Bomba de calor domestica trabajando con propano: Estudio experimental de la influencia de la mala distribucion del refrigerante y el aire en el funcionamiento evaporadores de tubos y aletas

Abstract

[ES] El presente trabajo ha sido realizado en el Instituto de Ingeniería Energética (IIE) de la Universitat Politècnica de València. El estudio se centra en las bombas de calor y las tecnologías de refrigeración, cuyo mercado ha estado creciendo a nivel mundial en los últimos años. El uso de bombas de calor permite reducir el empleo de quemadores de gas natural, ayudando a reducir las emisiones de GHG y la demanda de energía primaria utilizando un consumo eléctrico, siendo así relevante para la transición energética actual. Esta tesis ha sido desarrollada en el marco de un proyecto liderado por Vaillant, en colaboración con el IIE, y se trata de implementar una bomba de calor de alto rendimiento, operando con propano (R290) como refrigerante, para reducir los ciclos de descongelación y luego encontrar criterios de diseño para el evaporador. El propano no se utiliza tanto como otros refrigerantes, es inflamable, pero tiene un bajo GWP (=3). Esta tesis tiene como objetivo evaluar los efectos de los fenómenos de mala distribución en el lado refrigerante y en la parte aérea del evaporador de la bomba de calor. El análisis de la mala distribución se realizó con un análisis térmica utilizando termopares tipo T. Se realizaron y analizaron quince pruebas experimentales, 10 de las cuales estaban en condiciones normales y 5 en condiciones de formación de escarcha. Los resultados, analizados a través de una comparación con el software IMST-ART, muestran que la bomba de calor se ve ligeramente afectada por el efecto de la mala distribución, con bajas pérdidas de COP y capacidad de calefacción. La distribución del refrigerante parece mejorarse con un título de vapor x inferior, en línea con la literatura, mientras que el caudal de masa en este estudio no parece mejorar la distribución como se afirma en la literatura revisada.

[EN] The present work has been conducted and performed at the Instituto de Ingenieria Energética (IIE) of the Universitat Politècnica de València. The study is focused on heat pumps and refrigerating technologies, whose market has been growing globally in the last years. The use of heat pumps allows the reduction of the employment of natural gas burners, helping to reduce GHG emissions and primary energy demand using an electric input, being thus relevant for the current energy transition. This thesis has been developed in the framework of a project led by Vaillant, in collaboration with the IIE, and it is about implementing a heat pump with high performance, operating with propane (R290) as the refrigerant, to reduce the defrost cycles and then finding design criteria for the evaporator. Propane is not as much used as other refrigerants, it is flammable, but it has a low GWP (=3). This thesis aims at evaluating the effects of the maldistribution phenomena in the refrigerant side and the airside of the heat pump evaporator. The analysis of the maldistribution was done with a thermal analysis using thermocouples type-T. Fifteen experimental tests were done and analysed, 10 of which were in no-frost condition and 5 in frost formation condition. The results, analysed through a comparison with the software IMST-ART, show that the heat pump is lightly affected by the effect of the maldistribution, with low losses in COP and heating capacity. The refrigerant distribution seems to be improved with lower vapour title x, in line with the literature, while the mass flow rate in this study does not seem to improve the distribution as affirmed in the reviewed literature.

[ES] La mala distribución del refrigerante y el aire en evaporadores es actualmente un problema abierto y que puede degradar de forma significativa el comportamiento de estos. En el presente trabajo se pretende poner a punto una cámara climática en la que se puedan fijar de forma precisa la temperatura de aire y humedad con objeto de poder caracterizar el comportamiento de evaporadores de bombas de calor. Una vez puesta a punto la cámara, se pretende ensayar un evaporador trabajando con propano como refrigerante en distintas condiciones de funcionamiento (con y sin escarcha) para caracterizar la distribución de refrigerante y aire que podemos encontrar. Los ensayos incluirán la medida de la caída de presión en cada uno de los circuitos de este, la medida de su temperatura de evaporación, la medida del caudal de aire y perfil de velocidades en el evaporador y un perfil de temperaturas de los tubos basado en termografía. A partir de estas medidas se compararan los resultados obtenidos con los obtenidos en caso de tener una distribución uniforme de ambos fluidos. Para ello se modelara el evaporador de forma detallada asumiendo una distribución uniforme de los fluidos y se compararan los resultados teóricos con los obtenidos a nivel experimental.