Development and Validation of a Minichannel Evaporator Model under Dehumidification

Abstract

[EN] In the first part of the current thesis, two fundamental numerical models (Fin2D-W and Fin1D-MB) for analyzing the air-side performance of minichannel evaporators were developed and verified. The Fin2D-W model applies a comprehensive two-dimensional scheme to discretize the evaporator. On the other hand, the Fin1D-MB model is based on the one-dimensional fin theory in conjunction with the moving boundaries technique along the fin height. The first objective of the two presented models is to identify and quantify the most influential phenomena encountered in the process of cooling and dehumidification. The second objective is to study the impact of the classical modeling assumptions on the air-side performance of minichannel evaporators. Different comparative studies between the traditional Effectiveness-NTU approach and the proposed numerical models were implemented to achieve the mentioned goals. The results revealed that the modeling assumptions which have the most significant impacts on the heat and mass transfer rates are: the uniform air properties along the fin height, adiabatic-fin-tip at half the height, and negligence of partial dehumidification scenarios. These widely used assumptions resulted in substantial deviations in total heat transfer rate, up to 52%, between the Effectiveness-NTU approach and Fin2D-W model.

In the second part of the thesis, the Fin1D-MB model was integrated into the IMST-ART® simulation tool to evaluate the global performance of minichannel evaporators (air- and refrigerant-side). The Fin1D-MB model was selected because of its simplicity, calculation speed, and reasonable solution accuracy relative to the Fin2D-W model. The validation of the complete Fin1D-MB model was conducted against many experimental data and numerical models available in the literature. The validation process was achieved for different heat exchanger geometries, refrigerants, and operating conditions. The results showed that for the R134a minichannel evaporators studied, the Fin1D-MB model successfully predicted the Inlet refrigerant and outlet air temperatures, cooling capacity, and refrigerant-side pressure drop within error bands of ±0.5 ºC, ±5%, and ±20%, respectively. For the CO2 (R744) minichannel evaporator studied, the presented model estimated the cooling capacity and outlet air temperature within error bands of ±10% and ±1.0 ºC, respectively. Regarding the CO2 pressure drop, the Fin1D-MB model generally underpredicted the pressure drop values compared to the experimental data, with a maximum deviation of 11 kPa.

[ES] En la primera parte de la tesis actual, dos modelos numéricos fundamentales (Fin2D-W y Fin1D-MB) para analizar el lado del aire de los evaporadores de minicanales se han desarrollado y verificado. El modelo Fin2D-W aplica un esquema detallado de dos dimensiones para discretizar el evaporador mientras que el modelo Fin1D-MB se basa en la teoría de la aleta unidimensional junto con la técnica de fronteras móviles para el lado del aire. El primer objetivo de los dos modelos presentados es identificar y cuantificar los fenómenos más influyentes encontrados en el proceso de enfriamiento y deshumidificación. El segundo objetivo es estudiar el impacto de las hipótesis comúnmente usadas en el modelado de la transmisión de calor del aire de los evaporadores de minicanales. Se implementaron diferentes estudios comparativos entre el enfoque tradicional Effectiveness-NTU y los modelos numéricos propuestos para alcanzar los objetivos mencionados. Los resultados muestran que las hipótesis que provocan una mayor desviación con respecto a la solución detallada en la transferencia de calor y masa son: propiedades de aire uniforme a lo largo de la altura de la aleta, extremo adiabático de aleta a mitad de su longitud, y no contemplar el supuesto de deshumidificación parcial en la aleta. Estas hipótesis ampliamente utilizadas han resultado en errores importantes en la transferencia de calor total, hasta un 52%, entre el enfoque Effectiveness-NTU y el modelo Fin2D-W.

En la segunda parte de la tesis, el modelo Fin1D-MB se integró en la herramienta de simulación IMST-ART® para evaluar el rendimiento global de los evaporadores de minicanales (en el lado del aire y del refrigerante). El modelo Fin1D-MB se seleccionó gracias a su simplicidad, velocidad de cálculo, y solución de una precisión razonable relativa al modelo Fin2D-W. Se realizó una validación del modelo completo Fin1D-MB con la ayuda de datos experimentales y modelos numéricos ya disponibles en la literatura. El modelo se ha validado para diferentes geometrías de intercambiadores de calor, refrigerantes y condiciones de funcionamiento. Los resultados han mostrado que para los evaporadores de minicanales funcionando con el refrigerante R134a, el modelo Fin1D-MB predice de manera correcta las temperaturas de entrada del refrigerante y de salida del aire, la capacidad de enfriamiento, y la caída de presión del lado de refrigerante dentro de las bandas de error de ±0.5 ºC, ±5%, y ±20%, respectivamente. Para el evaporador de minicanales con CO2 (R744) estudiado, el modelo estima la capacidad de refrigeración y la temperatura de salida del aire dentro de las bandas de error de ±10% y ±1.0 ºC, respectivamente. En cuanto a la caída de presión de CO2, el modelo Fin1D-MB generalmente predice a la baja los valores de la caída de presión en comparación con los datos experimentales, con una desviación máxima de 11 kPa.

[CA] A la primera part de la tesi actual, dos models numèrics fonamentals (Fin2D-W i Fin1D-MB) per analitzar el costat de l'aire dels evaporadors de minicanals s'han desenvolupat i verificat. Al model Fin2D-W s'aplica un esquema detallat de dues dimensions per discretitzar l'evaporador mentre que al model Fin1D-MB es basa en la teoria d'aleta unidimensional juntament amb la tècnica de frontera mòbil per al costat de l'aire. El primer objectiu dels dos models presentats és identificar i quantificar els fenòmens més influents trobats en el procés de refredament i deshumidificació. El segon objectiu és estudiar l'impacte de les hipòtesis comunament utilitzades en el modelatge de la transmissió de calor de l'aire dels evaporadors de minicanals. Es van implementar diferents estudis comparatius entre l'enfocament tradicional Effectiveness-NTU i els models numèrics proposats per assolir els objectius esmentats. Els resultats mostren que les hipòtesis que provoquen una major desviació respecte a la solució detallada a la transferència de calor i massa són: propietats d'aire uniforme al llarg de l'altura de l'aleta, extrem adiabàtic d'aleta a la meitat de la seua longitud, i no contemplar el supòsit de deshumidificació parcial en l'aleta. Aquestes hipòtesis àmpliament utilitzades donen errors importants en la transferència de calor total, fins a un 52%, entre l'enfocament Effectiveness-NTU i el model Fin2D-W.

A la segona part de la tesi, el model Fin1D-MB es va integrar en l'eina de simulació IMST-ART® per avaluar el rendiment global dels evaporadors de minicanals (al costat de l'aire i del refrigerant). El model Fin1D-MB es va seleccionar gràcies a la seva simplicitat, velocitat de càlcul, i solució d'una precisió raonable relativa al model Fin2D-W. Es va realitzar una validació del model complet Fin1D-MB amb l'ajuda de dades experimentals i models numèrics ja disponibles a la literatura. El model s'ha validat per a diferents geometries d'intercanviadors de calor, refrigerants i condicions de funcionament. Els resultats mostren que per als evaporadors de minicanals funcionant amb el refrigerant R134a, el model Fin1D-MB prediu de manera correcta les temperatures d'entrada del refrigerant i de sortida de l'aire, la capacitat de refreda-ment, i la caiguda de pressió del costat de refrigerant dins de les bandes d'error de ±0.5 ºC, ±5%, i ±20%, respectivament. Per a l'evaporador de minicanals amb CO2 (R744) estudiat, el model estima la capacitat de refrigeració i la temperatura de sortida de l'aire dins de les bandes d'error de ±10% i ±1.0 ºC, respectivament. Pel que fa a la caiguda de pressió de CO2, el model Fin1D-MB generalment prediu a la baixa els valors de la caiguda de pressió en comparació amb les dades experimentals, amb una desviació màxima d'11 kPa.