Análisis numérico de los mapas de patrones de flujo del refrigerante R600a en un colector/evaporador de una bomba de calor asistida por energía solar

En la presente investigación se detallan los mapas de patrones de flujo que se generan en una tubería horizontal de un colector/evaporador componente de una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar, utilizando el refrigerante R600a como fluido de trabajo. El estudio se realizó en una tubería de 3,8 mm de diámetro interno y 1000 mm de longitud, las velocidades de masa variaron entre 197,59 y 267,26 kg·m^-2·s^-1, el flujo de calor entre 72,83 y 488,27 W·m^-2, durante las pruebas experimentales se presentó una radiación solar incidente entre 0 y 652,9 W·m^-2. Se consideró para el análisis la correlación de Wojtan, Ursenbacher y Thome, el modelo utilizado no requiere de cálculos iterativos, además, plantea un análisis detallado de las diferentes zonas presentes a lo largo de la tubería, evidenciando una mayor precisión en los resultados. Las zonas predominantes en los resultados de este estudio son intermitente, anular y secado, encontrados en las cinco pruebas, sin embargo, por las condiciones de trabajo en todas las pruebas a excepción de la prueba A, se encontró el flujo niebla y estratificado-ondulado.

Número

Núm. 26 (2021): julio-diciembre

Sección

Artículo Científico

La Universidad Politécnica Salesiana de Ecuador conserva los derechos patrimoniales (copyright) de las obras publicadas y favorecerá la reutilización de las mismas. Las obras se publican en la edición electrónica de la revista bajo una licencia Creative Commons Reconocimiento / No Comercial-Sin Obra Derivada 4.0 Ecuador: se pueden copiar, usar, difundir, transmitir y exponer públicamente.

El autor/es abajo firmante transfiere parcialmente los derechos de propiedad (copyright) del presente trabajo a la Universidad Politécnica Salesiana del Ecuador, para las ediciones impresas.

Se declara además haber respetado los principios éticos de investigación y estar libre de cualquier conflicto de intereses.

El autor/es certifican que este trabajo no ha sido publicado, ni está en vías de consideración para su publicación en ninguna otra revista u obra editorial.

El autor/es se responsabilizan de su contenido y de haber contribuido a la concepción, diseño y realización del trabajo, análisis e interpretación de datos, y de haber participado en la redacción del texto y sus revisiones, así como en la aprobación de la versión que finalmente se remite en adjunto.

Biografía del autor/a

William Quitiaquez

William Giovanny Quitiaquez Sarzosa, nació el 11 de Marzo del año 1988, sus estudios de primaria los realizó en la escuela Pensionado Mixto Rumiñahui, luego de esto ingresó al Colegio Técnico “Don Bosco” institución en la cual obtuvo el título de Bachiller Técnico en Mecánica Industrial, tiempo después logró ingresar a la prestigiosa Universidad Politécnica Salesiana en la cual obtuvo el título de Ingeniero Mecánico en el año 2011, para esto realizó el diseño y construcción de una máquina extractora de aceite de chonta un fruto muy conocido en el Oriente Ecuatoriano, dicha máquina fue realizada para ayudar a las personas que habitan en la Amazonía Ecuatoriana, con dicho proyecto se realizó un libro titulado “Diseño y construcción de molinos para extraer aceite de los frutos de chonta y morete” el cual servirá como una herramienta de estudio para futuras generaciones, sus estudios de cuarto nivel los realizó en la Universidad Técnica de Cotopaxi obteniendo el título de Magister en Gestión de Energías Renovables, realizó un proyecto de investigación en la Universidad Politécnica Salesiana, lugar donde brinda sus servicios profesionales como docente investigador en la Carrera de Ingeniería Mecánica, la investigación estuvo enfocada en la obtención de agua destilada utilizando únicamente energía solar. Realizó tres ponencias internacionales en Cuba en el “Seminario Internacional de Energías CINAREM 2013” y en Ecuador en las “Segundas Jornadas Internacionales de Investigación Científica, Energías Renovables y Calidad Energética” representando de una manera excelente a su país natal y a la Universidad Politécnica Salesiana.

Referencias

[1] J. Calle-Sigüencia and O. Tinoco-Gómez, “Obtención de ACS con energía solar en el cantón Cuenca y análisis de la contaminación ambiental,” Ingenius, no. 19, pp. 89–101, 2018. [Online]. Available: https://doi.org/10.17163/ings.n19.2018.09
[2] W. Quitiaquez, J. Estupiñán Campos, C. Isaza Roldán, F. Toapanta-Ramos, and A. Lobato-Campoverde, “Análisis numérico de un sistema de calentamiento de agua utilizando un colector solar de placa plana,” Ingenius, no. 24, pp. 97–106, 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.17163/ings.n24.2020.10
[3] N. Abas, A. R. Kalair, N. Khan, A. Haider, Z. Saleem, and M. S. Saleem, “Natural and synthetic refrigerants, global warming: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 90, pp. 557–569, 2018. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.099
[4] K. Nawaz, B. Shen, A. Elatar, V. Baxter, and O. Abdelaziz, “R290 (propane) and R600a (isobutane) as natural refrigerants for residential heat pump water heaters,” Applied Thermal Engineering, vol. 127, pp. 870–883, 2017. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.08.080
[5] C.-C. Yu and T.-P. Teng, “Retrofit assessment of refrigerator using hydrocarbon refrigerants,” Applied Thermal Engineering, vol. 66, no. 1, pp. 507–518, 2014. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.02.050
[6] X. Zhuang, M. Gong, X. Zou, G. Chen, and J. Wu, “Experimental investigation on flow condensation heat transfer and pressure drop of R170 in a horizontal tube,” International Journal of Refrigeration, vol. 66, pp. 105–120, 2016. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.02.010
[7] J. C. Pérez Angulo, C. Simancas, and N. Santos Santos, “Modelamiento y simulación de un sistema no convencional de levantamiento multifasico,” Fuentes, el reventón energético, vol. 14, no. 1, pp. 19–34, 2016. [Online]. Available: https://doi.org/10.18273/revfue.v14n1-2016002
[8] L. Wojtan, T. Ursenbacher, and J. R. Thome, “Investigation of flow boiling in horizontal tubes: Part I–A new diabatic two-phase flow pattern map,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, no. 14, pp. 2955–2969, 2005. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.12.012
[9] N. Kattan, J. R. Thome, and D. Favrat, “Flow boiling in horizontal tubes: Part 1–Development of a diabatic two-phase flow pattern map,” Journal of Heat Transfer, vol. 120, no. 1, pp. 140–147, Oct. 1998. [Online]. Available: https://doi.org/10.1115/1.2830037
[10] H. Mashouf, M. Shafaee, A. Sarmadian, and S. Mohseni, “Visual study of flow patterns during evaporation and condensation of R-600a inside horizontal smooth and helically dimpled tubes,” Applied Thermal Engineering, vol. 124, pp. 1392–1400, 2017. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.06.125
[11] A. Vahabi, M. Shafaee, A. Sarmadian, and H. Mashoof, “Discovering an empirically new relation and obtain the flow pattern map for dimpled tubes in two-phase flow for refrigerant R600-a,” Modares Mechanical Engineering, vol. 17, no. 7, 2017. [Online]. Available: http://dorl.net/dor/20.1001.1.10275940.1396.17.7.25.7
[12] J. D. de Oliveira, J. B. Copetti, and J. C. Passos, “Experimental investigation on flow boiling pressure drop of R-290 and R-600a in a horizontal small tube,” International Journal of Refrigeration, vol. 84, pp. 165–180, 2017. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2017.08.004
[13] Z.-Q. Yang, M. Gong, G. Chen, Z. Lin, H. Huang, and H. Feng, “A new diabatic two phase flow pattern transition model of R600a,” International Journal of Refrigeration, vol. 99, pp. 138–144, 2019. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.12.025
[14] Y. Zhu, X. Wu, and R. Zhao, “R32 flow boiling in horizontal mini channels: Part I. Two-phase flow patterns,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 115, pp. 1223–1232, 2017. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.07.101
[15] X. Zhuang, M. Gong, G. Chen, X. Zou, and J. Shen, “Two-phase flow pattern map for R170 in a horizontal smooth tube,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 102, pp. 1141–1149, 2016. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.06.094
[16] J. Liu, J. Liu, and X. Xu, “Diabatic visualization study of R245fa two phase flow pattern characteristics in horizontal smooth and microfin tube,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 152, p. 119513, 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119513
[17] J. Diehl de Oliveira, J. Biancon Copetti, and J. C. Passos, “An experimental investigation on flow boiling heat transfer of R-600a in a horizontal small tube,” International Journal of Refrigeration, vol. 72, pp. 97–110, 2016. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.08.001
[18] M. Nasr, M. Akhavan-Behabadi, M. Momenifar, and P. Hanafizadeh, “Heat transfer characteristic of r-600a during flow boiling inside horizontal plain tube,” International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 66, pp. 93–99, 2015. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2015.05.024
[19] Z. Wang, P. Guo, H. Zhang, W. Yang, and S. Mei, “Comprehensive review on the development of sahp for domestic hot water,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 72, pp. 871–881, 2017. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.127
[20] D. Zhang, Q. Wu, J. Li, and X. Kong, “Effects of refrigerant charge and structural parameters on the performance of a directexpansion solar-assisted heat pump system,” Applied Thermal Engineering, vol. 73, no. 1, pp. 522–528, 2014. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.07.077
[21] G.-H. Shi, L. Aye, D. Li, and X.-J. Du, “Recent advances in direct expansion solar assisted heat pump systems: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 109, pp. 349–366, 2019. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.04.044
[22] X. Kong, P. Sun, Y. Li, K. Jiang, and S. Dong, “Experimental studies of a variable capacity directexpansion solar-assisted heat pump water heater in autumn and winter conditions,” Solar Energy, vol. 170, pp. 352–357, 2018. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.081
[23] W. Quitiaquez, I. Simbaña, R. Caizatoa, C. Isaza, C. Nieto, P. Quitiaquez, and F. Toapanta, “Análisis del rendimiento termodinámico de una bomba de calor asistida por energía solar utilizando un condensador con recirculación,” Revista Técnica Energía, vol. 16, no. 2, pp. 111–125, 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v16.n2.2020.358
[24] G. K. Singh, S. Pradhan, and V. Tanna, “Experimental studies of two phase flow characteristics and void fraction predictions in steady state horizontal two-phase nitrogen flow,” Cryogenics, vol. 100, pp. 77–84, 2019. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2019.04.007
[25] C.-M. Yang and P. Hrnjak, “A new flow pattern map for flow boiling of R410a in horizontal micro-fin tubes considering the effect of the helix angle,” International Journal of Refrigeration, vol. 109, pp. 154–160, 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.09.013
[26] M. Shafaee, H. Mashouf, A. Sarmadian, and S. Mohseni, “Evaporation heat transfer and pressure drop characteristics of R-600a in horizontal smooth and helically dimpled tubes,” Applied Thermal Engineering, vol. 107, pp. 28–36, 2016. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.06.148
[27] Z.-Q. Yang, G.-F. Chen, X.-R. Zhuang, Q.-L. Song, Z. Deng, J. Shen, and M.-Q. Gong, “A new flow pattern map for flow boiling of R1234ze(E) in a horizontal tube,” International Journal of Multiphase Flow, vol. 98, pp. 24–35, 2018. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2017.08.015
[28] L. Wojtan, T. Ursenbacher, and J. R. Thome, “Investigation of flow boiling in horizontal tubes: Part II–Development of a new heat transfer model for stratified-wavy, dryout and mist flow regimes,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, no. 14, pp. 2970–2985, 2005. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.12.013
[29] J. D. de Oliveira, J. C. Passos, J. B. Copetti, and C. van der Geld, “Flow boiling heat transfer of propane in 1.0 mm tube,” Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 96, pp. 243–256, 2018. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2018.03.010

Barra lateral del artículo

Contenido principal del artículo

Resumen

Detalles del artículo

William Quitiaquez

Referencias