Modelagem do escoamento transiente ao longo de trocadores de calor tubo capilar-linha de sucção

Abstract

Nesse trabalho apresenta-se um modelo numérico para a simulação do escoamento transiente de fluidos refrigerantes no interior de trocadores de calor tubo capilar-linha de sucção. Os tubos capilares são largamente usados como dispositivos de expansão em sistemas de refrigeração e condicionamento de ar de pequeno porte. A análise do comportamento dinâmico do escoamento é de fundamental importância, pois os tubos capilares são usados em sistemas de refrigeração, que geralmente são controlados pelo método liga-desliga. O tubo capilar e a linha de sucção são considerados retos, horizontais e com diâmetros constantes e o escoamento é assumido unidimensional. O escoamento ao longo do tubo capilar é dividido em uma região onde o fluido refrigerante encontra-se no estado de líquido sub-resfriado e outra de escoamento bifásico líquido-vapor. O escoamento bifásico é considerado homogêneo e o fenômeno de metaestabilidade é desconsiderado. Uma variação do método de volumes finitos é usada na discretização das equações governantes. A solução do sistema de equações diferenciais é obtida ao longo dos tubos até que a condição de bloqueio seja alcançada, ou até que a pressão de evaporação seja atingida, caso o escoamento não esteja bloqueado. O modelo permite o cálculo, nos regimes permanente e transiente, da vazão em massa de fluido refrigerante ao longo dos tubos, das distribuições locais de pressão e do título ao longo do tubo capilar e de temperatura do refrigerante e temperatura da parede dos tubos capilar e linha de sucção, conhecidas a geometria dos tubos e as demais condições de operação. Os resultados obtidos para a condição de regime permanente são comparados com dados experimentais disponíveis na literatura. Para esses casos, o desvio relativo médio encontrado para as vazões foi... .

This work presents a numerical model to simulate the unsteady refrigerant flow through capillary tube-suction line heat exchangers. Capillary tubes are commonly used as expansion devices in small refrigeration and air conditioning systems. Analysis of the flow dynamic behavior is very important, since the capillary tubes are used in refrigeration systems which generally are controlled by on-off method. Capillary tubes and suction lines are considered straight and horizontal with constant inner diameter, and the flow is assumed one-dimensional. The flow through the capillary tube is divided into a single-phase and a two-phase flow region. The homogeneous model is employed for the two-phase flow region, neglecting metastable flow phenomenon. The system of differential equations is solved using a modified finite volume method. The solution of the resulting system of discretized equations is marching along the tube until either choked flow or the established evaporation pressure is reached first. The model allows predicting, in steady and unsteady states, refrigerant mass flow rates, pressure, quality, refrigerant and wall temperatures distributions along the tubes, as a function of the heat exchanger geometry and operating conditions. Experimental date from the literature for steady flow are compared and discussed with numerical results. The discrepancies between measured and calculated mass flow rate has been found to be about 8,6 %, for concentric heat exchangers, and 5,7 % for lateral heat exchangers. Additionally comparisons between the transient and quasisteady modeling approaches are presented, and the values for the numerically evaluated mass flow rates have differed by about 2 %.