Modelagem matemática e simulação de um condensador do tipo tubo aleta empregado em um condicionador de ar doméstico

Abstract

O dimensionamento adequado de condensadores é de suma importância para que o sistema em que eles são instalados, seja um refrigerador ou um condicionador de ar, opere eficientemente. Geralmente, o projeto desses e outros tipos de trocadores de calor é realizado com o auxílio de modelos matemáticos, minimizando o tempo e os custos associados a experimentos. Este trabalho tem como objetivo a implementação de um modelo matemático para simulação de um condensador do tipo tubo aleta utilizado em um condicionador de ar doméstico. O modelo é baseado em uma abordagem permanente das equações da conservação da massa e da energia, aplicadas em três zonas do condensador: vapor superaquecido, mistura bifásica e líquido sub-resfriado. Nas zonas de escoamento monofásico, adotou-se uma formulação integral, enquanto que a zona de mistura bifásica foi dividida em 10 volumes de controle, levando-se em consideração o efeito da variação do título sobre o coeficiente convectivo de transferência de calor. O modelo foi validado através da análise de resultados de taxa de transferência de calor, fração de ocupação das diferentes zonas no condensador e perda de carga, sendo os dois últimos comparados com dados da literatura para geometrias similares. Finalmente, foi conduzido um estudo paramétrico do sistema, avaliando-se o impacto de variações do diâmetro da tubulação, da temperatura do ar e da vazão de ar sobre o desempenho térmico e hidráulico do condensador.

Proper sizing of condensers is of paramount importance for the system in which they are installed, be it a refrigerator or an air conditioner, to operate efficiently. Generally, the design of these and other types of heat exchangers is carried out with the aid of mathematical models, minimizing the time and costs associated with experiments. This work aims to implement a mathematical model for simulation of a tube condenser used in a household air conditioner. The model is based on a permanent approach to the equations of mass and energy conservation, applied in three zones of the condenser: overheated steam, biphasic mixture and subcooled liquid. In the single-phase flow zones, an integral formulation was adopted, while the biphasic mixing zone was divided into 10 control volumes, considering the effect of the variation of the title on the convective coefficient of heat transfer. The model was validated by analyzing heat transfer rate results, occupancy fraction of the different zones in the condenser and pressure drop, the latter two being compared with literature data for similar geometries. Finally, a parametric study of the system was conducted, evaluating the impact of variations in tube diameter, air temperature and air flow on the thermal and hydraulic performance of the condenser.