Mejora de la transferencia de calor

El proceso de aumentar la eficacia de los intercambiadores de calor.

La mejora de la transferencia de calor es el proceso de aumentar la eficacia de los intercambiadores de calor . Esto se puede lograr cuando se aumenta la potencia de transferencia de calor de un dispositivo determinado o cuando se reducen las pérdidas de presión generadas por el dispositivo. Se pueden aplicar diversas técnicas para este efecto, incluida la generación de fuertes flujos secundarios o el aumento de la turbulencia de la capa límite .

Principio

Dos fluidos en contracorriente

Durante los primeros intentos de mejorar la transferencia de calor, se utilizaron superficies lisas (o lisas). Esta superficie requiere una geometría especial capaz de proporcionar valores más altos por unidad de área de superficie en comparación con una superficie lisa. La relación entre una superficie de transferencia de calor mejorada y una superficie lisa se denomina relación de mejora " ". Por lo tanto, ${\displaystyle {hA}}$ ${\displaystyle {hA}}$ ${\displaystyle E_{h}}$

 ${\displaystyle E_{h}={hA \over (hA)_{p}}}$

La tasa de transferencia de calor para un intercambiador de calor de contraflujo de dos fluidos viene dada por

 ${\displaystyle {Q=UA\Delta T_{m}}}$

Para ilustrar mejor los beneficios de la mejora, la longitud total 'L' del tubo se multiplica y se divide en la ecuación

 ${\displaystyle {Q={UA \over L}L\Delta T_{m}}}$

¿Dónde está la resistencia térmica total por unidad de longitud del tubo? Y está dada por ${\displaystyle {L \over UA}}$

 ${\displaystyle {L \over UA}={L \over \eta _{1}h_{1}A_{1}}+{Lt_{w} \over k_{w}A_{m}}+{L \over \eta _{2}h_{2}A_{2}}}$

Los subíndices 1 y 2 describen los dos fluidos diferentes. La eficiencia de la superficie se representa empleando superficies extendidas. Un aspecto a tener en cuenta es que la última ecuación no incluye ninguna resistencia al ensuciamiento debido a su simplicidad, lo que puede ser importante. Para mejorar el rendimiento del intercambiador de calor, se debe aumentar el término . Para lograr una resistencia térmica reducida, la geometría de superficie mejorada se puede utilizar para aumentar uno o ambos términos en relación con las superficies planas, lo que conduce a una resistencia térmica reducida por unidad de longitud de tubo, . Este término reducido se puede utilizar para lograr uno de los siguientes tres objetivos: ${\displaystyle {\eta }}$ ${\displaystyle {UA \over L}}$ ${\displaystyle {hA \over L}}$ ${\displaystyle {L \over UA}}$

1. Reducción de tamaño . Manteniendo constante la tasa de intercambio de calor, se puede reducir la longitud del intercambiador de calor, proporcionando un intercambiador de calor de proporciones más pequeñas. ${\displaystyle {Q}}$

2. Aumento ${\displaystyle {UA}}$ .

• Reducido : manteniendo tanto la longitud como la longitud constantes, se puede reducir aumentando la eficiencia del proceso termodinámico conduciendo a menores costos de operación. ${\displaystyle {\Delta t_{m}}}$ ${\displaystyle {Q}}$ ${\displaystyle {\Delta t_{m}}}$
• Mayor intercambio de calor: aumentar y mantener una longitud constante dará lugar a un aumento de la temperatura de entrada del fluido fijo. ${\displaystyle {UA \over L}}$ ${\displaystyle {Q}}$

3. Potencia de bombeo reducida para trabajo térmico fijo . Esto requerirá velocidades de operación menores que en la superficie plana y un área frontal mayor, normalmente no deseada.

Dependiendo de los objetivos del diseño, cualquiera de las tres mejoras de rendimiento diferentes se puede utilizar en una superficie mejorada, y utilizando cualquiera de las tres mejoras de rendimiento mencionadas es totalmente posible lograrlo. ^[1]

Flujo interno

Inserción de alambre de resorte helicoidal

Inserto de tubo de cinta retorcida

Aletas longitudinales

Costillas helicoidales

Existen varias opciones disponibles para mejorar la transferencia de calor. La mejora se puede lograr aumentando el área de superficie para convección o/y aumentando el coeficiente de convección. Por ejemplo, se puede aumentar la rugosidad de la superficie para mejorar la turbulencia . Esto se puede lograr mediante mecanizado u otros tipos de inserciones como alambre de resorte helicoidal. El inserto proporciona una rugosidad helicoidal en contacto con la superficie. El coeficiente de convección también se puede aumentar mediante un inserto de una cinta retorcida que consiste en un giro periódico de 360 ​​grados. Los insertos tangenciales optimizan la velocidad del flujo cerca de la pared del tubo, al tiempo que proporcionan un área de transferencia de calor más grande. Mientras tanto, se puede lograr un área y un coeficiente de convección mayores mediante la aplicación de insertos de aletas o nervaduras en espiral. Se deben tener en cuenta otros aspectos, como la caída de presión, para cumplir con las restricciones de potencia del ventilador o la bomba. ${\displaystyle {h}}$

Tubo enrollado helicoidalmente

Tubo helicoidal enrollado con flujo secundario

El inserto de resorte helicoidal puede mejorar la transferencia de calor sin turbulencia ni área de superficie de transferencia de calor adicional. Un flujo secundario induce el fluido creando dos vórtices longitudinales. Esto podría dar como resultado (a diferencia de un tubo recto) una transferencia de calor local altamente no uniforme alrededor de la periferia del tubo. Lo que conduce a una dependencia de los coeficientes de transferencia de calor local en las diferentes ubicaciones a lo largo del tubo ( ). Suponiendo que las condiciones para el flujo de calor son constantes, la temperatura media del fluido se puede estimar de la siguiente manera: ${\displaystyle {h}}$ ${\displaystyle {x}}$ ${\displaystyle {T_{m}(x)}}$

 ${\displaystyle {T_{m}(x)=T_{m},_{i}+{q''_{s}P \over {\dot {m}}c_{p}}x}}$ donde = constante. ${\displaystyle {q''_{s}}}$

Las temperaturas máximas del fluido cerca de la pared del tubo están presentes cuando el fluido se calienta, y debido a que el coeficiente de transferencia de calor depende fuertemente del ángulo ( ), el cálculo de la temperatura local máxima no es sencillo. Para este propósito, las correlaciones para el número de Nusselt promediado periféricamente son, si no hay ninguna, de poca utilidad para mantener constantes las condiciones de flujo de calor. Por otro lado, las correlaciones para el número de Nusselt promediado periféricamente para una temperatura de pared constante son muy útiles. ^[2] ${\displaystyle {\phi }}$

El flujo secundario:

• Aumenta las tasas de transferencia de calor.
• Aumenta las pérdidas por fricción.
• Disminuye la longitud de entrada.
• Reduce la diferencia entre las tasas de transferencia de calor laminar y turbulenta, en contraste con el caso de tubo recto.

El paso de la bobina S tiene una influencia insignificante en la caída de presión y las tasas de transferencia de calor. Para el tubo helicoidal, el número de Reynolds crítico para el inicio de la turbulencia es,

 ${\displaystyle {Re_{D,c,h}=Re_{D,c}[1+12(D/C)^{0.5}]}}$

donde se da en estado turbulento y plenamente desarrollado. ${\displaystyle {Re_{D,c}}}$ ${\displaystyle {Re_{D,c}\approx 2300}}$

Los retrasos en la transición del estado laminar al turbulento dependen en gran medida de los fuertes flujos secundarios asociados con tubos helicoidales enrollados firmemente. El factor de fricción para un flujo laminar completamente desarrollado es, ${\displaystyle {C/D\geq 3}}$

 ${\displaystyle {f={64 \over Re_{D}}}}$ donde . C es el diámetro exterior de la bobina helicoidal. ${\displaystyle {Re_{D}(D/C)^{0.5}\leq 30}}$

y

 ${\displaystyle {f={27 \over Re_{D}^{0.725}}(D/C)^{0.1375}}}$ para  ${\displaystyle {30\leq Re_{D}(D/C)^{0.5}\leq 300}}$

y

 ${\displaystyle {f={7.2 \over Re_{D}^{0.5}}(D/C)^{0.25}}}$ dónde  ${\displaystyle {300\leq Re_{D}(D/C)^{0.5}}}$

Para los casos en los que , existen recomendaciones disponibles proporcionadas por Shah y Joshi. ^[2] El coeficiente de transferencia de calor se puede utilizar en la ecuación de la ley de enfriamiento de Newton. ${\displaystyle {C/D\leq 3}}$

 ${\displaystyle {q''_{s}=h(T_{s}-T_{m})}}$ 

y puede evaluarse a partir de la correlación,

${\displaystyle {Nu_{D}=\left[\left(3.66+{4.343 \over a}\right)^{3}+1.158\left({Re_{D}(D/C)^{0.5} \over b}\right)^{3 \over 2}\right]^{1 \over 3}\left({\mu \over \mu _{s}}\right)^{0.14}}}$

donde y  ${\displaystyle {a=\left(1+{927(C/D) \over Re_{D}^{2}Pr}\right)}}$ ${\displaystyle {b=1+{0.477 \over Pr}}}$

Las correlaciones para el factor de fricción en estado turbulento se basan en datos limitados. El aumento de la transferencia de calor debido al flujo secundario no es significativo en estado turbulento, constituyendo menos del 10 % para . Además, el aumento creado por el uso de tubos helicoidales enrollados debido al flujo secundario generalmente se emplea solo para situaciones donde el flujo está en estado laminar. En este estado, la longitud de entrada es entre un 20 % y un 50 % más corta en comparación con el tubo recto. En el caso del flujo turbulento, el flujo se desarrolla completamente durante la primera media vuelta del tubo helicoidal enrollado. Por esta razón, la región de entrada se puede descuidar en muchos cálculos de ingeniería. Si el líquido o el gas se calienta en un tubo recto, el fluido que pasa cerca de la línea central, saldrá del tubo en un tiempo mucho más corto y siempre estará más frío que el fluido que pasa cerca de la pared. ^[3] ${\displaystyle {C/D\geq 20}}$

Referencias

1. Webb, Kim, Ralph L., Nae-Hyun (23 de junio de 2005). Principios de transferencia de calor mejorada . CRC Press; 2.ª edición. ISBN 978-1591690146.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
2. Shah, RK y SD Joshi, en Manual de transferencia de calor convectivo monofásico, cap. 5, Wiley-Interscience, Hoboken, NJ, 1987
3. Incropera, Dewitt, Bergman, Lavine, Frank P., David P., Theodore L., Adrienne S. (2013). Principios de transferencia de calor y masa . John Wiley & Sons; 7.ª edición, edición internacional. ISBN 978-0470646151.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )