Estudio y análisis CFD de la condensación de la humedad del aire en un evaporador compacto de aleta y tubos

摘要

Aunque en los últimos años se están tomando medidas para intentar mitigarlo, la escasez de agua que existe en un gran número de regiones del planeta es un problema muy grave, que afecta a millones de personas. udEl problema de la escasez del agua no se remite únicamente a la falta de este recurso, sino que en muchas zonas, aunque hay disponibilidad de agua, su calidad no es buena, o existen problemas de abastecimiento. udEn el caso de esta última cuestión, una de las alternativas que se están desarrollando últimamente es la de usar un dispositivo que obtenga agua potable a partir de la condensación de la humedad del aire. El problema de esta opción es que la producción de agua depende de las condiciones atmosféricas de la región en que se sitúe, pero puede ser un sistema muy útil para climas de elevada humedad. udPara hacer posible la obtención de agua a partir de la humedad, es necesario enfriar una corriente de aire de modo que el agua en estado gaseoso se condense en una superficie, pudiendo ser después recogida. Para ello, la superficie debe estar a una temperatura menor que aquella a la que se produce la primera gota de agua líquida, que se denomina temperatura de rocío. udEl componente del dispositivo que se encarga de enfriar la corriente de aire es el evaporador. Por tanto, en la aplicación de obtención de agua, el evaporador es el componente más importante del ciclo de refrigeración en los que se basan estos dispositivos. udAsí pues, se plantea la necesidad de estudiar qué es lo que ocurre en el evaporador y cómo se produce la transferencia de calor y, por consiguiente, la condensación de la humedad del aire entrante. Para ello, se utiliza un software de simulación CFD (Computational Fluid Dynamics); el usado es ANSYS FLUENT, que es uno de los más prestigiosos que existen en el mercado actualmente.udSe establecen diversos objetivos en el estudio del evaporador, que será de tipo compacto de aleta y tubos, pues es uno de los más comunes en los ciclos de refrigeración. El objetivo principal, como se ha mencionado en el párrafo anterior, es simular la condensación de la humedad del aire. Una vez conseguido eso se pone como objetivo analizar el proceso en búsqueda de la optimización del mismo. udPara poder cumplir estos objetivos, se establece un periodo previo de comprensión de los modelos teóricos que ocurren en el proceso, entre los que se encuentra el estudio de los procesos psicrométricos, así como de aprendizaje del software CFD que se va a utilizar. udUna vez concluido ese primer periodo, se comienza a evaluar el proceso a través de unos estudios previos centrados en la interacción de aire seco entrante con los elementos característicos del evaporador: la aleta y los tubos. Esto permite evaluar cómo ocurre el intercambio de calor de forma más compleja. udFinalizados los estudios preliminares, el proyecto se centra en el análisis de la condensación. Al no ser posible evaluar todo el intercambiador de calor, se simula una porción representativa del mismo, para luego extrapolar los resultados al conjunto entero y poder compararlo con un modelo real. Se realizan dos modelos, uno con una única aleta y varios tubos, y otro con el mismo número de tubos y tres aletas. Con estos dos casos se cubre completamente las condiciones de intercambio que se dan en el evaporador.udLos resultados a los que se llega son similares al evaporador real que sirve de ejemplo, de modo que con un aire entrante a una temperatura de 28ºC y 80% de humedad relativa (datos del modelo), la cantidad de agua obtenida en la porción es aproximadamente un 2% de lo que se produce en el modelo real. Extrapolando esta información a todo el evaporador se obtienen resultados con una dispersión pequeña.udResulta importante conocer cómo influye el agua formada en la transmisión de calor y consiguiente condensación. Al formarse el agua, se comienza a acumular en las paredes del evaporador en forma de película líquida de tal forma que, a más espesor de película peor es el intercambio de calor. Para poder determinar si sería necesario colocar una o más de bandejas de recolección de agua que dividieran en dos o más partes el evaporador, se simulan porciones sucesivas de evaporador, y se observan los resultados. Se concluye que sí sería interesante colocar una bandeja. udAdemás, con el objetivo de optimizar la obtención de agua a partir de la condensación de la humedad del aire, se realiza un análisis paramétrico. Se estudia la influencia de numerosos parámetros de forma individual, tanto geométricos como condiciones del problema. Entre ellos, se encuentran: temperatura y humedad del aire, diámetro de los tubos o separación entre aletas. udSe concluye que el parámetro geométrico más influyente es el diámetro del tubo por el que circula el refrigerante. En cuanto a los datos del caso de estudio, es decir, los de entrada de aire y temperatura del refrigerante, el parámetro que más diferencias provoca es la temperatura de entrada del aire húmedo.udTras el desarrollo completo del trabajo, se ha considerado que se han cumplido todos los objetivos propuestos en la planificación del mismo, tanto preliminares como los relativos a la investigación principal y secundarios que han surgido de forma natural en el proceso de estudio. udPor último, dando por concluido este Trabajo Fin de Grado, se proponen líneas futuras de desarrollo del mismo, entre las que destaca la realización de un diseño factorial en el que se analice la correlación de diversos parámetros en el proceso de condensación, así como un estudio del evaporador partiendo de una película líquida ya formada.