Instituto Tecnolgico de Quertaro

Instituto Tecnolgico de Quertaro

Tema: Anlisis numrico del intercambiador de calor de tubos y coraza con deflectores segmentos utilizando tuberas con seccin transversal ovalada.2014-2016

Por:Juan Carlos Vzquez Aarn Gudio TALLER DE INVESTIGACIN II

1JustificacinEn la industria de la ingeniera, es de gran importancia la comprensin de las mquinas y mecanismos que estn en constante transferencia de calor para la solucin de problemas, diseo de automviles, plantas generadoras de gran cantidad de energa, refrigeracin y aire acondicionado, etc.Por esta razn para nosotros como estudiantes de Ing. Mecnica es de vital inters el aprendizaje, desde la teora hasta la prctica y proposicin de nuevas formas de analizar los problemas desde varios puntos de vista bien fundamentados.Esta investigacin esta propuesta como una forma ms de involucrar a los estudiantes de ingeniera en los procesos de transferencia de calor y como estos pueden ser puestos en prctica en la industria con otro intercambiador similar al del Laboratorio de Mecnica del I.T.Q.

Planteamiento del problemaLos intercambiadores de calor son elementos de amplia y necesariautilizacin en todas las reas de la industria donde se requiere calentar oenfriar fluidos. Dentro de la gran variedad de intercambiadores de calor quese construyen esta en gran mayora el intercambiador de tubos y coraza, los cuales tambin pueden tener distintos arreglos en sus deflectores. Estos intercambiadores a pesar de ser de los mas comunes presenta algunas desventajas que nos gustara reducir como su baja eficiencia trmica o el dao de las vibraciones inducidas las cuales llevan al fallo del equipo entre otras, las cuales proponemos lograr mediante un diseo alterno de sus tuberas o la combinacin de algunos de ellos ya realizados anteriormente.

ObjetivosGeneral: Analizar numricamente el comportamiento del Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza mediante la implementacin de tuberas con seccin transversal ovalada.

Especficos:

-Implementacin adecuada de la forma y posicin de los nuevos tubos en los deflectores dentro intercambiadores de calor.

-Aumentar la hidrodinmica del fluido dentro intercambiador de calor en su recorrido.

-Comparar mediante anlisis numrico sus ventajas y desventajas con los dems modelos propuestos de deflectores.

-Conocer las propiedades mecnicas que presenta esta nueva geometra.

-Analizar cuando es conveniente el uso de un BTC de tubos y coraza en los procesos industriales con la nuevas tubera.

HiptesisEl modo correcto de proceder es obtener los valores para estos parmetros :Coeficiente de transferencia de calor entre los fluidos dentro y fuera de los tubosNumero de NusseltCada de presin en el lado de la carcasapara varias temperaturas en la curva de calentamiento o enfriamiento de la aplicacin, adems de conocer el numero de deflectores que tendr la simulacin, y si es a contraflujo o en flujo paralelo para determinar la cantidad de reduccin de la zona de choque entre el fluido y las tuberas.La implementacin de este tipo de tubos puede llevar grandes ventajas mas all de las establecidas inicialmente, entre ellas se lograran menor turbulencia dentro del intercambiador ya que al tener menor zona de choque entre el fluido y la tubera se podran producir menor cantidad de vibraciones dentro de el, y como consecuencia de esto podra necesitar menor mantenimiento.

Tambin el momento flexionante podra ser menor y esto conllevara a usar un espesor de tubos menor al normalmente usado y con lo cual podra mejorar la transferencia de calor entre los fluidos por conveccin en las tuberas ayudada tambin por la geometra del tubo la cual recorta el recorrido hacia el centro del fluido caliente, y a un ahorro significativo en la implementacin de intercambiadores de gran tamao y cantidad de tubos.

Esta diapositiva no entra en la hipotesis con el fin de reducirla6Estado del arteSu origen se lo acredita a un prolfico ingeniero a mediados del XIX. Fue Ericson, quien en 1852 invent el cambiador de calor de tubos y carcasa, utilizndolo para el condensador de las mquinas de vapor marinas. Este se fundamenta en los principios de la termodinmica clsica, ciclo de Carnot (un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor de alta temperatura, lo cede a uno de baja temperatura, produciendo un trabajo sobre el exterior) (Martinez, 2000).

En este estudio, Sun et al (2012) estudiaron las propiedades de la transferencia de calor y resistencia de flujo de la combinacin de agujeros grandes y chicos en los deflectores de un intercambiador con modelos numricos verificados experimentalmente. Los resultados muestran que como resultado del flujo paralelo la cada de presin en el extremo de la carcasa de este tipo de intercambiadores decrece en gran medida a comparacin del arreglo convencional de deflectores segmentados, ambos con la misma colocacin. Si el dimetro de los agujeros grandes es escogido de forma apropiada el intercambiador presenta un mayor coeficiente de transferencia de calor en el cabezal extremo y menor cada de presin en este tambin. Para la misma cada de presin del cabezal extremo, los coeficientes de transferencia de calor en el cabezal extremo con este tipo de intercambiadores puede incrementarse como mucho hasta 25% comparado con el intercambiador de calor convencional de deflectores segmentados.

En este artculo, Vuki et al (2014) pusieron nfasis en la investigacin del numero de deflectores segmentados y su influencia en la eficiencia del intercambiador de tubos y coraza. Sus conclusiones fueron que el intercambia de calor dependen en gran medida de la geometra del cabezal (nmero de deflectores segmentados, corte de los deflectores, tamao, distancia entre ellos la ltima posicin de los deflectores para la entrada y salida de las boquillas, y el tamao de construccin permitido).

En cuanto al diseo de tuberas para intercambiadores, Chen et al. (2007) realizaron un estudio numrico del flujo en paralelo y contracorriente en los intercambiadores de doble tubo con tubos en el interior con forma ovalada configurados tanto vertical como horizontalmente. Sus resultados incluyen la temperatura y presin en sus contornos y los vectores de velocidad en varias secciones transversales, distribucin axial promedio del nmero de Nusselt y distribuciones de coeficiente de transferencia de calor global y la mejora del factor de transferencia de calor en tres parmetros distintos. El anlisis muestra que la introduccin de los tubos ovalados en el interior produce vrtices axiales en el flujo interior y exterior de la tubera, y la transferencia de calor en el tubo se incrementa como resultado. En general, el flujo en contracorriente regresa un coeficiente global de transferencia de calor mayor que el flujo paralelo. Sin embargo, en trminos de mejora en la magnitud de la transferencia de calor, el rendimiento del arreglo en flujo paralelo es ligeramente mejor que el de contracorriente.

Marco TericoIntercambiador de calorUnintercambiador de calores un dispositivo diseado para transferircalorentre dos medios, que estn separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos decalefaccin, refrigeracin, acondicionamiento de aire, produccin deenergay procesamientoqumico.

Intercambiador de tubos y coraza

Est formado por una coraza y por multitud de tubos, los tubos que van por dentro de la coraza son colocados mediante una placa deflectora perforada. Sus tubos pueden presentar diferentes distribuciones. Estos intercambiadores se clasifican segn el nmero de pasos que se realizan por el casco y por los tubos.

ContraflujoEn esta disposicin del flujo, los fluidos entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.

Flujo paraleloEn esta disposicin los dos fluidos, el fro y el caliente, entran en el intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma direccin.

Flujo ParaleloContraflujo

ConveccinLa conveccin la transmisin de calor que se produce entre los fluidos cuando el calor es transportado desde zonas de mayor temperatura a otras con temperatura menor, debido a que el calor del fluido calentado se ve obligado a moverse por el de menor temperatura produciendo una energa.Se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

COEFICIENTE DE TRANSMISIN DEL CALOREs la relacin entre la cantidad de calor que atraviesa, durante la unidad de tiempo, una pared de separacin entre 2 fluidos a diferente temperatura y el producto de la superficie de la pared por el desnivel o salto trmico. Se expresa en kilocalora/ (hora metro kelvin) (kcal/(hmK)). El valor del coeficiente de transmisin del calor depende de la naturaleza de los fluidos y de la pared en contacto.

Marco TericoIntercambiador de calorUnintercambiador de calores un dispositivo diseado para transferircalorentre dos medios, que estn separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos decalefaccin, refrigeracin, acondicionamiento de aire, produccin deenergay procesamientoqumico.

Intercambiador de tubos y coraza

Est formado por una coraza y por multitud de tubos, los tubos que van por dentro de la coraza son colocados mediante una placa deflectora perforada. Sus tubos pueden presentar diferentes distribuciones. Estos intercambiadores se clasifican segn el nmero de pasos que se realizan por el casco y por los tubos.

ContraflujoEn esta disposicin del flujo, los fluidos entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.

Flujo paraleloEn esta disposicin los dos fluidos, el fro y el caliente, entran en el intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma direccin.

HiptesisEl modo correcto de proceder es obtener los valores para estos parmetros :Coeficiente de transferencia de calor entre los fluidos dentro y fuera de los tubosNumero de NusseltCada de presin en el lado de la carcasapara varias temperaturas en la curva de calentamiento o enfriamiento de la aplicacin, adems de conocer el numero de deflectores que tendr la simulacin, y si es a contraflujo o en flujo paralelo para determinar la cantidad de reduccin de la zona de choque entre el fluido y las tuberas.