Experimental analysis of the refrigerant flow maldistribution in a brazed plate heat exchanger

Abstract

[ES] Los intercambiadores de calor de placas soldadas se usan ampliamente en muchas aplicaciones industriales debido a su alta eficiencia, compacidad y rentabilidad. Para aplicaciones de recuperación de calor en bombas de calor, por ejemplo, la diferencia de temperatura en el fluido secundario puede ser superior a los utilizados en otras aplicaciones (alrededor de 5 K). Con la finalidad de encontrar la mejor estrategia para extraer la máxima cantidad de energía de aguas residuales con el mejor rendimiento global, el proyecto Europeo Next Generation of Heat Pumps working with Natural fluids (NXTHPG) centra toda su atención en construir un prototipo de una bomba de calor de agua a agua para agua caliente sanitaria (ACS) de con diferentes modos de trabajo. Sin embargo, se observa una degradación en el rendimiento global cuando se produce un fenómeno en el evaporador, llamado mala distribución. La mala distribución es la distribución no uniforme del caudal másico de refrigerante en un intercambiador de calor. Esto significa que diferentes zonas sobrecalentadas están presentes a lo largo del intercambiador de calor disminuyendo la transferencia de calor local que conduce a una degradación del COP. La temperatura no uniforme presente en la pared del evaporador debido a este efecto se puede registrar mediante una cámara termográfica. Para comprender el problema mencionado, se realizó un análisis experimental de la distribución de refrigerante en un BPHE del evaporador en función de las condiciones de entrada (título de vapor) y salida (sobrecalentamiento) para diferentes diferencias de temperatura en el fluido secundario. Para cada prueba, se toma una imagen termográfica de la superficie del intercambiador. A partir de los resultados obtenidos se trata de caracterizar el fenómeno de la mala distribución y así ayudar en el diseño de este tipo de aplicaciones.

[EN] Brazed plate heat exchangers are widely used in many industrial applications due to their high efficiency, compactness and profitability. For heat recovery applications in heat pumps, for example, the temperature difference in the secondary fluid may be greater than those used in other applications (about 5 K). In order to find the best strategy to extract the maximum amount of wastewater energy with the best overall performance, the European project ¿Next Generation of Heat Pumps working with Natural fluids¿ (NXTHPG) focuses all its attention on building a prototype of a water-to-water heat pump for domestic hot water (DHW) with different working modes. However, degradation in overall performance is observed when a phenomenon occurs in the evaporator, called maldistribution. Maldistribution is the non-uniform distribution of the mass flow of refrigerant in a heat exchanger. This means that different superheated areas are present along the heat exchanger decreasing the local heat transfer that leads to a degradation of the COP. The non-uniform temperature present on the evaporator wall due to this effect can be recorded by a themography camera. To understand the problem mentioned, an experimental analysis of the distribution of refrigerant in a BPHE was performed based on the conditions of inlet (vapor title) and outlet (superheat) for different temperature glides in the secondary fluid. For each test, a thermographic picture of the surface of the exchanger is taken. Based on the results obtained, it is about characterizing the phenomenon of maldistribution and thus helping in the design of this type of applications.

[CA] Els bescanviadors de calor de plaques soldades s'usen àmpliament en moltes aplicacions industrials a causa de la seua alta eficiència, compacitat i rendibilitat. Per a aplicacions de recuperació de calor en bombes de calor, per exemple, la diferència de temperatura en el fluid secundari pot ser superior als utilitzats en altres aplicacions (al voltant de 5 K). Amb la finalitat de trobar la millor estratègia per a extraure la màxima quantitat d'energia d'aigües residuals amb el millor rendiment global, el projecte europeu “Next Generation of Heat Pumps working with Natural fluids” (NXTHPG) centra tota la seua atenció a construir un prototip d'una bomba de calor d'aigua a aigua per a aigua calenta sanitària (ACS) d'amb diferents maneres de treball. No obstant això, s'observa una degradació en el rendiment global quan es produeix un fenomen en l'evaporador, anomenat mala distribució. La mala distribució és la distribució no uniforme del cabal màssic de refrigerant en un intercanviador de calor. Això significa que diferents zones sobrecalfades estan presents al llarg del intercanviador de calor disminuint la transferència de calor local que condueix a una degradació del COP. La temperatura no uniforme present en la paret de l'evaporador degut a aquest efecte es pot registrar mitjançant una càmera termogràfica. Per a comprendre el problema esmentat, es va realitzar una anàlisi experimental de la distribució de refrigerant en evaporador de plaques en funció de les condicions d'entrada (títol de vapor) i eixida (sobrecalfament) per a diferents diferències de temperatura en el fluid secundari. Per a cada prova, es pren una imatge termogràfica de la superfície del intercanviador. A partir dels resultats obtinguts es tracta de caracteritzar el fenomen de la mala distribució i així ajudar en el disseny d'aquest tipus d'aplicacions.