Estudio de la formación y crecimiento de la escarcha en evaporadores de tubos y aletas para bombas de calor Aire-Agua

Abstract

[ES] El fenómeno de la aparición, el crecimiento y la acumulación de la escarcha penaliza el funcionamiento eficiente de una bomba de calor aerotérmica entorpeciendo la transferencia de calor entre el aire y el refrigerante, actuando como un aislante térmico. Además, la escarcha bloquea la superficie de paso del aire ambiente, reduciéndose así el caudal que lo atraviesa. En consecuencia, la bomba de calor aumenta el consumo eléctrico y reduce su capacidad térmica. Los sistemas aerotérmicos requieren de un sistema de desescarche que elimine la escarcha. El fenómeno del desescarche es el segundo consumo de energía más importante, el primero es la producción térmica en si misma Las estrategias de reducción se basan en el diseño condicionado del evaporador, nuevos sistemas de desescarche y un mejor control de estos ciclos. En lo relativo al diseño condicionado, se presenta la problemática de que la formación y crecimiento de escarcha es un proceso complicado de parametrizar y los modelos de cálculo están limitados, por lo que los fabricantes invierten muchos recursos para la realización de prototipos y ensayos de prueba–error. Se valida un modelo (en fase inicial) auxiliar al software IMST-ART para el cálculo de la generación de escarcha con la información recogida durante una campaña experimental en diferentes condiciones de funcionamiento, realizando diversas simulaciones, iteraciones, ajustes y el correspondiente análisis. Se obtienen resultados con errores relativos cercanos al 10% en la media de los ensayos en condiciones diferentes, lo que se considera aceptable. Dado este paso, debe continuar desarrollándose el modelo para conseguir que este permita simular con mayor fidelidad los resultados pues con un modelo más avanzado puede obtenerse información útil para asistir en el diseño de evaporadores condicionado por la escarcha y, en definitiva, mejorar la tecnología y reducir los costes.

[CAT] El fenomen de l'aparició, el creixement i l'acumulació del gebre penalitza el funcionament eficient d'una bomba de calor aerotèrmics entorpint la transferència de calor entre l'aire i el refrigerant, actuant com un aïllant tèrmic. A més, el gebre bloqueja la superfície de pas de l'aire ambient, reduint-se així el cabal que el travessa. En conseqüència, la bomba de calor augmenta el consum elèctric i redueix la seua capacitat tèrmica. Els sistemes aerotèrmics requereixen d'un sistema de desgebrament que elimini el gebre. El fenomen del desgebrament és el segon consum d'energia més important, el primer és la producció tèrmica en si mateixa. Les estratègies de reducció es basen en el disseny condicionat de l'evaporador, nous sistemes de desgebrament i un millor control d'aquests cicles. Quant al disseny condicionat, es presenta la problemàtica que la formació i creixement de gebre és un procés complicat de parametritzar i els models de càlcul estan limitats, per la qual cosa els fabricants inverteixen molts recursos per a la realització de prototips i assajos de prova–error. Es valida un model (en fase inicial) auxiliar al programari IMST-ART per al càlcul de la generació de gebre amb la informació recollida durant una campanya experimental en diferents condicions de funcionament, realitzant diverses simulacions, iteracions, ajustos i la corresponent anàlisi. S'obtenen resultats amb errors relatius pròxims al 10% en la mitjana dels assajos en condicions diferents, la qual cosa es considera acceptable. Donat aquest pas, ha de continuar desenvolupant-se el model per a aconseguir que aquest permeta simular amb major fidelitat els resultats perquè amb un model més avançat pot obtindré informació útil per a assistir en el disseny d'evaporadors condicionat pel gebre i, en definitiva, millorar la tecnologia i reduir els costos.

[EN] The phenomenon of the appearance, growth and accumulation of frost hinders the efficient operation of an aerothermal heat pump by hindering heat transfer between the air and the refrigerant, acting as a thermal insulator. In addition, frost blocks the surface area of the ambient air, thus reducing the flow rate through it. Consequently, the heat pump increases electricity consumption and reduces its thermal capacity. Aerothermal systems require a defrosting system to remove the frost. Defrosting is the second most important energy consumption, the first being thermal production in itself. Reduction strategies are based on conditioned evaporator design, new defrost systems and better control of these cycles. Regarding conditioned design, the problem is that frost formation and growth is a complicated process to parameterize, and calculation models are limited, so manufacturers invest a lot of resources in prototyping and trial-and-error tests. A model (in initial phase) auxiliary to the IMST-ART software for the calculation of frost generation is validated with the information collected during an experimental campaign in different operating conditions, performing several simulations, iterations, adjustments, and the corresponding analysis. Results are obtained with relative errors close to 10% in the average of the tests in different conditions, which is considered acceptable. Given this step, the model should continue to be developed to achieve a more accurate simulation of the results, since with a more advanced model useful information can be obtained to assist in the design of evaporators conditioned by frost and, in short, to improve technology and reduce costs.