Desenvolvemento e validación experimental de modelos de transferencia de calor e masa avanzados para a condensación de refrixerantes usados en sistemas de refrixeración por compresión

Actualmente, en cumplimiento del Protocolo de Montreal, los HFCs son los principales sustitutos de los CFCs y HCFCs en los sistemas de refrigeración por compresión. Sin embargo, los últimos estudios sobre el calentamiento global del planeta y las exigencias del Protocolo de Kyoto han reflejado la necesidad de introducir una nueva generación de refrigerantes con un potencial de calentamiento atmosférico (PCA) más bajo que el de los actuales HFCs, así como la de promover políticas orientadas al desarrollo de equipos de refrigeración de mayor eficiencia energética, que utilicen refrigerantes con PCA menores y que en definitiva produzcan un menor impacto medioambiental. Muchos de los refrigerantes sustitutivos que se están proponiendo son mezclas zeotrópicas, cuya utilización en sistemas de refrigeración incorpora importantes diferencias respecto a las sustancias puras que se venían utilizando. En concreto, diversos estudios reflejan que, debido a la existencia de procesos simultáneos de transferencia de calor y masa que se dan con las mezclas, los criterios de cálculo de intercambiadores de calor que se venían utilizando con sustancias puras deben ser perfeccionados, puesto que en caso contrario se producirán importantes errores de cálculo. Se ha demostrado que la simple sustitución de un refrigerante por otro con un menor PCA, puede producir un impacto medioambiental mayor debido a una menor eficiencia energética del sistema si no se modela y rediseña de forma adecuada sus intercambiadores de calor. El proceso de condensación de una mezcla zeotrópica es un campo de trabajo actual, como se concluye del número de publicaciones científicas al respecto. Puede decirse que existen dos diferencias fundamentales en comparación con la condensación de una sustancia pura. La primera está relacionada con los efectos de la resistencia a la transferencia de masa sobre la rapidez del proceso de condensación total y de las distintas especies. La segunda diferencia es que el punto de rocío de la fase vapor va variando a medida que se produce el proceso de condensación. Las diferencias fundamentales entre la ebullición de una sustancia pura y una mezcla zeotrópica son similares a las comentadas para la condensación. En la literatura científica existen multitud de trabajos sobre condensación y ebullición en los que los procesos de transferencia de calor y de masa se abordan mediante el uso de coeficientes de transporte obtenidos experimentalmente. Muchos de los modelos teóricos que se utilizan actualmente y de los resultados experimentales publicados, están basados en coeficientes de transferencia que se calculan en base a distintas teorías como la teoría de la película o la teoría de la penetración. Sin embargo, estos modelos proporcionan una visión reducida de la realidad del problema. En el caso de los estudios experimentales que se utilizan para calcular coeficientes de transferencia, en muchas ocasiones los efectos combinados de transferencia de calor, masa y de las relaciones de equilibrio líquido-vapor no son fáciles de separar, por lo que los coeficientes experimentales publicados obedecen a varios factores, dando lugar a que sus valores dependan, más de lo que sería previsible, de algunas variables como la concentración o temperaturas que se han utilizado durante los ensayos. Esto provoca que la información publicada de estos estudios sea, en ocasiones, difícil de utilizar y, probablemente, no extrapolables a una mezcla distinta de la analizada. Por ello es necesario desarrollar modelos avanzados que permitan simular los procesos de condensación y ebullición de mezclas zeotrópicas mediante el planteamiento y resolución de las ecuaciones en derivadas parciales de conservación de la masa, especies, cantidad de movimiento y energía, a lo que habría que añadir las ecuaciones algebraicas que permitiesen determinar el estado termodinámico de la mezcla y sus propiedades de transporte, que en general serán bastante complicadas y lejanas de poder considerarse lineales. En general, la resolución de un problema de este tipo es bastante complicada y no puede abordarse de forma analítica, necesitándose un método numérico de solución como es el método de elementos finitos o de volúmenes finitos. Teniendo todo esto en cuenta, los objetivos que se plantean en la elaboración de esta tesis doctoral son: - Desarrollo y resolución numérica de modelos de cálculo avanzados que permitan modelar de forma precisa los fenómenos de transferencia de calor y masa que tienen lugar durante los procesos de condensación y ebullición con mezclas utilizadas en sistemas de refrigeración. - Validación experimental de los modelos mediante el diseño, construcción y evaluación de un prototipo experimental que permita caracterizar los procesos de condensación y ebullición con mezclas utilizadas en sistemas de refrigeración.

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