TRANSFERENCIA DE CALOR II

Modelo numrico de transferencia de calor y comportamiento fluido dinmicoDe un condensador vertical helicoidal de doble tubo

PRESENTADO POR:Fabio Andrs Arvalo GutirrezLuis Alberto Caldern BermejoJhon Robert CarpinteroJos Daniel Ortiz Toro

PRESENTADO A:Ing. Alberto Albis Arrieta

PROGRAMA DE INGENIERA QUMICAFACULTAD DE INGENIERAUNIVERSIDAD DEL ATLNTICOBARRANQUILLA, JUNIO 11 DE 2014

INTRODUCCION

La condensacin es un fenmeno importante que tiene muchas aplicaciones. Los serpentines helicoidales se utilizan ampliamente en generadores de vapor, refrigeradores, reactores nucleares y plantas qumicas, etc., debido a su importancia prctica para la transferencia de calor de alta eficiencia, facilidad de fabricacin y disposicin. Los modelos de condensadores y dispositivos evaporadores han sido motivo de estudio para diferentes autores. Wang presenta un mtodo numrico para analizar el flujo de dos fases de condensacin en un condensador de doble tubo utilizando un esquema de diferencias finitas semi-implcito utilizado para resolver las ecuaciones gobernantes. Morales present un estudio numrico del comportamiento trmico y la dinmica de fluido del flujo de dos fases en los conductos en virtud de fenmenos de condensacin o evaporacin. Los autores discretizaron ecuaciones que gobiernan y se resuelven utilizando el mtodo semi-implcito para las ecuaciones de presin vinculadas. Colorado desarroll un modelo predictivo para describir la transferencia de calor y el comportamiento dinmico de un fluido de un evaporador de doble tubo vertical, helicoidal para un intercambiador de calor. Un condensador vertical de doble tubo helicoidal tambin se utiliza en el intercambiador de calor de absorcin integrado para un proceso de purificacin de agua. El proceso de purificacin de agua utilizado en el intercambiador de calor por absorcin es un proceso de destilacin simple donde se calienta el agua impura para obtener vapor que se condensa inmediatamente. El condensador libera calor y agua pura. El transformador de calor de absorcin es un sistema que consiste en un dispositivo termodinmico capaz de producir calor til a un nivel trmico superior a la de la fuente. Esta integracin de los dos sistemas permite aumentar la temperatura del sistema de agua impura, y obtener as agua pura y calor til. Modelos termodinmicos para sistema de absorcin han sido estudiados por diferentes autores.

Tabla 1: nomenclatura2. Datos experimentalesLa base de datos experimental proporcionada por Huicochea y Siqueiros , consiste en diferentes valores de la COP con la reutilizacin de la energa, obtenida de un proceso de purificacin de agua potable acoplado a un transformador de calor de absorcin. El conjunto de datos experimentales fue el resultado de diferentes concentraciones iniciales de LiBr + H2O en AB y GE, diferentes temperaturas en AB, GE, EV, CO y diferentes presiones en AB y GE. Adems de los datos experimentales de cada componente, se toma el estado estacionario en cuenta para cada concentracin inicial utilizado en el proceso. A partir de esta base de datos slo la base de datos experimental del condensador (CO) es considerada en este trabajo.El condensador tiene un diseo de intercambiador de calor de doble tubo helicoidal. Todo el sistema fue construido con tubos de acero inoxidable y fue bien aislado por un aislamiento de espuma. La Tabla 1 describe las dimensiones del condensador helicoidal. En el interior de las tuberas, flujo del fluido energtico (agua), que cambia de fase de vapor a la fase lquida, alcanz el calor al agua de refrigeracin (anular).

Tabla 2La figura. 1 muestra de entrada y de salida en el condensador. El fluido de trabajo de vapor en la entrada del condensador (E2), que viene desde el generador (GE) los cambios de fase, y se transforma en lquido de salida (S2). Este lquido de salida en el condensador va al evaporador (EV), que ahora se convierte en el fluido de trabajo de entrada en el evaporador para continuar el ciclo de energa. Figura 1La figura 2 muestra un diagrama esquemtico del intercambiador de calor de absorcin integrado a un proceso de purificacin de agua. El absorbedor da una QAB cantidad de calor til, producida por el transformador de calor desde el evaporador, condensador y generador

Figura 2La informacin experimental es como sigue: la tasa de flujo de masa del sistema no se midi para la tubera interna, El flujo de masa slo se ha registrado para el tubo de anillo. Se emple un transductor de presin para medir la presin en la seccin de salida del generador. La suposicin general es que la presin de entrada del condensador es igual a la registrada en la seccin de salida del generador. Con el fin de registrar la temperatura global, cuatro termopares tipo J (Hierro / Constantn) se han instalado en las secciones de entrada y salida de flujos (en las posiciones E1, S1, E2 y S2) del condensador (ver. Fig. 1).Anlisis de la incertidumbre experimental En el presente trabajo, las cantidades medidas directamente fueron: Tasa de flujo de masa, presin y temperatura de la masa. El rotmetro tena una precisin de 3% de la escala completa, para el caudal externo. La incertidumbre transductor de presin se estim en menos del 0,25% en la medicin, la escala del transductor de presin es de 0,0541 bar a 0,8181 bar. La calibracin de este sistema disminuye el error de 0,0169 bar para condiciones de diseo de acuerdo Corro et al. [18]. Las mediciones de termopares tenan una precisin de 0,2 C. Sobre la base de la medicin de diferentes variables, la incertidumbre de transferencia de calor externo, en la seccin anular, se estim en 11,56% segn Bevington y Robinson. Las cantidades medidas indirectamente fue la tasa de flujo de masa en la tubera interna dada por

Dnde:

La concentracin de LiBr (X) est dada por Hui cochea.

El ndice de refraccin (IR) tena la incertidumbre de 0,0002 en la medicin. El rotmetro tena una precisin de 2% del fondo de escala para la medicin mAB.Sobre la base de la medicin y los errores de las diferentes variables, las Ecs. (1) - (3) y la propagacin de errores describir por Bevington y Robinson, la incertidumbre de flujo de masa de tasa interna, se estim en.3. Formulacin matemtica de flujo de dos fases En esta seccin, la formulacin matemtica de flujo de dos fases se describe ms de un volumen de control (CV). Un volumen de control finito. Volumen que delimita un espacio fsico que corresponde a una zona parcial o global de una unidad trmica, en este caso, el condensador helicoidal. Un volumen de control se muestra en la figura. 3, donde'' i'' y'' i + 1'' representa las secciones de entrada y de salida, respectivamente. Teniendo en cuenta las bobinas helicoidales caractersticas, el Conjunto de ecuaciones se han integrado siguiendo estos supuestos: Fluido: agua. Flujo unidimensional: P (z, t), h (z, t), T (z, t), etc. No intervienen radiaciones del medio y el calor por radiacin es despreciable Conduccin de calor axial en el interior del fluido se desprecia. Dimetro interno y espiral constante e uniforme rugosidad en la superficie.Las ecuaciones de gobierno semi-integradas (masa, cantidad de movimiento, energa y entropa) sobre el volumen de control fueron presentados por Garca-Valladares. Para cada volumen de control, un conjunto de ecuaciones algebraicas se obtiene mediante una discretizacin de las ecuaciones gobernantes. Sobre la base de los enfoques numricos indicados anteriormente, el Consejo de ecuaciones se puede discretizar para obtener el valor de las variables dependientes (tasa de flujo de masa, presin y entalpa) en la seccin de salida de cada volumen de control. La tasa de flujo de masa se obtiene de la ecuacin de continuidad.

La ecuacin de momento discretizado se resuelve para la presin:

A partir de la ecuacin de la energa y la ecuacin de continuidad, la siguiente ecuacin se obtiene de la entalpa de salida:

Temperatura, fraccin de masa, densidad, y todas las propiedades termo fsicas se obtienen partir del cual se han basado en los lmites de funcionamiento del condensador helicoidal. El modelo unidimensional requiere el conocimiento de la dos fases estructura de flujo, que es evaluada por medio de la fraccin de huecos, por ejemplo. La evaluacin de la tensin de cizallamiento se lleva a cabo por medio de un factor de friccin f. Este factor se define a partir de la expresin: donde U2 LO es el factor Multiplicador de dos fases. La fuerza de inercia, las fuerzas centrfugas y las influencias gravitatorias intervienen en el clculo del factor de friccin para la bobina helicoidal. El calor transferido a travs de la pared del tubo helicoidal y la temperatura del fluido estn relacionados con el coeficiente de transferencia de calor por conveccin, que se define como:

De la misma manera, el clculo de la transferencia de calor por conveccin implica efectos helicoidales. Las ecuaciones de conservacin mencionados anteriormente son aplicables a flujo de dos fases transitorias. Las situaciones de flujo y / o monofsica de flujo estable (lquido o gas) son casos particulares de esta formulacin. En el interior de las tuberas del condensador helicoidal, diferentes regiones estn presentes en el proceso de condensacin. Las diferenciaciones entre las tres regiones principales estn dadas por la entalpa, presin y la calidad del vapor, a continuacin, siguiendo estos criterios: Regin Lquido: cuando h (p) 2300:

Regin de flujo de dos fases, en el interior de las tuberas La fraccin de huecos se evala de acuerdo a las relaciones semi-empricos propuesto por Premoli.

Uso de factor de correccin (de dos fases multiplicador de friccin) de acuerdo por Guo.

El coeficiente de transferencia de calor por conveccin se calcula de la correlacin de Tang. Esta correlacin se modific para parmetros helicoidales, se utiliza para la regin laminar y turbulento.

5. Solucin numrica El objetivo principal es la determinacin de la transferencia de calor y comportamiento de flujo de fluido a travs del condensador helicoidal. Las ecuaciones se han unido mediante un paso totalmente implcito en la direccin del flujo. A partir de los valores conocidos en la seccin de entrada, los valores de las variables en la salida de cada CV son iterativamente obtenidos. Esta solucin (valores de salida) son los valores de entrada para el siguiente volumen de control. El procedimiento se lleva a cabo hasta el final del condensador helicoidal. Con las condiciones de diferenciacin entre las regiones mencionadas en la formulacin matemtica de CV flujo bifsico donde se produce la transicin, se detectan. El criterio de transicin utilizado en la tubera interna, es que cuando se detecta volumen de control, el principio de esta transicin est asociado a la salida del volumen de control. Este criterio es importante calcular los adecuados coeficientes empricos en cada zona. Dentro de cada CV fue verificada la convergencia de trabajo con los siguientes criterios. El modelo numrico para describir la transferencia de calor y dinmica de fluidos comportamiento de flujo es el siguiente: el Dominio de condensador helicoidales discreta en un nmero fijo de CV; unidimensional flujo se adopt en el flujo interno y el anillo; en la pared, slido elemento para separar los flujos, se utiliz una malla desplazada. La Algoritmo sigue siguiente secuencia: (1) Se han especificado las condiciones iniciales de los flujos, la tasa de flujo de masa, la presin y la temperatura. Si la calidad de flujo es conocido en el caso del flujo de dos fases de entrada, se utiliza esta informacin. (2) Supongamos que una distribucin de temperaturas en la pared.(3) El flujo en el tubo interno se resuelve. En esta seccin en dos fases se presenta flujo. (4) de flujo en el espacio anular se resuelve. (5) La pared del tubo externo y el aislamiento se calcula con el fin a considerar las prdidas de calor al medio ambiente. (6) Vuelva a calcular la distribucin de la temperatura en la pared con la distribucin de la temperatura en el flujo de calor y la transferencia coeficientes usando un algoritmo de matriz tri-diagonal. Estos pasos se repiten a s mismos para verificar una convergencia estricta criterio. El estado de equilibrio es una forma particular de este modelo, en el que no es considera la derivada temporal en las ecuaciones discretizadas.6. Los resultados numricos y validacin experimentalLas condiciones experimentales (Test B, vase el cuadro 3) se utilizan para determinarla influencia del nmero de CV sobre los resultados numricos obtenidos para la temperatura de salida, la presin y la entalpa en el tubo y el anillo interno. La Tabla 2 muestra los resultados de la independencia de malla espacial obtenida con nzp 200 CV con una convergencia criterio de . El modelo en el estado de equilibrio, con 600 CV, Dz = 0,0050 m y convergencia el criterio , se compara con experimental datos por Huicochea y Siqueiros. Este modelo utiliza inicial valores experimentales en el estado de equilibrio en la entrada flujos. Tabla 3 muestra los resultados en comparacin con los valores de salida de los flujos. Condiciones de operacin experimental por Huicochea y Siqueiros son el resultado de modificaciones experimentales sobre el transformador de calor con el objetivo de incrementar la COP del transformador de calor y evaluar un dispositivo compacto. Pruebas A- J son de operacin experimental el estado de equilibrio para la prueba B, D y E. Estas figuras, indican que el modelo propuesto representa el comportamiento de la temperatura y la presin a travs de la tubera en el buen sentido. Experimentales variaciones de datos presentes en las condiciones de operacin del condensador helicoidal de doble tubo a partir de datos experimentales por Huicochea y Siqueiros. El mismo fluido de trabajo (agua) y helicoidal geometra se aplicaron. Las variaciones en la presin de entrada, la entrada y salida se reportan temperatura y la velocidad de flujo de masa. La norma desviacin de flujo de calor externa calculada para estas pruebas, se estima que en 0,1188 kW. Los resultados numricos para el clculo del flujo de calor externo, para estas pruebas en estado estacionario, tena una discrepancia inferior a 10,9 % con respecto a los resultados experimentales. La figura. 6 muestra experimental y simulada flujo de calor para todas las pruebas. La figura. 6 muestra una capacidad satisfactoria para las estimaciones del flujo de calor. El flujo de calor experimental tiene un rango de 0,87 a 1,21 kW. Adems, el modelo se basa en las aplicaciones de las leyes fsicas, es posible extrapolar otras condiciones de funcionamiento con buena confianza. Por otra parte, el Cuadro 4 se presenta la simulacin y experimental flujo de calor y las prdidas de calor de medio ambiente para estas pruebas. En la Tabla 4, las prdidas de calor para el medio ambiente son pequeas, con respecto a flujo de calor externo. El condensador de doble tubo vertical, helicoidal, modelo que se incorporar al modelo general de condensador helicoidal con el reciclaje de calor del condensador auxiliar a un transformador de calor compacto.

8. Conclusin Un modelo numrico de la transferencia de calor y el comportamiento fluido dinmico de un condensador helicoidal de doble tubo ha sido desarrollado por medio de un anlisis unidimensional transitorio de los flujos junto con un anlisis detallado de la conduccin de calor en la pared interna y externa con aislamiento. Los coeficientes empricos utilizados en el modelo para evaluar la tensin de cizallamiento, el flujo de calor y la estructura de dos fases haban sido seleccionados en la literatura tcnica para los sistemas helicoidales. Formulaciones de volumen finito de las ecuaciones que rigen en dos fases Se han usado flujo. El modelo implementa un paso implcito, paso esquema- numrico para el fluido de trabajo y fluido en el espacio anular. Las comparaciones de los datos experimentales y simulados en estado estacionarioSe presentan mostrando un buen grado de correlacin. Adems Los estudios tratarn de adaptar este modelo dinmico para tecnologas en el transformador de calor, con el objetivo de un futuro diseo, optimizacin, controlar y estimar la lnea de los COP. Segn el anlisis de modelo fsico, la tasa de flujo de masa en el tubo interno es un parmetro muy importante para determinar el aumento del flujo de calor externo. Las perturbaciones realizadas en este trabajo al condensador helicoidal de doble tubo no modifican la temperatura del lquido de salida del condensador. Por lo tanto, no hay un aumento de la temperatura en el evaporador y no influye en la COP. El modelo numrico desarrollado se basa en las aplicaciones de ecuaciones gobernantes y utilizando correlaciones empricas generales; para esta razn, es posible hacer uso de ella para otros fluidos, mezclas y las condiciones de funcionamiento (incluyendo el flujo de dos fases); que permite usando el modelo desarrollado como una herramienta importante para disear y optimizar este tipo de sistemas y un esquema numrico central implcito en las paredes.BIBLIOGRAFIAhttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261910005465http://www.journals.elsevier.com/applied-energy/