MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEN, MXICO

PROPUESTA PARA EL MEJORAMIENTO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR TIPO CORAZA Y TUBOS

Garca Aranda Oscar y Solorio Ordaz Francisco

Departamento de Termofluidos, DIMEI Facultad de Ingeniera, UNAM, Ciudad Universitaria, 04510 Mxico, 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 propsito de incrementar la transferencia de calor. Se presenta un comparativo entre el desempeo 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 ltimo diseo 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 msico Pr- nmero de Prandtl Re- Nmero de Reynolds Nu- nmero de Nusselt U- coeficiente global de transferencia - ngulo de inclinacin de corrugado e profundidad de corrugado p separacin entre corrugaciones di dimetro interior del tubo T termmetro M- manmetro Subndices c corrugado

l liso o exterior i interior INTRODUCCION Un intercambiador de calor es un dispositivo esencial en diferentes procesos, sean o no de carcter industrial. Es por ello que surge la necesidad de mejorar su desempeo para poder obtener el mximo aprovechamiento de la energa, que hoy en da se comienza a ver disminuida y encarecida. Con el desarrollo tecnolgico 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 refrigeracin, automotriz, de recuperacin de calor en gases de combustin, por mencionar slo algunas. Las primeras investigaciones comienzan justo despus de la Primera Guerra Mundial y se aceleran con la incorporacin de la soldadura en aluminio despus de la Segunda Guerra Mundial [1]. La mayora de los intercambiadores de calor siguen empleando superficies lisas, lo que los hace ms robustos y costosos para lograr el desempeo esperado. Entonces, para poder abatir materiales, y por ende costos, es necesario mejorar los procesos de transferencia de calor usando una serie de tcnicas que tienden a incrementarla. Bergles et al. [2] identifican 13 de estas tcnicas y las divide en dos grupos: pasivas y activas. En las primeras se emplean geometras especiales de las superficies de intercambio o fluidos aditivos, y en las segundas se usan fuentes externas como campos acsticos o superficies e insertos vibrantes. El objetivo principal es incrementar el coeficiente convectivo en los dos fluidos de trabajo, con lo que se logran diseos de un menor tamao y un rango de operacin ms amplio.

Derechos Reservados 2010, SOMIM

ISBN: 978-607-95309-3-8

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Una estrategia usada desde hace aos 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 diseo y desarrollo de los intercambiadores de calor se comienza a centrar en el mejoramiento del diseo de los bafles convencionales [5], Figura 2.

Figura 2. Bafle convencional Los bafles ms comnmente usados son los segmentados, que generan un flujo cruzado a travs del haz de tubos, con el consiguiente incremento en la cada de presin, Figura 3.

Figura 3. Flujo a travs de bafle convencional

Como se mencionan Nassiruddin y Kamram [6], Tsay encontr que la introduccin de bafles rectos o verticales en un flujo podra incrementar el nmero de Nusselt promedio hasta en un 190%, y que las condiciones de flujo y transferencia de calor dependen fuertemente de la posicin del bafle. Por otro lado se ha encontrado que los deflectores inclinados en la direccin 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 direccin que se ilustra en la Figura 4.

Figura 4. Flujo a travs de un bafle helicoidal

Los primeros bafles helicoidales se desarrollaron en la Repblica Checa y desde entonces se han hecho relativamente pocos estudios en esta direccin [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 cada de presin [8], reducen el efecto de divisin de flujos [9], reducen el factor de ensuciamiento de lado de la coraza [10], adems de prevenir la vibracin inducida por el flujo [11,12]. Por otro lado, las desventajas que presentan son las dificultades en el diseo, 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, configuracin que prcticamente no se encuentra en los intercambiadores comerciales. Esta es una tcnica pasiva en la que se modifican las superficies interna y externa del tubo (corrugado) y se disea un nuevo deflector.

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Para evaluar los beneficios de la propuesta, se lleva a cabo un comparativo entre tres equipos, diseados y construidos para este propsito, 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 diseo 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 rea 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 METODOLOGA EXPERIMENTAL El experimento consisti en probar los tres equipos bajo las mismas condiciones de operacin, para que de esta manera resulte ms sencilla y directa la comparacin de su desempeo.

Para lo anterior los equipos se conectaron en paralelo (Figura 7) tanto del lado caliente (vapor), como del lado fro (agua), con el propsito 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 procedi 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 presin del vapor a la entrada y a la salida. Se usan termmetros de columna de mercurio convencionales. Estas lecturas se tomaron para diferentes flujos msicos de agua, previamente calculados por medio del tiempo de llenado de un recipiente de volumen conocido; el flujo msico 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 trmico del lado fro para obtener los coeficientes de transferencia de calor. El balance se realiza de esta manera porque del lado de los tubos las lecturas son ms confiables debido a que se trata de un circuito semi-cerrado, caso contrario al lado caliente en donde se pueden llegar a tener grandes prdidas hacia la coraza y a su vez al ambiente.

Figura 7. Esquema conexin de intercambiadores

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Figura 8. Conexin 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

20222426283032343638404244

1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5

FLUJO MASICO (Kg/s)

TEM

PERA

TUR

A (C

)

LISOCORRUGADOC-HELICOIDAL

Figura 9. Temperatura de salida en el lado de los tubos.

Usando los resultados anteriores se procede al clculo 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 ecuacin de Dittus-Boelter, en base a un dimetro 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/hrft2F. A partir de este valor se procede al clculo del coeficiente de transferencia interno hic para el tubo corrugado usando la correlacin (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(/90)0.29 Pr0.024]7]1/7 (1) El valor resultante es hic 454.27 Btu/hrft2F. Con estos dos valores, la relacin 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 trmico 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 correlacin de Delaware [7]. Conocidas todas las temperaturas de entrada y salida, los flujos msicos y el calor especfico, es posible calcular el calor transferido entre los dos flujos mediante un balance de energa. Con este valor, y usando el concepto de temperatura media logartmica y un rea 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 sealados. Tabla 1. Coeficientes de transferencia de calor Mod. U(Btu/hft2F) hi(Btu/hrft2F) ho(Btu/hrft2F)

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 mximos de los coeficientes de transferencia se logran con el modelo 3, que como se seal, 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 vrtices 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 contribucin 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 cada de presin, debido a que existen menos zonas de recirculacin al no existir cambios bruscos en la trayectoria del flujo en comparacin con los bafles rectos.

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CONCLUSIONES Se demuestra que al corrugar los tubos se incrementa la transferencia de calor en relacin con el caso de tubos lisos, debido principalmente a la turbulencia y vrtices creados en ambos fluidos. Por otro lado, al incorporar a este diseo el bafle helicoidal, se mejora todava ms la transferencia de calor, en comparacin con los modelos 1 y 2, es decir, la mxima transferencia de calor se logra con tubos corrugados y bafle helicoidal. Es pertinente mencionar que tanto los tubos corrugados como el bafle helicoidal implican ms 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 operacin de los equipos, as como generar algunas relaciones empricas 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 realizacin del presente proyecto a la empresa Eficiencia Thermo S.A de C.V. por todas las facilidades otorgadas para el rediseo y construccin de los prototipos, as como al Laboratorio de Mquinas Trmicas de la Facultad de Ingeniera 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 shell-pass shell-and-tube heat exchanger with continuos helical baffles, Int. J. of Heat and Mass Transfer, 52, 1214-1222, 2009.

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RESUMENABSTRACT NOMENCLATURAFigura 1. Tubos corrugados [6]a) b)Figura 6. a) Modelo computacional del haz y del deflector, b) Modelo experimentalRESULTADOSEn 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.CONCLUSIONES