Simulación del flujo de aire al interior de un refrigerador doméstico no-frost
H. Mejía1*, C. Isaza1, S. del Rio1, N. Jara2 and J. Ospina3
1Universidad Pontificia Bolivariana, Circular 1 No. 70-01, Medellín, Colombia
2Universidad Politécnica Salesiana, Calle Vieja 12-30, Elia Liut, Cuenca, Ecuador
3Ingeniería de Producto Refrigeración, Industrias Haceb, Calle 59 No. 55-80, Autopista Norte Km 13, Copacabana, Colombia
*Autor principal: hermandavid.mejia@upb.edu.co
Palabras clave: Flujo de aire, Refrigerador no-frost, Simulación CFD, Paquete M.
Introducción
Teniendo en cuenta la problemática ambiental que se enfrenta en la actualidad, se ha despertado un alto interés en desarrollar e implementar prácticas que incentiven el uso racional de la energía tanto en el área industrial como en la residencial. Esta situación hace necesaria la realización de estudios sobre el consumo y la demanda energética en cada una de estas áreas, para identificar los sectores que presenten mayor consumo y diseñar estrategias de solución que apunten a la mejor manera de abordar la problemática mencionada.
En el área residencial, se ha demostrado que el refrigerador es el electrodoméstico de mayor consumo energético, representando el 32.09 % del consumo total específicamente en los hogares Colombianos [1], por lo tanto en la industria de la refrigeración doméstica cobra gran importancia el desarrollo de equipos de alta eficiencia, bajo consumo energético y que sean ambientalmente amigables.
Diversas líneas de acción se pueden abordar para la disminución de consumo energético en los refrigeradores domésticos, entre los cuales se encuentra la optimización del flujo de aire al interior del equipo. Algunos trabajos experimentales y de simulación han demostrado la relación directa que existe entre el flujo de aire y la distribución de temperaturas al interior del refrigerador [2–4], de igual forma influye en los tiempos de estabilización de las temperaturas requeridas lo que se vincula directamente con los tiempos de encendido y apagado del refrigerador. De esta manera, una óptima distribución del flujo de aire puede aportar al diseño de refrigeradores más eficientes [5].
En los refrigeradores denominados ‘no-frost’, un ventilador se encarga de forzar el movimiento del aire entre el evaporador y los compartimientos internos de almacenamiento de alimentos. Este ventilador además de ser uno de los componentes consumidores de energía, controla la velocidad del aire, la cual puede afectar las condiciones de transferencia de calor tanto en el evaporador como en los compartimentos de alimentos y congelador. Por lo tanto, se puede decir que la selección adecuada del ventilador también afecta de forma importante la operación y el consumo energético del refrigerador[6, 7].
El presente trabajo consiste en la realización de simulaciones mediante CFD del flujo y distribución de aire al interior de un refrigerador doméstico, con el objetivo de identificar potenciales de ahorro energético directamente ligados a las variables involucradas en el flujo de aire.
Metodología
El trabajo consiste en una serie de simulaciones computacionales realizadas empleando el software ANSYS Fluent®. En las simulaciones se evalúa la influencia que tiene el ventilador en las temperaturas y en el consumo energético de un refrigerador, probando dos ventiladores diferentes en un mismo diseño de nevera.
La geometría empleada en las simulaciones tiene como base el gabinete congelador de uno de los modelos de nevera de la empresa Industrias Haceb S.A., con esta primera consideración podemos contar con elementos que nos servirán para generar la geometría y algunas de las condiciones de frontera de la simulación, pudiendo lograr que las simulaciones tengan la mayor similitud posible al funcionamiento real del refrigerador.
Los elementos que se toman del refrigerador Haceb para tener en cuenta en la simulación son:
• Volumen del congelador de la nevera.
• Cantidad de carga térmica representada en paquetes con características térmicas especiales para realizar la prueba de consumo de acuerdo al estándar IEC62552.
• Ubicación del paquete de ensayo con temperaturas más altas que determina la temperatura de clasificación de la nevera. La temperatura de este paquete es la que regula el funcionamiento del compresor de la nevera y sus tiempos de descanso en la prueba de consumo. Esto con el objetivo de garantizar que debido a que su temperatura no debe subir por encima de la temperatura de clasificación.
• La temperatura de clasificación del refrigerador es de -12°C
• Las pérdidas de calor en el gabinete conservador. Estas se deben de tener en cuenta debido a que solo se está considerando el congelador de la nevera pero se trabaja con todo el caudal del ventilador, en las áreas de salida de aire se aumentan de forma que se tiene en cuenta la parte del caudal de aire que sale al conservador. No se considera el conservador para evitar mallas muy grandes que demoren los tiempos de simulación y exijan equipos de cómputo de muchas especificaciones de hardware.
• Las pérdidas de calor se consideran iguales debido a que la temperatura en el refrigerador se debe conservar en promedio en 4°C con ambos ventiladores.
• Las Temperaturas del evaporador de la nevera cuando opera con cada uno de los dos motoventiladores. Estos valores se midieron en cabinas de ensayo en pruebas de Pull Down.
• Geometría y distribución de las salidas de aire en la tapa fondo del congelador.
• Espesores de poliuretano para calcular pérdidas de calor atreves de puerta y gabinete congelador y conservador.
• Perdidas por cierres magnéticos en congelador y conservador.
Otros elementos adicionales
• Ecuaciones de motoventilador en forma de polinomios.
• Características térmicas de los paquetes de ensayo.
Para la simulación en el interior del congelador de la nevera se ubicaron paquetes de ensayo en la misma distribución que se usa para las pruebas de consumo energético bajo norma. La distribución de la carga se muestra en la Figura 1. Y se analizara lo que sucede en el paquete de ensayo que presenta las temperaturas más calientes en dos de sus planos como se muestra en la Figura 2
Figura 1 Geometría empleada con carga
Figura 2 Planos en el paquete M
Adicionalmente se construyen también el entrepaño del congelador, el cual no solo sostiene los paquetes superiores sino que también direcciona el flujo de aire hacia la puerta del congelador para que fluya uniformemente alrededor de todos los paquetes. También se crea un espacio de aire entre la entrada del ventilador y la tapa fondo del congelador, tal y como los refrigeradores son construidos; esto homogeniza el flujo turbulento proveniente del ventilador y lo direcciona a los orificios de entrada al compartimiento interno del congelador.
En la malla desarrollada para el modelo se realizaron sizings en las rejillas de la tapa fondo para refinar la malla en dichos puntos con el objetivo de que los cálculos de flujo fueran más precisos dado que el tamaño de estos espacios de entrada y salida del aire hace que requieran una atención especial. De igual forma se realiza sizingeinflation a las superficies de los paquetes de ensayo para mayor certeza en los resultados obtenidos cerca de estas zonas.
Resultados y discusión
En las dos simulaciones en la entrada de aire se trabajan con dos diferentes polinomios que representan los dos motoventiladores. El programa ANSYS permite dar este dato de entrada y ayuda a que los resultados sean más cercanos a la realidad. Cada uno de los polinomios representa la curva característica del ventilador y muestran la caída de presión vs velocidad
del aire. Estas curvas son extractadas de un artículo científico [8] y se pueden calcular con ayuda de un túnel de viento, los polinomios se presentan en la tabla 1.
Tabla 1. Coeficientes de motoventilador y temperaturas de evaporación en las pruebas Pull Dowm
Las temperaturas de evaporación se midieron en una prueba de Pull Down, esta prueba se realiza con la nevera sin carga térmica a una temperatura ambiente de 32°C que es la misma temperatura ambiente del consumo. A partir de estas curvas y las temperaturas de operación se estiman las características de operación presentadas en la tabla 2.
Tabla 2. Características de operación en las pruebas Pull Dowm
RPM Ventilador 3170 2070 Unidades Flujo másico 0,019 0,013 kg/s
Velocidad 1,665 1,103 m/s
Área salida de aire 0,0095 0,0095 m2
T inlet 246,6 244,1 K
T outlet pro 259,0 253,8 K Flujo de calor 241,1 125,4 W
Con los resultados obtenidos en la simulación se realizan cálculos con las ecuaciones de termodinámica y transferencia de calor que se aplican al fenómeno que está presente en el refrigerador y se estiman los tiempos de trabajo y descanso del refrigerador operando con cada uno de los dos ventiladores, los resultados se muestran en la tabla 3.
Tabla 3. Características de operación en las pruebas Pull Dowm
RPM Ventilador 3170 2070 Unidades
Calor congelador 11,3 12,4 W
Calor conservador 55,0 55,0 W
Calor cierre superior 1,7 1,8 W
Calor cierre inferior 7,1 7,1
Calor paquetes 157,0 39,9 W
Potencia motoventilador 9,0 9,0 W
Tiempo de trabajo 356,6 1402,7 s
Tiempo de descanso 745,1 732,1 s
Tiempo total del ciclo 1101,7 2134,8 s
Trabajo del compresor 32,3 65,7 %
Trabajo del compresor en 24h 7,7 15,7 h
Las simulaciones hechas con cada uno de los ventiladores se realizaron en estado estable, los valores obtenidos de temperatura y flujos se utilizan para estimar un tiempo de trabajo y de descanso del refrigerador realizando balances de energía.
En los cálculos se considera que el refrigerador opera con una calibración en el termostato que garantiza que el paquete más caliente (paquete M) cicle entre -12,5 y -13,5 °C y la ganancia (ciclo de descanso) y la perdida (ciclo de trabajo) de temperatura en toda la carga es
Motoventilador Temperatura de evaporación
3170 RPM 246,68 K 22,0713 -24,159391 41,779915 -63,864587 38,294876 10,1481606 -16,838943 4,0144812 2070 RPM 244,19 K 8,852 -15,832564 51,147228 -144,3283 211,05819 -135,79715 30,176618
Coeficientes
también de 1°C, adicional el refrigerador cuenta con una compuerta que regula el flujo de aire en el conservador para garantizar que las temperaturas en promedio permanezcan por debajo de 4°C y superiores a 0°C.
Estas dos consideraciones están de acuerdo con el refrigerador real y la consideración de la compuerta permite que en la simulación se pueda estimar una pérdida de calor constante en el conservador para ambos motoventiladores (55 W), similar a una condición real.
Los tiempos de trabajo obtenidos para ambos motoventiladores en un periodo de 24h para los motoventiladores de 3170 y 2070 RPM, son de 7,7 y 15,7 horas respectivamente. Estos dos resultados se deben de analizar teniendo en cuenta que el motoventilador de 2070 RPM debe de tener una potencia disponible aportada por el compresor de 125,4 W (428 BTU/h) y el motoventilador de 3170 RPM debe tener una potencia disponible de 241,1 W (823 BTU/h), para que el trabajo de enfriamiento se pueda hacer en estos tiempos.
Estos dos cálculos muestran que la capacidad del compresor requerida para el ventilador de 3170 RPM es 92% mayor al ventilador de 2070 RPM. Si consideramos que ambos compresores tienen igual COP, el consumo energético del compresor de mayor capacidad también aumentaría su potencia eléctrica en una misma proporción y su gasto eléctrico instantáneo seria mayor pero con un tiempo de trabajo inferior.
Con respecto a los porcentajes de trabajo de ambos compresores, el tiempo de operación es de 32,3 % para el de 3170 RPM y de 65,7 % para el de 2070 RPM. Estos dos datos son importantes debido a que en la práctica se usa que los compresores trabajen entre un 40 % y 60 % del tiempo. Con lo que se garantiza una vida útil del compresor más larga y que el sistema de refrigeración del refrigerador no quede sobre dimensionado y por tanto más costoso, un compresor de mayor capacidad es más costoso y requiere evaporadores y condensadores de mayor tamaño.
En los resultados también se observa que existe un aumento de la transferencia de calor del aire a la carga cuando se simuló con el ventilador de 3170 RPM, posiblemente a que existe un aumento en la disipación de calor convectivo cuando se trabaja con mayor velocidad, esto se puede observar en las figuras 3 y 4 que registran los resultados del número de Eddy alrededor del paquete M para ambos ventiladores [9].
Figura 3 medida de la disipación de calor alrededor del paquete M con motoventilador de 2070 RPM
Figura 4 medida de la disipación de calor alrededor del paquete M con motoventilador de 3170 RPM
La temperatura en el aire tiende a ser mayor con el ventilador de 3170 RPM, debido a que la temperatura de evaporación correspondiente también es mayor. Para las condiciones evaluadas en la simulación el efecto que influye principalmente en la transferencia de calor son los coeficientes convectivos que se generan por la velocidad.
Conclusiones
El flujo del aire al interior del refrigerador afecta directamente el funcionamiento del mismo, por lo tanto es de gran importancia realizar el diseño interno del refrigerador y de sus ductos teniendo en cuenta las distribuciones de aire y temperatura que se desea alcanzar para así producir equipos de alta eficiencia.
Los resultados nos indican que para un diseño dado de nevera existe un flujo de aire aportado por un motoventilador que optimiza su funcionamiento y reduce el consumo energético. El punto óptimo de flujo para lograr el menor consumo es una combinación de caudal aportado por el ventilador y una caída de presión dada por los ductos de aire en la nevera.
Comercialmente no es rentable que los ventiladores empleados en el evaporador de la nevera se especifiquen con un número exacto de RPM para que de un flujo determinado, esto lo podemos aproximar con el diseño en los ductos de aire y salidas de aire para que tengan menos caídas de presión o con el diseño del aspa. De esta forma se puede alcanzar los resultados requeridos. Esta labor puede volverse dispendiosa si se hace con prototipos. En este trabajo se puede evidenciar que el uso de un software de simulación puede facilitar esta labor y reducir el número de pruebas.
Referencias
[1] UNAL, “Determinación del consumo final de energía en los sectores residencial urbano y comercial y determinación de consumos para equipos domésticos de energía eléctrica y gas,” 2006.
[2] O. Laguerre, S. Ben Amara, J. Moureh, and D. Flick, “Numerical simulation of air flow and heat transfer in domestic refrigerators,” J. Food Eng., vol. 81, no. 1, pp.
144–156, Jul. 2007.
[3] O. Laguerre, S. Benamara, and D. Flick, “Numerical simulation of simultaneous heat and moisture transfer in a domestic refrigerator,” Int. J. Refrig., vol. 33, no. 7, pp.
1425–1433, Nov. 2010.
[4] V. T. Lacerda, C. Melo, J. R. Barbosa, and P. O. O. Duarte, “Measurements of the air flow field in the freezer compartment of a top-mount no-frost refrigerator: the effect of temperature,” Int. J. Refrig., vol. 28, no. 5, pp. 774–783, Aug. 2005.
[5] O. Laguerre, S. Ben Amara, M.-C. Charrier-Mojtabi, B. Lartigue, and D. Flick,
“Experimental study of air flow by natural convection in a closed cavity: Application in a domestic refrigerator,” J. Food Eng., vol. 85, no. 4, pp. 547–560, Apr. 2008.
[6] P. J. Waltrich, J. R. Barbosa, and C. Melo, “ANALISÉ E OTIMIZAÇÃO DE EVAPORADORES DE FLUXO ACELERADO APLICADOS A REFRIGERAÇÃO DOMÉSTICA,” Universidade Federal de Santa Catarina, 2008.
[7] W. D. Adler, “Designing and Prototyping of Refrigerator and Freezer Cooling Circuits,” 2010.
[8] Christian J.L. Hermes, CláudioMelo, Fernando T. Knabben, Joaquim M. Gonçalves.
Prediction of the energy consumption of household refrigerators and freezers via steady-state simulation.
[9] Ester S. Esteban, Ana M. Aramayo and Luis Cardón, "IMPLEMENTACION DE MODELOS DE TURBULENCIA TIPO LES(LARGE EDDY SIMULATION) A UNA CAVIDAD CALENTADA POR DEBAJO", "Universidad Nacional de Salta, Facultad de Ciencias Exactas Av Bolivia.
