A5_208 - somim

MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO
PROPUESTA PARA EL MEJORAMIENTO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
TIPO CORAZA Y TUBOS
García Aranda Oscar y Solorio Ordaz Francisco
Departamento de Termofluidos, DIMEI
Facultad de Ingeniería, UNAM, Ciudad Universitaria, 04510 México, D.F.
magozkr@hotmail.com, fjso@servidor.unam.mx
RESUMEN
Se propone el uso combinado de tubos corrugados y
bafles helicoidales en un intercambiador de calor de
coraza y tubos con el propósito de incrementar la
transferencia de calor. Se presenta un comparativo
entre el desempeño de tres intercambiadores de
calor: un modelo tradicional, con tubos lisos y bafles
rectos; un modelo de tubos corrugados y bafles
rectos; y el modelo propuesto en este trabajo, de
tubos corrugados y bafles helicoidales. Se concluye
que con este último diseño se logra la mayor
transferencia de calor.
ABSTRACT
This paper presents the combined use of corrugated
pipes and helical baffles in a shell and tubes heat
exchanger, with the purpose of increasing heat
transfer. A comparative performance of three heat
exchangers is presented: a traditional model with
straight smooth tubes and baffles; a model with
straight corrugated tubes and baffles; and the model
proposed in this paper, with corrugated tubes and
helical baffles. It is concluded that the latter design
achieves the highest heat transfer.
NOMENCLATURA
h - coeficiente convectivo
m s - flujo másico
Pr- número de Prandtl
Re- Número de Reynolds
Nu- número de Nusselt
U- coeficiente global de transferencia
α - ángulo de inclinación de corrugado
e – profundidad de corrugado
p – separación entre corrugaciones
di – diámetro interior del tubo
T – termómetro
M- manómetro
l
o
i
liso
exterior
interior
INTRODUCCION
Un intercambiador de calor es un dispositivo esencial
en diferentes procesos, sean o no de carácter
industrial. Es por ello que surge la necesidad de
mejorar su desempeño para poder obtener el máximo
aprovechamiento de la energía, que hoy en día se
comienza a ver disminuida y encarecida. Con el
desarrollo tecnológico los intercambiadores de calor
han ido disminuyendo su peso y su volumen e
incrementando su eficiencia, principalmente en
aplicaciones muy especializadas en la industria
aeroespacial, vehicular, marina, de aire
acondicionado y refrigeración, automotriz, de
recuperación de calor en gases de combustión, por
mencionar sólo algunas. Las primeras investigaciones
comienzan justo después de la Primera Guerra
Mundial y se aceleran con la incorporación de la
soldadura en aluminio después de la Segunda Guerra
Mundial [1].
La mayoría de los intercambiadores de calor siguen
empleando superficies lisas, lo que los hace más
robustos y costosos para lograr el desempeño
esperado. Entonces, para poder abatir materiales, y
por ende costos, es necesario mejorar los procesos de
transferencia de calor usando una serie de técnicas
que tienden a incrementarla. Bergles et al. [2]
identifican 13 de estas técnicas y las divide en dos
grupos: pasivas y activas. En las primeras se emplean
geometrías especiales de las superficies de
intercambio o fluidos aditivos, y en las segundas se
usan fuentes externas como campos acústicos o
superficies e insertos vibrantes. El objetivo principal
es incrementar el coeficiente convectivo en los dos
fluidos de trabajo, con lo que se logran diseños de un
menor tamaño y un rango de operación más amplio.
Subíndices
c
corrugado
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Una estrategia usada desde hace años consiste en
modificar dos de los principales componentes del
intercambiador: la superficie interna y/o externa del
haz de tubos y los deflectores (bafles) que orientan la
corriente en la coraza.
En la Figura 1 se muestra un tubo corrugado en
ambas caras y otro con corrugado interno.
Figura 1. Tubos corrugados [6]
Como se mencionan Nassiruddin y Kamram [6], Tsay
encontró que la introducción de bafles rectos o
verticales en un flujo podría incrementar el número
de Nusselt promedio hasta en un 190%, y que las
condiciones de flujo y transferencia de calor
dependen fuertemente de la posición del bafle. Por
otro lado se ha encontrado que los deflectores
inclinados en la dirección del la corriente muestran
mejores resultados que los convencionales. Este
concepto da origen al llamado bafle o deflector
helicoidal, que genera un flujo con la dirección que se
ilustra en la Figura 4.
En los tubos corrugados, se tiene un incremento en la
turbulencia debido a las ondulaciones en espiral que
se forman en la superficie y esto repercute en un
mejor mezclado dentro y/o fuera de ellos, mejorando
los coeficientes de transferencia de calor [3,4]. Por
otro lado, el diseño y desarrollo de los
intercambiadores de calor se comienza a centrar en el
mejoramiento del diseño de los bafles convencionales
[5], Figura 2.
Figura 4. Flujo a través de un bafle helicoidal
Figura 2. Bafle convencional
Los bafles más comúnmente usados son los
segmentados, que generan un flujo cruzado a través
del haz de tubos, con el consiguiente incremento en la
caída de presión, Figura 3.
Los primeros bafles helicoidales se desarrollaron en
la República Checa y desde entonces se han hecho
relativamente pocos estudios en esta dirección [5].
Algunas de las ventajas ofrecidas por los bafles
helicoidales son: mejoras en la transferencia de calor
del lado de la coraza [7], disminuyen la caída de
presión [8], reducen el efecto de división de flujos
[9], reducen el factor de ensuciamiento de lado de la
coraza [10], además de prevenir la vibración inducida
por el flujo [11,12]. Por otro lado, las desventajas que
presentan son las dificultades en el diseño,
manufactura y ensamble.
PROPUESTA DE MEJORA
En el presente trabajo se propone el uso combinado
de tubos corrugados y bafles helicoidales en un
intercambiador de calor de coraza y tubos,
configuración que prácticamente no se encuentra en
los intercambiadores comerciales. Esta es una técnica
pasiva en la que se modifican las superficies interna y
externa del tubo (corrugado) y se diseña un nuevo
deflector.
Figura 3. Flujo a través de bafle convencional
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Para evaluar los beneficios de la propuesta, se lleva a
cabo un comparativo entre tres equipos, diseñados y
construidos para este propósito, que son: el
“convencional” (modelo 1), con tubos lisos y bafles
rectos, que se muestra en la parte superior de la
Figura 5; el de tubos corrugados y bafles rectos
(modelo 2), que se ilustra en la parte inferior de la
misma Figura 5; y el diseño propuesto en este trabajo,
de tubos corrugados y bafles helicoidales (modelo 3),
que se ilustra en la Figura 6.
Los tres equipos constan de 12 tubos en “U”, dando
como área de transferencia 1.282 m 2 , en dos pasos
por el lado tubos y uno por lado coraza.
Figura 5. Haz de tubos de los modelos 1 y 2
Para lo anterior los equipos se conectaron en paralelo
(Figura 7) tanto del lado caliente (vapor), como del
lado frío (agua), con el propósito de que entre la
misma cantidad de fluido a cada uno de ellos y
trabajen por separado o de manera independiente. El
vapor se suministra de una caldera de 100 caballos
caldera de capacidad, el agua procede de una torre de
enfriamiento. Se procedió a tomar las lecturas para
cada uno de los equipos de las siguientes variables:
temperatura del agua a la entrada y salida para el lado
de tubos y para el lado de coraza, temperatura de
condensado y presión del vapor a la entrada y a la
salida. Se usan termómetros de columna de mercurio
convencionales. Estas lecturas se tomaron para
diferentes flujos másicos de agua, previamente
calculados por medio del tiempo de llenado de un
recipiente de volumen conocido; el flujo másico del
lado del vapor se mantiene fijo y se mide de manera
similar al del agua, una vez que este se condensa
(Figura 8). Con los valores antes mencionados se
realiza un balance térmico del lado frío para obtener
los coeficientes de transferencia de calor. El balance
se realiza de esta manera porque del lado de los tubos
las lecturas son más confiables debido a que se trata
de un circuito semi-cerrado, caso contrario al lado
caliente en donde se pueden llegar a tener grandes
pérdidas hacia la coraza y a su vez al ambiente.
a) b)
Figura 6. a) Modelo computacional del haz y del
deflector, b) Modelo experimental
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
El experimento consistió en probar los tres equipos
bajo las mismas condiciones de operación, para que
de esta manera resulte más sencilla y directa la
comparación de su desempeño.
Figura 7. Esquema conexión de intercambiadores
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Nu c /Nu l = [1+[2.64Re 0.036 (e/di) 0.212 (p/di) -0.21 (α/90) 0.29
Pr 0.024 ] 7 ] 1/7 (1)
Figura 8. Conexión intercambiador de calor
RESULTADOS
En la Figura 9 se muestran los resultados
correspondientes a la temperatura de salida del agua
por el lado de los tubos, para los tres modelos en
estudio. La temperatura de entrada del agua se
mantuvo constante aproximadamente 22 °C en los
tres casos.
El valor resultante es h ic 454.27 Btu/hrft 2 ºF. Con estos
dos valores, la relación h ic /h il resulta de 1.82, lo que se
compara favorablemente con el valor de 1.89
reportado en la Tabla 9.10 de la referencia [3]. Para el
lado exterior de los tubos, el coeficiente convectivo
ho se obtiene mediante un balance térmico a partir de
los datos anteriores. Para el caso del modelo 1, este
coeficiente resulta un 15% mayor que el que se
predice con la correlación de Delaware [7].
Conocidas todas las temperaturas de entrada y salida,
los flujos másicos y el calor específico, es posible
calcular el calor transferido entre los dos flujos
mediante un balance de energía. Con este valor, y
usando el concepto de temperatura media logarítmica
y un área de transferencia de 13.8 ft 2 , se calcula el
coeficiente global de transferencia de calor.
TEMPERATURA (°C)
RECUPERACION DE CALOR
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5
FLUJO MASICO (Kg/s)
LISO
CORRUGADO
C-HELICOIDAL
En la Tabla 1 se resumen los valores de todos los
coeficientes de transferencia de calor señalados.
Tabla 1. Coeficientes de transferencia de calor
Mod. U(Btu/hft 2 °F) hi(Btu/hrft 2 ºF) ho(Btu/hrft 2 ºF)
1 101.110 249.6 169.86
2 167.656 454.27 265.73
3 199.064 454.27 354.34
Figura 9. Temperatura de salida en el lado de los
tubos.
Usando los resultados anteriores se procede al cálculo
de los coeficientes de transferencia de calor. De esta
manera, el coeficiente correspondiente al modelo 1,
para el interior de los tubos, se calcula empleando la
ecuación de Dittus-Boelter, en base a un diámetro
interior de 0.75 pulgadas y una pared de 0.035
pulgadas, considerando un tubo fabricado en acero
inoxidable norma SA-249-TP304, dando como
resultado un valor de h il de 249.6 Btu/hrft 2 ºF. A partir
de este valor se procede al cálculo del coeficiente de
transferencia interno h ic para el tubo corrugado
usando la correlación (1) de Ravigururajan y Bergles,
con la cual es posible predecir el comportamiento de
diversas rugosidades internas como son: tubos con
costillas, con insertos en espiral y tubos corrugados.
Se observa que los valores máximos de los
coeficientes de transferencia se logran con el modelo
3, que como se señaló, incluye tubos corrugados y un
bafle helicoidal. La transferencia de calor se beneficia
dado que al tener una superficie ondulada en los tubos
corrugados se modifica la trayectoria del fluido
creando vórtices y turbulencia tanto al interior como
al exterior de los mismos, lo que incrementa el
mezclado. Adicional a lo anterior, el bafle helicoidal
tiene una contribución favorable, ya que por un lado
crea un efecto de remolino por el lado de la coraza
(Figura 4) y por el otro se espera que se tenga una
menor caída de presión, debido a que existen menos
zonas de recirculación al no existir cambios bruscos
en la trayectoria del flujo en comparación con los
bafles rectos.
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CONCLUSIONES
Se demuestra que al corrugar los tubos se incrementa
la transferencia de calor en relación con el caso de
tubos lisos, debido principalmente a la turbulencia y
vórtices creados en ambos fluidos. Por otro lado, al
incorporar a este diseño el bafle helicoidal, se mejora
todavía más la transferencia de calor, en comparación
con los modelos 1 y 2, es decir, la máxima
transferencia de calor se logra con tubos corrugados y
bafle helicoidal.
Es pertinente mencionar que tanto los tubos
corrugados como el bafle helicoidal implican más
tiempo de modelado, maquinado y ensamble,
comparados con el requerido en el modelo
tradicional, lo que obviamente repercute en los
costos.
En un futuro es necesario ampliar el rango de
operación de los equipos, así como generar algunas
relaciones empíricas que permitan predecir los
coeficientes en los intercambiadores modificados o
mejorados, tomando como base los datos de los
equipos convencionales.
RECONOCIMIENTOS
Se agradece el apoyo otorgado para la realización del
presente proyecto a la empresa Eficiencia Thermo
S.A de C.V. por todas las facilidades otorgadas para
el rediseño y construcción de los prototipos, así como
al Laboratorio de Máquinas Térmicas de la Facultad
de Ingeniería de la UNAM, por permitir el uso de los
equipos para la parte experimental del trabajo.
[5] Zhengguo Z., Dabin M., Xiaoming F., Xuenong
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helically baffled heat exchanger combined with one
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[6] Nassiruddin M.H., Kamram S., Heat transfer
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[4] Bell and A.C. Mueller Eds., Wolverine
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ISBN: 978-607-95309-3-8
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