrigeração comerciais e sistemas de condicionamento de ar. Essa análise envolve a modelagem do escoamento e da transferência de calor do fluido refrigerante no interior dos tubos do condensador e a modelagem da transferência de calor entre os tubos aletados e o ar externo. No interior dos tubos o escoamento é considerado unidimensional e dividido em uma região monofásica de vapor superaquecido, uma região bifásica líquido-vapor e outra em que o refrigerante se encontra no estado de líquido sub-resfriado. A queda de pressão no interior do tubo é considerada. Na região bifásica o escoamento é considerado homogêneo, ou seja, são consideradas condições de equilíbrio hidrodinâmico e térmico entre as fases. As equações fundamentais de conservação da massa, da quantidade de movimento e de conservação de energia, aplicadas ao escoamento do fluido refrigerante, são resolvidas usando-se o método de Volumes Finitos e o sistema de equações algébricas resultante é solucionado iterativamente por substituições sucessivas. Da mesma forma, são resolvidas as equações de conservação da energia na parede do tubo e de conservação de energia do ar, para obter, respectivamente, as distribuições de temperatura da parede do tubo e de temperatura do ar. O modelo pode ser usado para determinar a capacidade do condensador, as distribuições de pressão e temperatura do fluido refrigerante, a queda de pressão e o aumento de temperatura do ar, conhecidas as condições de operação e seus parâmetros geométricos. Os resultados numéricos de capacidade do condensador foram comparados com dados experimentais, disponíveis na literatura, e o desvio absoluto médio foi de 1,3%, para condensadores com o mesmo espaçamento entre aletas, e de 4% para condensadores com diferentes espaçamentos entre aletas.

This work presents a distributed model is presented to analyze the performance of tubefinned condensers, commonly used in commercial refrigeration systems and air conditioning systems. This analysis involves the modeling of the flow and heat transfer from the refrigerant inside the condenser tubes and the modeling of the heat transfer between the finned tubes and the external air. Inside the tubes the flow is considered one-dimensional and divided into a vapor superheated single-phase region, a two-phase liquid-vapor region and a subcooled liquid region. The refrigerant pressure drop is taking into account. The homogeneous model is hydrodynamic and thermal equilibrium between the phases are considered. The fundamental equations of mass conservation, momentum and energy conservation for the refrigerant flow are solved by Finite Volume method and the resulting system of algebraic equations is solved iteratively by successive substitutions. Also, the energy conservation equation for the tube wall and the energy conservation for the air are solved to obtain the tube wall temperature and air temperature distributions, respectively. The model can be used to determine the condenser capacity, the distributions of temperature and pressure of the refrigerant fluid, the pressure drop end temperature increase of the air, knowing the operating conditions and their geometric parameters. The calculated results of condensing capacity were compared with experimental data, available in the literature, and the mean absolute deviation was 1.3%, for condensers with the same fin spacing, and 4% for condensers with different fin spacing.