En lo que respecta a la superficie interior del tubo, una inspección visual revela que para todos los casos en la zona del evaporador hay una capa de algún compuesto o sustancia. Para el caso de la concentración de 0.5 g/L se aprecia que es diferente a las demás ya que esta capa adherida a la superficie es de color negro y brillante. De acuerdo a la ecuación 2.7 esta película es posible que sea de magnetita. Sin embargo, se requerirá de un análisis metalográfico de la superficie para corroborar esta aseveración.
Por último, se examinó el fluido de trabajo extraído de los termosifones al finalizar todas las pruebas. Se encontró que la carga del fluido de trabajo fue de alrededor del 14 % del volumen interior del tubo.
En la Fig. 4.8 se ve que para el caso sin inhibidor el agua bidestilada tomó un color café rojizo, el cual es similar al visto para el mismo caso en el punto 4.1 – al parecer presenta óxidos de fierro
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 0 50 100 150 200 250 300 e fi ci e n ci a calor suministrado, W 8.75 m/s sin inhibidor 0.045 g/l
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disueltos. Para el caso de la concentración de 0.045 g/L también se observa un ligero cambio en la apariencia del fluido y mínima presencia de al parecer oxido de fierro. Por el contrario, a partir de una concentración de 0.5 g/L no se percibe algún cambio en el fluido de trabajo de las dos muestras restantes. Esto se debe a que esas cantidades de inhibidor eliminaron el oxigeno disuelto en el agua, el cual es el principal agente corrosivo.
Fig. 4.8.-Fluido de trabajo después de 800 hrs. de operación
Por lo tanto es posible que se requiera una mayor concentración de hidrato de hidrazina que 0,045 g/L, pero debe ser inferior a 0.5 g/L para que no afecte la eficiencia térmica del tubo termosifón como se vio anteriormente.
55
CONCLUSIONES
El tubo termosifón aplicado en recuperadores de calor representa una atractiva opción para aprovechar la energía residual de los gases de escape producto de la combustión. Aún más si en su fabricación se utilizan materiales económicos como el acero y el agua destilada. Sin embargo, su interacción química resulta en productos de la corrosión debido principalmente al oxigeno disuelto en el agua. Por lo tanto, es fundamental su remoción, lo cual se logra al agregar un aditivo al agua. En este trabajo se eligió el hidrato de hidrazina, debido a las siguientes características:
se dosifica en una proporción cercana a 1:1 respecto de la concentración del oxígeno disuelto en el agua.
en forma de hidrato de hidrazina se reduce considerablemente la toxicidad de la hidrazina pura.
no genera residuos sólidos.
su presión y temperatura de degradación son superiores a las que se tendrán al operar el termosifón al recuperar calor de un proceso de media temperatura.
forma una capa protectora que actúa como pasivador.
En general, los resultados experimentales mostraron que la adición de hidrato de hidrazina protege la superficie interior del termosifón de los efectos de la corrosión. Sin embargo, es importante conocer la cantidad de hidrato de hidrazina que se le debe agregar al agua ya que influye en el comportamiento térmico del termosifón.
Mientras más hidrato de hidrazina se agrega al agua mayor es la protección de la superficie. Por ejemplo, para una concentración de más de 0.5 g/L la superficie se cubre de una película protectora que probablemente sea de magnetita.
Pero también una mayor concentración de hidrato de hidrazina trae como consecuencia una reducción del desempeño térmico del termosifón. Por ejemplo, para la misma concentración de 0.5 g/L su eficiencia disminuye en casi un 40% respecto del termosifón con fluido de trabajo sin aditivo.
De los dos puntos mencionados más arriba se concluye que hay una cantidad óptima de casos de hidrato de hidrazina con la cual se logra proteger la superficie interna pero no se disminuye significativamente el desempeño térmico del termosifón. Para los materiales usados en el termosifón de este trabajo y las condiciones de operación a las que se expuso, esa cantidad óptima de hidrato de hidrazina se encuentra cercana a 0.5 mg/L. Esta es la cantidad mínima que se pudo obtener.
Adicionalmente, se encontró también que para ambos casos, con y sin la presencia de inhibidor, se formó un espacio ocupado por gases no condensables en la parte superior de la sección del condensador. Resultó interesante que diferentes concentraciones de inhibidor son también diferentes los volúmenes ocupados por el gas no condensable. Por ejemplo, para una concentración de 0.5 g/L el volumen ocupado por el gas no condensable fue de casi 20 cm3 y para el caso de 0.045 g/L de casi 13 cm3, es decir una longitud inactiva de 5.6 cm y 3.6 cm respectivamente. Y al aumentar el suministro de calor a 300W la longitud inactiva se reduce a 1.6 cm, esto representa el 4.57 % de la longitud de la zona del condensador. Se puede concluir que al
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incrementar la concentración de inhibidor, la protección de la superficie interior aumenta pero el desempeño térmico disminuye.
57
RECOMENDACIONES
Las recomendaciones van encaminadas en continuar con el estudio de los tubos termosifones. Por ejemplo, sería de interés trabajar con concentración en el intervalo de 0.05 a 0.5 g/L. Y Posteriormente usar la concentración pero en tubos con aletas en la sección del condensador y evaporador para así determinar el flujo máximo de calor transportado.
También sería interesante hacer un intercambiador de calor en base a tubos termosifones para estudiarse como precalentador de aire.
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ANEXO A
Ejemplo de reserva de ahorro de energía térmicaPoder calorífico inferior de combustibles
Gas natural kJ/m3
Diesel Industrial bajo azufre kJ/kg Gasóleo kJ/kg Gas l p kJ/m3 35748.44 41 868 41 595 38808.4
Parámetros del cálculo de reservas de ahorro de energía térmica
parámetro combustible
gas natural gas LP diesel gasóleo Te, °C 250 250 200 200 Ts, °C 110 110 140 140 hg,e, kJ/m3 4760.11 4760.11 3960.83 3876.41 hg,s, kJ/m3 2026 2026 2761.09 2700.91 Vg, 11.56 11.56 12.65 12.43 B, m3/s (gas), kg/s(líquido) 1.033 0.565 1.063 0.25
Potencial de reserva de ahorro energía térmica por tipo de combustible
gas natural gas LP diesel industrial bajo en azufre gasóleo
Potencia instalada (MW) 184.81 109.72 210.35 50.03 Potencia de equipos prom. en año (MW) 33.26 19.75 37.862 9.005 Energía generada
(TJ/año) 1049.1 622.8 1194 284
Potencial de energía térmica (TJ/año) 52.45 31.14 59.701 14.2 Ahorro de combustible, (10^6 m3gas/año) ;
(10^6 kg/año líquido) 1.526 0.676 1.425 0.341
62
63
64
ANEXO C
Propiedades del fluido de trabajoDensidad de la mezcla
La densidad de la mezcla agua bidestilada+hidrato de hidrazina a varias concentraciones de esta última y a diferentes temperaturas será determinada usando un densímetro.
El experimento considera a la cantidad de aditivo en el agua bidestilada como la variable experimental. Y los parámetros fijos serán el volumen del recipiente y la temperatura de la mezcla.
Procedimiento experimental
La mezcla es primero preparada por volumen, es decir en un vaso se agrega 1 litro de agua y se añade 0.5 gramos de aditivo (muestra A) y se mezclan. Para determinar la densidad de la mezcla, se llena una probeta graduada con la muestra A, hasta 100 mL. La probeta y su contenido se sumergen en un recipiente con agua y un termómetro de mercurio, donde se calientan. Entonces, cuando el agua se encuentre a la temperatura de prueba, se sumerge dentro de la probeta un densímetro y se toma la lectura.
= 3
Viscosidad de la mezclaagua destilada+N2H4
La viscosidad de la mezcla, agua bidestilada+hidrato de hidrazina a varias concentraciones de esta última y diferentes temperaturas será determinada usando un viscosímetro tipo caída de bola marca Gilmont. Este instrumento usa un balín que se desliza entre dos marcas conocidas por el interior de un tubo de vidrio lleno con el fluido de trabajo.
El experimento considera a la cantidad de aditivo en el agua bidestilada como la variable experimental y como la variable de respuesta el tiempo en que transcurre en pasar el balín entre las dos señales conocidas. Los parámetros fijos serán el volumen del tubo de vidrio y la
temperatura de la mezcla. Procedimiento experimental
La mezcla es primero preparada por volumen, es decir en un vaso se agrega 1 litro de agua y se añaden 0.5 gramos de aditivo (muestra A) y se agitan para mezclarse. Para determinar la
viscosidad de la mezcla, se llena el tubo del viscosímetro con la muestra A y el balín, enseguida
Matriz de pruebas para determinar la densidad de la mezcla agua bidestilada-hidrato de hidrazina
Muestra @ 20° @ 40° @ 60° @ 80°
A (0.5g de aditivo en un litro de agua) 0.998 0.988 0.982 0.972 B (1.0g de aditivo en un litro de agua) 0.994 0.986 0.980 0.972 C (1.5g de aditivo en un litro de agua) 0.990 0.984 0.978 0.968 D (2.5g de aditivo en un litro de agua) 0.988 0.984 0.976 0.966
65
se introduce el viscosímetro en un recipiente con aislamiento térmico con agua donde se calienta por medio de una resistencia eléctrica hasta la temperatura de prueba. La temperatura del agua se mide con un termómetro de mercurio y a la vez se agita el agua. Una vez alcanzada la
temperatura del recipiente se espera a que el instrumento se encuentre a la temperatura del baño. Después se coloca la tuerca del viscosímetro y se cierra, para enseguida invertir el tubo y tomar el tiempo en que transcurre en pasar el balín entre dos señales marcadas en el tubo. Se repite el procedimiento tres veces para cada temperatura.
La viscosidad de la muestra a cierta temperatura se obtiene a partir de la siguiente relación:
= − Donde = , = = , = í , = ,
La constante del instrumento se obtiene haciendo el mismo procedimiento con un fluido de densidad conocida, por ejemplo agua bidestilada. En la tabla siguiente se muestra la matriz de pruebas para llevar a cabo el experimento.
Calor de vaporización
Para obtener esta propiedad será usado el siguiente modelo:
= + 1− 2
Fracción molar del fluido de trabajo
Espécimen Agua bidestilada Hidrato de hidrazina
A 1000 1000 + 0.5 = 0.9995 0.5 1000 + 0.5 = 0.00049 B 1000 1000 + 1 = 0.9990 1 1000 + 1 = 0.00099 C 1000 1000 + 1.5 = 0.9985 1.5 1000 + 1.5 = 0.00149 D 1000 1000 + 2.0 = 0.9980 2.0 1000 + 2.0 = 0.00199
66
ANEXO D
Perfil de velocidad obtenido en el túnel de vientoMedición de la velocidad del aire, Perfil de velocidad del aire en el túnel de viento
–caso 6 m/s –caso 11.35 m/s 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 dis tan cia (cm ) velocidad (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 14 dis tan cia (cm ) velocidad (m/s)
67
ANEXO E
Ejemplos de cálculoCálculo para determinar las pérdidas de calor en la sección del evaporador
R6,45
T
ambT
p,e TTB termoparesR3,86
R1,27
(T
s-T
e)·m
evaporador resistencia eléctrica aislamiento térmicoEsquema de ubicación de termopares para el cálculo de las pérdidas de calor en el evaporador y las medidas de materiales en el evaporador
Las propiedades del aire a una presión atmosférica de 0.78 bar y una temperatura de pared Tp,e de
33.9 °C son:
= 0.5 , +
= 0.5 33.9°+ 22° = 55.9 ° (301.1 )
De Tablas para aire @ Tf=301.1 K
= 1.58∙10 −5 2 ∝= 2.4 ∙10−5 2 = 0.026168 ° = 1005 ° = 1.177 / 3 = 0.713 = 3.33 ∙10−3 −1
68 A partir de la ecuación = 0.59 ( )4 1 (3.1) El numero de Rayleigh = = − ∞ 3 (3.2) = 9.81 3.33 ∙ 10 −3 307.2−295.23 0.129 3 1.58∙10 −5 2.4 ∙10−5 = 2.17 ∙10 6 El número de Nusselt = 0.59 2.11 ∙106 14 = 22.66
Por lo tanto el coeficiente por convección natural
= (3.3)
= 22.66 0.026168
0.129 = 4.60 2 °
Por lo que se obtiene de pérdidas de calor
= − ∞ (1.2) = 4.60 × 0.129 × 0.25 307.2−295.23 = 5.5
En las siguientes tablas se muestran los resultados para 3 casos Caso sin inhibidor
características geométricas ( , 1 + , 2 + , 3 ) / 3,° (° ) � ( , − ) (° ) , ( ) ( ) ( ^2) 100 33.9 22.08 11.8 0.129 0.25 0.1013 200 43.9 23.45 20.5 0.129 0.25 0.1013 300 55.2 22.73 32.4 0.129 0.25 0.1013
69 propiedades del aire a la temperatura de película excepto
, = 0.5 ( , + ) ( 2/ ) ( / ° ) ( 2/ ) ( 2/ ) (1/ ) 307.02 301.13 9.81 0.026169 0.000016 0.000024 0.003321 0.7113 317.08 306.84 9.81 0.026587 0.000016 0.000023 0.003259 0.7103 328.31 312.09 9.81 0.026975 0.000017 0.000024 0.003204 0.7083 cálculos = = ( ∗ ^ 3∗ ∗ )/ ∗ = 0.59 ( )14 = / = ( − ∞) % 2177118.85 22.66 4.60 5.57 5.49 3715360.01 25.90 5.34 11.08 5.54 5412235.74 28.46 5.95 19.55 6.52 Caso 0.045 g/L características geométricas ( , 1 + , 2 + , 3 ) / 3,° (° ) � ( , − ) (° ) , ( ) ( ) ( ^2) 100 34.7 23.96 10.7 0.129 0.25 0.1013 200 43.7 24.70 19.0 0.129 0.25 0.1013 300 56.2 24.15 32.0 0.129 0.25 0.1013
propiedades del aire a la temperatura de película
, = 0.5 ( , + ) ( 2/ ) ( / ° ) ( 2/ ) ( 2/ ) (1/ ) 307.82 302.46 9.81 0.0263107 0.000016 0.000022 0.003306 0.7112 316.87 307.36 9.81 0.0266626 0.000016 0.000023 0.003253 0.7103 329.35 313.33 9.81 0.0270478 0.000011 0.000024 0.003191 0.7106
70 cálculos = = ( ∗ ^ 3∗ ∗ )/ ∗ = 0.59 ( ) 1 4 = / = ( − ∞) % 2069130.31 22.38 4.56 4.95 4.95 3421672.59 25.38 5.24 10.11 5.05 5262844.67 28.26 5.93 19.24 6.41 Caso 0.5 g/L ( , 1 + , 2 + , 3 ) / 3,° (° ) � ( , − ) (° ) , ( ) ( ) ( ^2) 100 33.4 23.64 9.7 0.129 0.25 0.1013 200 43.3 24.59 18.7 0.129 0.25 0.1013 300 49.5 24.20 25.3 0.129 0.25 0.1013
propiedades del aire a la temperatura de película
, = 0.5 ( , + ) ( 2/ ) ( / ° ) ( 2/ ) ( 2/ ) (1/ ) 306.51 301.65 9.81 0.026215 0.000016 0.000022 0.003315 0.7113 316.48 307.11 9.81 0.026597 0.000016 0.000023 0.003256 0.7104 322.68 310.01 9.81 0.026800 0.000017 0.000024 0.003226 0.7110 cálculos = = ( ∗ ^ 3∗ ∗ )/ ∗ = 0.59 ( ) 1 4 = / = ( − ∞) % 1916089.32 21.95 4.46 4.39 4.39 3391300.44 25.32 5.22 9.91 4.96 4384431.52 27.00 5.61 14.39 4.80
Cálculo para determinar el calor absorbido por el aire de enfriamiento en el túnel de viento El calor absorbido por el aire se obtiene por medio de la siguiente relación:
71
= − é (3.5)
Mediciones durante la prueba
= ∆ (3.3)
En las siguientes tablas se muestran los resultados
muestra solo agua, llenado 15 %, 6 m/s
calor suministrado
(W) (kg/s) DT=(Ts-Te)
calor absorbido por el aire (W)
91.96 0.146 0.26 37.56 189.05 0.148 0.79 117.41 280.68 0.148 1.30 193.04
muestra solo agua, llenado 15 %, 8.75 m/s
calor suministrado
(W) (kg/s) DT=(Ts-Te)
calor absorbido por el aire (W) 96.28 0.212 0.21 45.48 185.61 0.215 0.62 134.45 276.19 0.215 0.88 190.95 muestra D 0.045 g/l, llenado 15 %, 6 m/s calor suministrado (W) (kg/s) DT=(Ts-Te)
calor absorbido por el aire (W) 95.10 0.147 0.34 50.42 190.01 0.147 1.12 164.28 280.99 0.147 1.83 269.30 muestra D 0.045 g/l, llenado 15 %, 8.75 m/s calor suministrado (W) (kg/s) DT=(Ts-Te)
calor absorbido por el aire (W)
72
181.33 0.214 0.74 159.73 268.50 0.215 1.18 253.21
Calculo para determinar las condiciones de operación -temperatura y presión de operación- del TTB
A un TTB hecho de acero A179 se suministra 91 W sobre la sección del evaporador y es expuesto a una corriente de aire con un flujo másico de 0.146 kg/s y 22 °C. Se necesita determinar las condiciones de operación-temperatura y presión de operación-
Propiedades termo físicas del tubo termosifón
tubo acero al carbono A 179 ced.13 C – 0.3, Mn – 0.3-1.06 %, Si – 0.11% conductividad térmica = 51.9 /
calor específico = 446 /
densidad = 7817 / 3
Las condiciones de operación se obtienen a partir de las mediciones experimentales. La temperatura en la superficie exterior del condensador, , es de 59.8 °C. Con la anterior
temperatura y la temperatura ambiente se obtiene la temperatura característica, con la cual se determinan las propiedades termo físicas del aire.
= + ,
2 =
22.84 ° + 59.8°
2 = 41.32 °
Características geométricas del tubo termosifón
diámetro base = 0.0254
diámetro interno = 0.0212
espesor de la pared "= 0.0021
longitud total del TTB = 0.60 m
longitud de la zona de calentamiento = 0.25 m
longitud de la zona del condensador = 0.35
volumen interior = 211.68 mL (211.68 cm3
área de la superficie calentamiento = 0.0199 2
área de la superficie de enfriamiento = 0.0279 2
Propiedades termo físicas del aire @ . °� = 1.71∙10 −5 2
= 0.02772 °
73 El número de Nusselt = 0.26 0.6 0.37 0.25 El número de Reynolds = = 6 ∙0.0254 1.71∙10 −5 2 = 8912.28
Sustituyendo estos valores para obtener el número de Nusselt
=
0.25
, ocurre un calentamiento del aire = 0.26 88912.28 0.6 0.7077 0.37 0.7106
0.707
0.25
= 53.68
Entonces el coeficiente de convección forzada en la zona del condensador
= = 53.68 0.02772
0.0254 = 58.68 2°
El siguiente paso es obtener las resistencias térmicas del TTB
1. Las resistencias conductivas del lado del evaporador y condensador se obtienen a partir