Experimentos intercambiador tubo y coraza

ESTUDIOS EXPERIMENTALES SOBRE TRANSFERENCIA DE CALOR Y CAÍDA DE PRESIÓN CARACTERÍSTICAS PARA LAS NUEVAS DISPOSICIONES DE TUBOS CORRUGADOS EN UN DOBLE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO

En este trabajo se han investigado experimentalmente la transferencia de calor, la caída de presión y la efectividad en un intercambiador de calor de tubo doble hecho de tubos corrugados exteriores e interiores. Ambos tubos interno y externo fueron corrugados por medio de una máquina especial. Se investigaron nuevos arreglos de tubo corrugado convexo y cóncavo. El coeficiente de transferencia de calor se determinó usando gráficos de Wilson. Las temperaturas de entrada de agua caliente (tubo interno) y agua fría (tubo exterior) se mantuvieron a aproximadamente 40ºC y 8ºC respectivamente. Los experimentos se realizaron sobre el rango de números de Reynolds de 3500e18,000, basado en el diámetro hidráulico del espacio anular entre los dos tubos. El número de Reynolds de agua caliente se mantuvo constante en torno a 5500. Los resultados indicaron que las corrugaciones del tubo externo y el tipo de disposición de los tubos corrugados tienen un efecto significativo sobre las características térmicas y de fricción. La máxima efectividad se obtuvo para el intercambiador de calor hecho de tubo exterior corrugado cóncavo y tubo interior corrugado convexo.

INTRODUCCION

El aparato utilizado para implementar el intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas mientras se evita que se mezclen entre sí se denomina intercambiador de calor. Se utilizan en una gran cantidad de aplicaciones, como sistemas de calefacción y aire acondicionado, procesamiento químico, producción de energía y aplicaciones aeronáuticas. El peso y el tamaño de los intercambiadores de calor utilizados en aplicaciones espaciales o aeronáuticas son parámetros muy importantes, y en estos casos, los costos de la producción de intercambiadores de calor se enumeran como una consideración secundaria. Sin embargo, los intercambiadores de calor están diseñados para obtener la máxima transferencia de calor, baja caída de presión, alta efectividad, mínimo volumen y peso, y también bajo costo. Varias técnicas se han empleado para estos fines. Generalmente, estos métodos se pueden clasificar en tres tipos principales: (1) uso de nanofluidos (2) engrosamiento de las superficies del intercambiador de calor e (3) inserción de turbuladores de fluido. El engrosamiento de las superficies puede mejorar el rendimiento térmico del intercambiador de calor aumentando la mezcla de fluidos y el nivel de turbulencia del flujo de fluido.

Los tubos corrugados se pueden introducir como uno de los métodos de superficie de engrosamiento y se pueden clasificar en dos tipos principales: tubos corrugados cóncavos hacia adentro y tubos corrugados convexos hacia fuera. Ambos son estudiados en el presente artículo.

Numerosos experimentos sobre características térmicas y de fricción de tubos corrugados se han llevado a cabo. Muchos investigadores han investigado la transferencia de calor y las características de flujo del fluido en un solo tubo corrugado horizontal, y algunos de los investigadores se enfocaron en el uso del tubo corrugado como el tubo interno de un intercambiador de calor de doble tubo.

Las publicaciones sobre las características de un tubo corrugado simple e intercambiadores de calor de doble tubo hechos de tubos corrugados se resumen cronológicamente de la siguiente manera. Rainieri y Pagliarini [1] estudiaron experimentalmente la transferencia de calor por convección en la región de entrada de tubos corrugados a diferentes relaciones de paso para el rango de números de Reynolds entre 90 y 800. Se empleó etilenglicol como fluido de trabajo. Sus hallazgos mostraron que para Re> 200 la corrugación helicoidal induce significativamente el componente de remolino. Además, los resultados mostraron que en el flujo turbulento, el número de Nusselt es independiente en la forma de corrugación. Ahn [2] estudió experimentalmente la transferencia de calor en los anillos con tubos interiores corrugados para caudal de agua en el régimen 700

Sus hallazgos indicaron que los tubos corrugados aumentan la transferencia de calor y el factor de fricción en aproximadamente 30% y 25% respectivamente. Rozzi et al. [4] realizó una comparación entre tubos de pared lisos y helicoidalmente corrugados en un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Observaron que en el régimen de flujo turbulento completamente desarrollado se puede lograr una mejora general moderada de la transferencia de calor, pero con un aumento de la pérdida de presión muy alta. Laohalertdecha y Wongwises [5] investigaron experimentalmente los efectos del paso de corrugación en la transferencia de calor de condensación y la caída de presión del R-134 dentro del tubo corrugado horizontal. Sus hallazgos demostraron que el coeficiente de transferencia de calor y la caída de presión del tubo corrugado son más altos en comparación con el tubo liso para todas las condiciones experimentales.

Pethkool et al. [6] estudiaron la mejora de la transferencia de calor turbulenta en un intercambiador de calor utilizando un tubo corrugado helicoidalmente. Utilizaron el tubo corrugado como el tubo interior del intercambiador de calor, mientras que el tubo liso se empleó para el tubo exterior del intercambiador de calor. Sus resultados mostraron que el número de Nusselt y el factor de fricción son 3,01 y 2,14 veces superiores al tubo liso. Laohalertdecha et al. [7] estudió el coeficiente de transferencia de calor de evaporación y el factor de fricción de dos fases para R-13a que fluye a través del tubo corrugado horizontal. La sección de prueba estaba hecha de tubo interior corrugado y tubo exterior liso. Presentaban algunas correlaciones para el número de Nusselt y el factor de fricción en función del número de Reynolds, el paso de corrugación, la profundidad de corrugación y el diámetro interior. Wongcharee y Eiamsa-ard [8] ejecutaron un experimento para estudiar la mejora de la transferencia de calor mediante el uso de nanofluido CuOewater en un tubo interno corrugado equipado con cinta trenzada. Demostraron que, el factor máximo de rendimiento térmico de 1.57 se encuentra con el uso de nanofluido de 0.7% por volumen en el tubo corrugado equipado con cinta trenzada en relación de torsión de 2.7 y número de Reynolds de 6200. Garcia et al. [9] estudió la influencia de la forma de rugosidad artificial en la mejora de la transferencia de calor: tubos corrugados, tubos con hoyuelos y bobinas de alambre. Aroonrat et al. [10] llevaron a cabo una investigación experimental sobre la caída de presión de evaporación y la transferencia de calor de R-134 a través de un tubo corrugado vertical. Últimamente, Darzi et al. [11] investigaron experimentalmente la transferencia de calor por convección y el factor de fricción de nanofluido de Al2O3 / agua en un tubo corrugado helicoidalmente. Sus hallazgos mostraron que la transferencia de calor y el factor de fricción aumentan al aumentar las concentraciones de nanofluido en corrugado plano y helicoidal tubo mientras que sus efectos son más significativos en tubos corrugados helicoidales. Un resumen de los trabajos se revisa en la Tabla 1.

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