Estudio teórico experimental del proceso de "flashing" de refrigerantes en válvulas de expansión

Abstract

[EN] In the regulation of a refrigeration system the expansion device have a fundamental role. The precise understanding of the way in which it works with different refrigerants is of crucial relevance in order to perform a precise design of these systems, as well as, to assist to its proper selection as a function of its capacity and the employed refrigerant. This thesis presents on the one hand the experimental characterization of the mass flow rate through an expansion valve with three different refrigerants: R22 (HCFC) as reference; R290 (propane) as a natural refrigerant, and R410A (HFC), currently one of the most common refrigerants, in a wide range of operating conditions and for different valve lifts. On the other hand, the work also includes the study of the modeling of the refrigerant flow through the expansion valve, and the development of a model based on the flashing process, with sufficient predictive ability to determine the mass flow rate circulating through the expansion valve according to the upstream fluid conditions and the opening valve. In order to determine accurately and precisely the minimum geometric area and the effective single-phase area of the expansion valve, it has been measured in the metrological center of UPV. In addition detailed hydraulic and pneumatic studies of the vale in two different test benches have been carried out. The analysis of experimental results obtained for the three refrigerants has shown that the mass flow rate through the expansion valve is strongly dependent on the upstream pressure and the degree of subcooling, but also slightly dependent on the downstream pressure. For the range of typical operation of heat pump and refrigeration systems, unlike some studies in literature have observed, the first-stage choking phenomena was not observed in our case. Instead, all the obtained results seem to be in the second-stage choking non-ideal flow. Obviously, the effect of the flow area on the mass flow is very important. The developed model of mass flow rate through expansion valves is basically derived from the Bernoulli equation for incompressible single-phase flow through orifices from assuming that the flow at vena contracta section is almost entirely liquid. The pressure at the vena contracta section is determined from the correlations obtained by Alamgir et al. [1981] and Abuaf et al. [1983] for water depressurization in "flashing" type expansions, in which a sudden depressurization occurs and subcooled liquid passes to metastable liquid and finally to two-phase flow. An adjustment coefficient, Ctwo-phase, was added to the model in order to take into account the effect of bubbles formation in the flow restriction, depending on the opening of the valve. This coefficient depends only on the flow area and it is close to the unit at high values of the flow area. The obtained results were found to be in good agreement with the measured data with approximately 95% of the measured data falling within a relative deviation of ±7%.

[ES] En la regulación del sistema de refrigeración como conjunto, el ajuste y estado del dispositivo de expansión tiene un papel fundamental, y el mejor conocimiento de su funcionamiento resulta de sumo interés para el correcto diseño del equipo, así como para asistir su correcta selección en función de la capacidad del mismo y del refrigerante empleado. Este trabajo de tesis doctoral presenta por un lado la caracterización experimental del flujo másico circulante a través de una válvula de expansión con distintos refrigerantes: el R22 (HCFC) como referencia, el R290 (propano) como refrigerante natural, y el R410A (HFC) como uno de los refrigerantes más habituales en la actualidad, en un amplio rango de condiciones de funcionamiento, para diferentes levantamientos de la válvula a estudio. Por otro lado, el trabajo incluye también el estudio del modelado del proceso de expansión a través de la válvula, y el desarrollo de un modelo basado en el proceso físico que se produce: "flashing", con capacidad predictiva suficiente para poder determinar el gasto másico circulante a través de la válvula de expansión en función de las condiciones del fluido aguas arriba y el área de paso de la misma. Para determinar con precisión y exactitud el área mínima geométrica y el área efectiva monofásica de la válvula de expansión se ha realizado medidas en el centro metrológico de la UPV, y también un estudio hidráulico y neumático detallado de la misma en sendos bancos de ensayo. El análisis de los resultados experimentales para los tres refrigerantes empleados ha mostrado que el gasto másico a través de la válvula de expansión es fuertemente dependiente de la presión aguas arriba y el grado de subenfriamiento, pero también ligeramente dependiente de la presión aguas abajo. Para el rango de funcionamiento típico de equipos de bomba de calor y sistemas de refrigeración, no se ha observado la primera etapa de flujo bloqueado que se mencionó en algunos estudios de la literatura, estando la totalidad de los resultados obtenidos claramente en la segunda etapa de flujo bloqueado no ideal. Obviamente, el efecto del área de paso sobre el gasto másico es muy determinante. El modelo de gasto másico a través de válvulas de expansión desarrollado se deriva básicamente de la ecuación de Bernoulli para flujo monofásico incompresible a través de orificios asumiendo que el flujo hasta la sección de vena contracta se encuentra prácticamente en su totalidad en estado líquido. La presión en la sección de vena contracta se ha determinado a partir de las correlaciones que obtuvieron Alamgir et al. [1981] y Abuaf et al. [1983] para la despresurización del agua en expansiones tipo "flashing", en los que se produce una despresurización súbita y el líquido subenfriado pasa a líquido metaestable y finalmente a flujo bifásico. Se ha añadido un coeficiente de ajuste, Cbifásico, en el modelo para tener en cuenta el efecto que puede tener la formación de burbujas en la restricción del flujo, en función del área de paso de flujo circulante a través de las válvulas. Este coeficiente sólo depende del área de paso y se acerca a la unidad a partir de un cierto tamaño del área de paso. Los resultados del modelo presentado en esta tesis doctoral son muy satisfactorios, llegando a predecir el 95% de los resultados con una desviación máxima del 7 %.

[CA] En la regulació del sistema de refrigeració com a conjunt, l'ajust i estat del dispositiu d'expansió té un paper fonamental i el millor coneixement del seu funcionament amb distints refrigerants resulta del màxim interés per al correcte disseny d'estos, així com per a assistir la seua correcta selecció en funció de la capacitat i del refrigerant empleat. Este treball de tesi doctoral presenta per un costat la caracterització experimental del flux màssic circulant a través d'una vàlvula d'expansió amb distints refrigerants: el R22 (HCFC) com a referència; el R290 (propà) com refrigerant natural, i el R410A (HFC) com un dels refrigerants més habituals en l'actualitat, en un ampli rang de condicions de funcionament, per a diferents alçaments de la vàlvula a estudi. D'altra banda, el treball inclou també l'estudi del modelatge del procés d'expansió a través de la vàlvula, i el desenrotllament d'un model basat en el procés físic que es produïx "flashing", amb capacitat predictiva suficient per a poder determinar el gasto màssic circulant a través de la vàlvula d'expansió en funció de les condicions del fluid aigües dalt i l'àrea de pas de la mateixa. Per a determinar amb precisió i exactitud l'àrea mínima geomètrica i l'àrea efectiva monofàsica de la vàlvula d'expansió s'han realitzat mesures en el centre metrológico de la UPV, i també un estudi hidràulic i pneumàtic detallat de la mateixa en sengles bancs d'assaig. L'anàlisi dels resultats experimentals per als tres refrigerants empleats ha mostrat que el fluxe màssic a través de la vàlvula d'expansió és fortament dependent de la pressió aigües dalt i el grau de subrefredament, però també lleugerament dependent de la pressió aigües aball. Per al rang de funcionament típic d'equips de bomba de calor i sistemes de refrigeració, no s'ha observat la primera etapa de flux bloquejat que es va mencionar en alguns estudis de la literatura, estant la totalitat dels resultats obtinguts clarament en la segona etapa de flux bloquejat no ideal. Òbviament, l'efecte de l'àrea de pas sobre el gasto màssic és molt determinant. El model de fluxe màssic a través de vàlvules d'expansió desenvolupat es deriva bàsicament de l'equació de Bernoulli per a flux monofàsic incompressible a través d'orificis a partir d'assumir que el flux fins a la secció de vena contracta es troba pràcticament en la seua totalitat en estat líquid. La pressió en la secció de vena contracta s'ha determinat a partir de les correlacions que van obtindre Alamgir t'al. [1981] i Abuaf t'al. [1983] per a la despresurització del aigua en expansions del típus "flashing", en eles que es produeix una despresurització súbita i el líquid subrefredad passa a líquid metaestable i finalment a fluxe bifásic. S'ha afegit un coeficient d'ajust, Cbifásico, en el model per a tindre en compte l'efecte que pot tindre la formació de bambolles en la restricció del flux, en funció de l'àrea de pas de flux circulant a través de les vàlvules. Este coeficient només depén de l'àrea de pas i s'acosta a la unitat a partir d'una certa grandària de l'àrea de pas. Els resultats del model presentat en aquesta tesi doctoral reprodueixen el 95% dels resultats en una desviacio máxima del 7%.