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 ms - 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 Subíndices c corrugado l liso o exterior i 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.
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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]
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 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.
Figura 3. Flujo a través de bafle convencional
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.
Figura 4. Flujo a través de un bafle helicoidal 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.
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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 m2, en dos pasos
por el lado tubos y uno por lado coraza.
Figura 5. Haz de tubos de los modelos 1 y 2
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.
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.
Figura 7. Esquema conexión de intercambiadores
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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. RECUPERACION DE CALOR 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 FLUJO MASICO (Kg/s) T E M P E RAT UR A ( °C ) LISO CORRUGADO C-HELICOIDAL
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 hil de 249.6 Btu/hrft2ºF. A partir
de este valor se procede al cálculo del coeficiente de transferencia interno hic 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.
Nuc/Nul = [1+[2.64Re0.036(e/di)0.212(p/di)-0.21(α/90)0.29
Pr0.024]7]1/7 (1)
El valor resultante es hic 454.27 Btu/hrft2ºF. Con estos dos valores, la relación hic/hil 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 ft2, se calcula el
coeficiente global de transferencia de calor.
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/hft2°F) hi(Btu/hrft2ºF) ho(Btu/hrft2ºF)
1 101.110 249.6 169.86
2 167.656 454.27 265.73
3 199.064 454.27 354.34
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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CONCLUSIONESSe 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.
BIBLIOGRAFIA
[1] Sha R.K., Kraus A.D., Metzger D. Campact heat
exchanger, Hemisphere Publising Co., 1990.
[2] Bergles A.E., Nirmalan V., Junkhan G.H. and Webb R.L., Bibiography on augmentation of
convective heat and mass transfer II, Heat transfer laboratory report HTL-31, ISU-ERI-Ames-84221,
Iowa State University, Ames, 1983.
[3] Webb Ralph L. Kim Nae-Hyun, Principles of
enhanced heat transfer, Taylor & Francis, 2005.
[4] Bell and A.C. Mueller Eds., Wolverine
Engineering data book II, Wolverine Tube Corp.,
1984.
[5] Zhengguo Z., Dabin M., Xiaoming F., Xuenong G., Experimental and numerical heat transfer in helically baffled heat exchanger combined with one three-dimensional finned tube, Chemical Engineering and Proccesing. 47, 1738-1743, 2008.
[6] Nassiruddin M.H., Kamram S., Heat transfer augmentation in the heat exchanger tube using a baffle, Internacional Journal of Heat and Fluid Flow, 28, 318-328, 2006.
[7] Bell, K. J., Delaware Method of Shell side Design, in Heat Exchanger Sourcebook, ed. J. W. Palen, Hemisphere, New York 1986.
[8] Nemcansky, J., Thermal Design of Shell and Tube Heat Exchangers, VUCHZ Report 500/1268b Brno, 1989.
[9] Li H.D., Kotte V., Effect of leakage on pressure drop and local heat transfer in shell and tube heat exchangers for staggered tube arrangement, Int. J. Heat Mass Transfer, 41 (2) 425-433, 1998.
[10] Li H.D., Kotte V., Visualization and determination of local heat transfer coefficients in shell and tube heat exchangers staggered tube arrangement by mass transfer measurements, Exp. Therm. Fluid Sci., 17 (3) 210-216, 1998.
[11] Lutcha J., and Nemcansky J., Performance Improvement of Tubular Heat Exchangers by Helical Baffles, Trans. IChE, vol. 68 part A, 263-270, 1990. [12] Wang Q., Chen Q., Chen G. Zeng M. Numerical investigation on combined multiple pass shell-and-tube heat exchanger with continuos helical baffles, Int. J. of Heat and Mass Transfer, 52, 1214-1222, 2009.
