Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 24-04-2024, Aprobado tras revisión: 13-06-2024
Forma sugerida de citación: Oña, M. Toapanta, F. (2024) “Estudio Numérico con CFD de la Refrigeración en una Cabina Vehicular
con dos Refrigerantes R32 y R600a”. Revista Técnica “energía”. No. 21, Issue I, Pp. 114-121
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v21.n1.2024.636
© 2024 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Esta publicación está bajo una licencia internacional Creative Commons Reconocimiento –
No Comercial 4.0
Numerical Study with CFD of the Refrigeration in a Vehicle Cabin with two
Refrigerants R32 and R600a
Estudio Numérico con CFD de la Refrigeración en una Cabina Vehicular con
dos Refrigerantes R32 y R600a
M. Oña1
0009-0009-8768-8891
F. Toapanta2
0000-0002-0838-4702
1Universidad Politécnica Salesiana, Ingeniería Mecánica, Quito, Ecuador
E-mail: monac3@est.ups.edu.ec
2Universidad Politécnica Salesiana, Ingeniería Mecánica, Grupo de Investigación en Ingeniería, Productividad y Simulación
Industrial (GIIPSI), Quito, Ecuador
E-mail: ltoapanta@ups.edu.ec
Abstract
The objective of this research focuses on the
numerical solution, simulation, and thermal behavior of
the refrigerants R32 and R600a, the first being an
industrial refrigerant and the other a hydrocarbon, the
element to be studied is the internal temperature of a
vehicle cabin, the air crosses the evaporator of the air
conditioning system by analyzing the coil-type
crossflow heat exchanger. Likewise, it is important to
know the energy capacity that each refrigerant has to
cool or heat the vehicle cabin to, after a mathematical
analysis, contrast the information through numerical
simulation of CFD fluids with specialized software in
this case Fluent from ANSYS.
Resumen
El objetivo de esta investigación se centra la
solución numérica, simulación y comportamiento
térmico de los refrigerantes R32 y R600a, siendo el
primero un refrigerante industrial y el otro un
hidrocarburo, el elemento a estudiar es la temperatura
interna de una cabina vehicular, el aire cruza el
evaporador del sistema de aire acondicionado mediante
el análisis del intercambiador de calor de flujo cruzado
tipo serpentín. Asimismo, es importante conocer la
transferencia de calor que tiene cada refrigerante para
enfriar o calentar la cabina del vehículo, para en un
análisis matemático posterior llevar un contraste de la
información mediante la simulación numérica de
fluidos CFD con un software especializado en este caso
Fluent de ANSYS. Se encontró que el refrigerante
R600a es una alternativa para los sistemas de aire
acondicionado vehicular y el R32 no es tan aplicable
para estos casos.
Index terms— R600a, R32, Fluent, Air conditioning,
Refrigeration
Palabras clave— R600a, R32, Fluent, Aire
acondicionado, Refrigeración.
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Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
1. INTRODUCCIÓN
El confort térmico en todo tipo de ambientes
interiores, como habitaciones, compartimentos de
aviones y trenes, ha sido objeto de investigación durante
décadas. El confort térmico de las personas no depende
sólo de una variable, sino que es más bien una cantidad
integral de muchos parámetros, como la temperatura del
aire, velocidad de tiro y temperatura radiante [1].
Según Cajo-Toctaquiza et al. [2] la temperatura del
aire en el interior de la cabina del vehículo está
directamente relacionada con la geometría de las rejillas
y su tamaño. Además, aducen que, se obtiene una mejor
distribución de A/C (aire acondicionado), disipando de
mejor manera las altas temperaturas presentes en el
interior del habitáculo, lo que implica una disminución
de uso del sistema de A/C.
Han et al. [3] estudiaron la influencia del ambiente
externo y el sistema de aire acondicionado del automóvil
en el cambio de calor del ambiente interior, analizando la
relación entre el ambiente y el confort térmico de los
ocupantes de la cabina de la tripulación utilizando un
modelo numérico de confort térmico humano.
Chang et al. [4] desarrollaron un modelo de
ventilación híbrida que utiliza entradas de suministro de
aire superiores e inferiores. El método aplica coeficientes
de no uniformidad, diferencia máxima de temperatura,
índice de rendimiento de difusión de aire, coeficiente de
utilización de energía. Con base en la simulación del flujo
de aire, se evaluó el rendimiento de la distribución de aire
para el modo de ventilación híbrido utilizando estos
índices y se comparó con el modo de ventilación
tradicional. Los resultados muestran que, en comparación
con el modo de ventilación tradicional, el modo de
ventilación híbrido tiene una distribución de temperatura
más uniforme, mejor confort térmico, mayor eficiencia
de utilización de energía.
El modelado térmico humano se utiliza para calcular
la distribución de temperaturas en el cuerpo y la ropa de
los ocupantes (pasajeros). También se puede utilizar, por
ejemplo, para evaluar el confort térmico en cada sección
del cuerpo de cada ocupante y el confort térmico
promedio de cada ocupante [5].
Saboora Khatoon et al. [6] estudiaron tres métodos
diferentes de ventilación de aire acondicionado y
compararon el rendimiento de diferentes métodos de
ventilación en términos de eficiencia de eliminación de
calor y confort térmico humano mediante análisis de
simulación, los resultados mostraron que había algunas
diferencias en el confort térmico y la eficiencia
energética debido a diferentes métodos de ventilación del
aire acondicionado.
El uso de simuladores de dinámica de fluidos
computacional (CFD) puede reducir drásticamente el
tiempo de desarrollo de sistemas HVAC (calefacción,
ventilación y aire acondicionado) para automóviles,
contribuir a mejorar su rendimiento y proporcionar una
mejor comprensión de los procesos subyacentes. El
confort térmico no sólo afecta al consumo energético del
sistema HVAC, sino que también es un parámetro clave
para la salud de los pasajeros [7].
Se compararon los resultados de la simulación y los
resultados experimentales de la temperatura de la
superficie corporal y el error fue inferior al 5%,
verificando la viabilidad de utilizar la simulación
numérica de dinámica de fluidos computacional (CFD)
[8].
Dehne et al. [9] explican en su estudio que, en cuanto
a los parámetros de flujo relevantes para el confort,
destaca la ventilación mixta, que presenta altas
velocidades de aire y turbulencias, pero una distribución
homogénea de la temperatura. Los conceptos de
ventilación vertical, por otro lado, permiten niveles
cómodos de velocidad y turbulencia, pero tienden a
desarrollar estratificaciones de temperatura críticas para
el confort.
La demanda de equipos de refrigeración y aire
acondicionado sigue aumentando a medida que mejora la
calidad de vida de las personas, y dichos equipos se han
vuelto indispensables [10],[11]. Mejorar la seguridad y
aumentar la eficiencia energética son las condiciones
pendientes. En las últimas dos décadas, los fabricantes de
refrigeración ampliaron el uso de hidrocarburos como
refrigerantes para equipos capaces de operar con una
carga máxima de refrigerante de 150 g, el R 600a domina
el sector doméstico y el R-290 el comercial [12].
El refrigerante HC R600a (isobutano) presenta una
fuerte reducción de la capacidad frigorífica y del
consumo de energía eléctrica debido principalmente a su
bajo volumen específico. Este comportamiento hace que
el compresor R600a necesite una mayor cilindrada para
producir la misma capacidad frigorífica que otros
refrigerantes [12].
El R600a presento un buen efecto de ebullición en
macro tuberías, para el caso estudiando tuberías
cuadradas de 3cm de lado, observaron que la ebullición
se da cuando más flujo de calor existe en el exterior de la
tubería [13].
R32 tiene ciertas ventajas. El potencial de
agotamiento de la capa de ozono (ODP) del R32 es 0, y
el potencial de calentamiento global (GWP) es sólo un
tercio del del R410A. Además, la capacidad de
refrigeración por unidad de volumen del R32 es mayor
que la del R22. Con la misma capacidad de refrigeración,
la cantidad de carga del R32 es sólo el 57% de la del R22
[14].
El objetivo de esta investigación es determinar
numéricamente mediante ANSYS Fluent, el proceso de
enfriamiento en el interior de una cabina vehicular,
utilizando dos refrigerantes conocidos, un hidrocarburo
como el R600a y un refrigerante puro R32, para
115
Oña et al. / Estudio Numérico con CFD de la Refrigeración en una Cabina Vehicular con dos Refrigerantes R32 y R600a
determinar cuál de estos es el de mejor desempeño para
el proceso de enfriamiento.
2. MÉTODOS Y MATERIALES
Para este estudio se analizó la cabina de un auto
pequeño que generalmente circulan en el Ecuador, En la
Fig. 1 se aprecia el lugar donde se encuentra el sistema
de aire acondicionado y el espacio a calentar.
El análisis se centró en dos refrigerantes, que son
utilizados en diferentes aplicaciones. Por un lado, el
R600a un refrigerante natural, conocido como
hidrocarburo, generalmente utilizado en aplicaciones
como refrigeradores domésticos, esto se debe a que no se
puede colocar mucho refrigerante en todo su sistema,
máximo 500g. Por otro lado, el R32 una sustancia pura,
que se la maneja en procesos industriales y es uno de los
refrigerantes que componen el R410A. Sin embargo, sus
índices de calentamiento global son menores.
La Tabla 1, muestra las principales propiedades de los
refrigerantes antes citados. Hay que notar el GWP
(Global Warning Potential) que dirá cuál de estos
refrigerantes se tomará en cuenta para la selección final
del refrigerante en los sistemas de aire acondicionado
vehicular.
Tabla 1: Propiedades térmicas de los refrigerantes [15], [16]
Propiedad
R600a
R32
Densidad, kg/m3
550.65
958.8
Inflamabilidad
A3
A2L
GWP
20
675
ODP (Ozone Depletion Potential)
0
0
Temperatura critica, ºC
135
78.53
Presión critica, bar
36.45
58.16
2.1 Mallado de la cabina
Al tratarse de una simulación numérica es imperativo
que el mallado del sistema sea lo más expedita posible,
para ello se realizaron varios intentos, para la obtención
del mallado que permita la convergencia de los
resultados. Para ello se utilizaron varias técnicas para la
medición de la malla, entre ellas están Skewness y
Orthogonal Quality, siendo la primera, con la que se
evalúa la malla en totalidad. En la Fig. 2, se aprecia el
mallado que se realizó a la cabina.
La métrica de oblicuidad que presenta el mallado de
la cabina tiene un promedio de 3.79e-02, esto
corresponde a una malla excelente, teniendo en cuanta las
consideraciones de convergencia de malla que
proporcionan los manuales de usuario del programa. Por
otro lado, el número de nodos correspondiente a esta
malla es de 27052 y el de elementos es de 27724. En la
Fig. 3, se visualiza la convergencia de malla bajo la
métrica de oblicuidad (Skewness).
Figura 1: Esquema del habitáculo interior
Figura 2: Mallado de la cabina
Figura 3: Convergencia de malla, con métrica de oblicuidad
2.2 Ecuaciones gobernantes
Para cuantificar el calor que el aire acondicionado
debe entregar a la cabina, por medio del intercambio por
flujo cruzado, se utilizan varias ecuaciones, entre ellas se
encuentran las de flujo de calor y transferencia de calor.
Método efectividad-NTU es utilizado para encontrar
la solución a sistemas donde se conocen solo
temperaturas de ingreso al intercambiador de calor, la
efectividad es el soporte de este método y se define de la
siguiente forma [17]:
(1)
Para realizar el cálculo del se requiere valores
de temperatura de entrada, además de las capacidades
caloríficas y sus caudales másicos, una vez se conocen
los valores de la efectividad del tipo de intercambiador
seleccionado se logra obtener la tasa de transferencia de
calor real [18].
116
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
(2)
(3)
Al ser el A/C un intercambiador de flujo cruzado se
utilizan las siguientes relaciones con respecto a un
intercambiador de flujo cruzado.
(4)
(5)
Como la cabina de un vehículo tiene superficies
planas, se realiza un estudio con diversos números de
Nusselt, tanto para superficies verticales, inclinadas,
horizontales con y sin flujo calor.
Verticales:
(6)
Superficie superior:
(7)
Superficie inferior:
(8)
Toda simulación numérica en CFD conlleva a las
ecuaciones de conservación, tanto de energía,
continuidad y cantidad de movimiento, sin embargo,
como se expuso siempre se utilizan.
En este estudio se determinó que las mejores
soluciones resultan con el modelo de turbulencia k-ε, este
modelo es uno de los más utilizados, debido a sus grandes
resultados. En las siguientes ecuaciones se aprecian las
ecuaciones para kappa y épsilon, respectivamente.
(9)
y
(10)
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se realizaron 6 simulaciones para conocer, bajo
simulaciones, el enfriamiento del aire interno en la canina
del vehículo. Tres para el refrigerante R32 y otras tres
para el R600a.
Se hicieron cambios en la velocidad del aire que va a
circular y atravesar el intercambiador de calor
(evaporador), modificando su valor de 2m/s a 4m/s y
6m/s.
En la Fig. 4, se aprecia la temperatura al interior de la
cabina, después de 15 s, utilizando R32 como sustancia
refrigerante, con velocidad de 6m/s.
En la figura 4, se aprecia como el refrigerante enfrió
el aire circundante de la cabina llegando hasta un valor
de 16ºC, dos grados por debajo de la temperatura de
confort, que se estableció de 18ºC para este análisis.
Cuando el aire para a través del evaporador, este ingresa
a 10ºC y a medida que va distribuyéndose por la cabina,
la temperatura intenta llegar a su valor de confort.
Figura 4: Temperatura interna, R32 y velocidad de 6 m/s
Al realizar un análisis en tres ubicaciones al interior
de la cabina, se colocaron a través de la parte superior,
central e inferior, en la Fig. 5 de visualiza en la parte
central de la cabina. Las tres velocidades se marcan en
esta parte, siendo la velocidad de 6m/s la más cercana a
la temperatura de confort y la de 2m/s puede llegar a
temperaturas menores a 0ºC.
Figura 5: Temperaturas internas, parte central a diferentes
velocidades
Figura 6: Temperaturas internas, en diferentes partes con las tres
velocidades de análisis
La Fig. 6, representa como la temperatura interior, va
cambiando de pendiendo de la ubicación donde se
analice, al ingresar a la cabina por la parte inferior, el aire
frio posee diversas temperaturas, dependiendo de la
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Oña et al. / Estudio Numérico con CFD de la Refrigeración en una Cabina Vehicular con dos Refrigerantes R32 y R600a
velocidad de flujo cruzado. El máximo valor es de 23ºC
en la parte baja de la cabina a 6m/s, sin embargo, cuando
la velocidad disminuye a 2m/s, en la misma posición la
temperatura ha caído a 16.5ºC.
Por otro lado, la parte central y superior de la cabina
la temperatura no tiene cambios sustanciales en su valor,
ya que, la temperatura ha llegado a estabilizarse en
valores de 0ºC, 11ºC y 16ºC, para las velocidades de 2ms,
4m/s y 2m/s, respectivamente.
La Fig. 7, representa los vectores de velocidad cuando
el aire está atravesando el evaporador a la velocidad de
4m/s, se distribuye por toda la cabina, mostrando sectores
de mayor velocidad en la parte inferior y superior.
Figura 7: Vectores de velocidad al interior de la cabina, v=4m/s
En los resultados anteriores se visualizó el
comportamiento del gas refrigerante R32 al enfriar el
interior de la cabina. Sin embargo, no solamente se
estudió a ese refrigerante, el R600a un hidrocarburo
como refrigerante amigable con el medio ambiente. Se
colocaron las mismas variables y solo se cambió el
refrigerante.
En la Fig. 8, se observa el comportamiento de la
temperatura interna del aire, cuando se utiliza el
refrigerante R600a como fluido para bajar la temperatura.
Figura 8: Temperatura interna, R600a y velocidad de 6 m/s
El ingreso del aire está a temperatura ambiente
exterior de 25ºC, al cruzar por el evaporador que
contiene, como ya se identificó, R600a. La temperatura
después de 15 s es de 20.5ºC, la misma que se encuentra
muy cercana a la temperatura de confort.
Al tratarse de otra sustancia refrigerante, el
comportamiento nunca será el mismo, ya que, cada
refrigerante posee sus propias características de
refrigeración. La Fig. 9, muestra la temperatura interna
con las tres velocidades de análisis, al contrario del R32,
con el R600a las temperaturas no son tan bajas, lo que, si
beneficia para este tipo de refrigeración, debido a que, es
para una aplicación de A/C vehicular.
Figura 9: Temperaturas internas, parte central a diferentes
velocidades, R600a
Figura 10: Contornos de temperatura, R600a con los casos de velocidad
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Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
También se aprecia que, a la velocidad de 4m/s la
temperatura para este análisis está ajustándose a la
temperatura de confort, ya que, se tiene 18.25ºC con una
variación casi insignificante de la temperatura deseada.
La Fig. 10, muestra el comportamiento de la
temperatura interna, estos son los casos para el R600a, se
visualiza que para este refrigerante la mejor velocidad es
de 4m/s ya que su temperatura es cercana a la de confort.
Para las otras velocidades, las temperaturas son de 20.5ºC
y 12ºC para las velocidades de 6m/s y 2m/s,
respectivamente.
Figura 11: Perfil de temperatura interna, con los refrigerantes
R600a y R32, a velocidad de 2m/s
Figura 12: Comparación de los refrigerantes, temperatura en la
parte central de la cabina
Al comparar la temperatura de los dos refrigerantes
con una velocidad, en la Fig. 11, de 2m/s se observa que
la temperatura del aire interior si cambia y se tiene una
variación de 12ºC.
Finalmente, el análisis comparativo de los
refrigerantes con las tres velocidades de análisis se
aprecia en la Fig. 12.
Al comparar el R600a con el R32, tomando en cuenta
la parte central de la cabina, a la altura del pecho de los
ocupantes, se tiene una variación de 12ºC, siendo la
temperatura del R600a superior a la del R32, cuando la
velocidad es de 2m/s.
Por otro lado, cuando se observa la velocidad de 4m/s,
se nota un cambio de temperatura de 7ºC, siempre siendo
superior para el R600a y para esta velocidad, la
temperatura de confort se da con el hidrocarburo, ya que
está en los 18ºC.
Por último, existe una variación de temperatura de
5ºC al tomar en cuenta la velocidad de 6m/s, en la figura
12 la temperatura del R32 casi llega a la de confort,
mientras que la del R600a está en 20.5ºC.
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La refrigeración de cualquier volumen siempre es
complicada y más cuando en el interior de este espacio se
encuentran personas, que su sensación térmica siempre
será diferente, ya que cada individuo tiene su propia
temperatura de confort.
Se estableció la temperatura de confort en el interior
de la cabina en 18ºC y se colocaron 3 velocidades de flujo
de aire que atraviesa el evaporador del A/C, en el R600a
la velocidad para alcanzar la temperatura deseada es de
4 m/s, mientras que en el R32 la temperatura es 6m/s.
El refrigerante R32 alcanza temperaturas más bajas a
la de confort, esto se debe a que este refrigerante es
utilizado en medios industriales debido a sus propiedades
termodinámicas.
Cuando se analiza el R600a, se verificó que con este
refrigerante si se obtiene temperaturas ideales de confort,
inclusive se tiene un rango para diversas temperaturas de
confort que vas desde los 16ºC hasta los 21ºC. Sin
embargo, por ser un hidrocarburo de debe tener
precaución por fugas, con eso se evita posibles incidentes
de explosión o combustión del refrigerante.
Se recomienda seguir con el análisis de diversas
geometrías de habitáculos y con otras sustancias
refrigerantes, con esto verificar cual de estos es el mejor
para ambientes calientes.
5. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Universidad Politécnica
Salesiana, carrera de ingeniería mecánica, al grupo de
investigación Grupo de Investigación en Ingeniería,
Productividad y Simulación Industrial (GIIPSI) y al
grupo ASHRAE-UPS Filial por el apoyo técnico y
administrativo brindado para el desarrollo de este
estudio.
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120
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
Melany Lizbeth Oña Chavez.-
Nació en Quito, Ecuador en 2000.
Recibió su título de Ingeniera
Mecánica de la Universidad
Politécnica Salesiana en 2023.
Fernando Toapanta-Ramos.-
Nació en Quito, Ecuador en 1986.
Recibió su título de Ingeniero
Mecánico de la Universidad
Politécnica Salesiana en 2012; de
Máster en Gestión de Energías de la
Universidad de Técnica de
Cotopaxi, Latacunga en 2016; y su
título de Doctor en la Universidad Pontificia Bolivariana,
en la escuela de ingeniería, de Colombia. Sus campos de
investigación están relacionados con el Desarrollo
fluidos con nanopartículas, nanorefrigerantes y
simulaciones de CFD con fenómenos relacionados a la
transferencia de calor, termodinámica y mecánica de
fluidos.
121
