La mejora de la transferencia de calor es el proceso de aumentar la eficacia de los intercambiadores de calor . Esto se puede lograr cuando se aumenta la potencia de transferencia de calor de un dispositivo dado o cuando se reducen las pérdidas de presión generadas por el dispositivo. Se puede aplicar una variedad de técnicas a este efecto, incluida la generación de fuertes flujos secundarios o el aumento de la turbulencia de la capa límite .
Principio
Durante los primeros intentos de mejorar la transferencia de calor, se utilizaron superficies lisas (o lisas). Esta superficie requiere una geometría de superficie especial capaz de proporcionar una mayorvalores por unidad de superficie en comparación con una superficie plana. La relación dede una superficie mejorada de transferencia de calor a la superficie lisa se denomina Relación de mejora "". Por lo tanto,
La tasa de transferencia de calor para un intercambiador de calor de contraflujo de dos fluidos viene dada por
Para ilustrar mejor los beneficios de la mejora, la longitud total 'L' del tubo se multiplica y se divide en la ecuación
Dónde es la resistencia térmica total por unidad de longitud de tubo. Y es dado por
Los subíndices 1 y 2 describen los dos fluidos diferentes. La eficiencia de la superficie está representada porempleando superficies extendidas. Un aspecto a tener en cuenta es que esta última ecuación no incluye ninguna resistencia al ensuciamiento debido a su simplicidad, lo que puede ser importante. Para mejorar el rendimiento del intercambiador de calor, el término,debe aumentarse. Para lograr una resistencia térmica reducida, la geometría de superficie mejorada puede usarse para aumentar uno o ambos términosen relación con las superficies lisas, lo que conduce a una reducción de la resistencia térmica por unidad de longitud del tubo,. Este plazo reducido se puede utilizar para lograr uno de los siguientes tres objetivos:
1. Reducción de tamaño . manteniendo la tasa de intercambio de calor constante, la longitud del intercambiador de calor puede reducirse, proporcionando un intercambiador de calor de proporciones más pequeñas.
2. Incrementado.
- Reducido : manteniendo ambos y la longitud constante, se puede reducir aumentando la eficiencia del proceso termodinámico, lo que lleva a reducir los costos de operación.
- Mayor intercambio de calor: creciente y mantener una longitud constante conducirá a un aumento para temperatura de entrada de fluido fija.
3. Potencia de bombeo reducida para servicio térmico fijo . Esto requerirá velocidades de operación más pequeñas que la superficie plana y un área frontal aumentada normalmente no deseada.
Dependiendo de los objetivos del diseño, cualquiera de las tres diferentes mejoras de rendimiento se puede utilizar en una superficie mejorada, y utilizando cualquiera de las tres mejoras de rendimiento mencionadas es completamente posible lograrlo. [1]
Flujo interno
Hay varias opciones disponibles para mejorar la transferencia de calor. La mejora se puede lograr aumentando el área de la superficie de convección y / o aumentando el coeficiente de convección. Por ejemplo, la rugosidad de la superficie se puede utilizar para aumentarpara aumentar la turbulencia . Esto se puede lograr mediante mecanizado u otros tipos de inserciones como alambre de resorte helicoidal. El inserto proporciona una rugosidad helicoidal en contacto con la superficie. El coeficiente de convección también puede aumentarse mediante la inserción de una cinta retorcida que consiste en un giro periódico de 360 grados. Los insertos tangenciales optimizan la velocidad del flujo cerca de la pared del tubo, al tiempo que proporcionan un área de transferencia de calor más grande. Mientras que, se puede lograr un mayor coeficiente de convección y área aplicando aletas en espiral o inserciones de nervaduras. Se deben tener en cuenta otros aspectos, como la caída de presión, para cumplir con las limitaciones de potencia del ventilador o de la bomba.
Tubo enrollado helicoidalmente
El inserto de resorte helicoidal puede mejorar la transferencia de calor sin turbulencia o área de superficie de transferencia de calor adicional. Un flujo secundario induce al fluido creando dos vórtices longitudinales. Esto podría resultar, (en contraste con un tubo derecho) en local altamente no uniformealrededor de la periferia del tubo. Lo que lleva a una dependencia de los coeficientes de transferencia de calor locales en las diferentes ubicaciones a lo largo del tubo (). Suponiendo que las condiciones para el flujo de calor son constantes, la temperatura media del fluido, se puede estimar de la siguiente manera,
dónde = constante.
Las temperaturas máximas del fluido cerca de la pared del tubo están presentes cuando el fluido se calienta y debido a que el coeficiente de transferencia de calor depende en gran medida del ángulo (), el cálculo de la temperatura máxima local no es sencillo. Para este propósito, las correlaciones para el número de Nusselt promediado periféricamente son, si es que ninguna, de poca utilidad cuando se mantienen constantes las condiciones de flujo de calor. Por otro lado, las correlaciones para el número de Nusselt promediado periféricamente para la temperatura constante de la pared son muy útiles. [2]
El flujo secundario:
- Aumenta las tasas de transferencia de calor.
- Aumenta la fricción pierde.
- Disminuye la longitud de la entrada.
- Reduce la diferencia entre las tasas de transferencia de calor laminar y turbulenta, en contraste con la carcasa de tubo recto.
El paso de la bobina S tiene una influencia insignificante sobre la caída de presión y las tasas de transferencia de calor. Para el tubo helicoidal, el número de Reynolds crítico para el inicio de la turbulencia es,
dónde es dado por en estado turbulento y completamente desarrollado.
Los retrasos en la transición del estado laminar al turbulento dependen en gran medida de los fuertes flujos secundarios asociados con los tubos enrollados en forma helicoidal apretadamente. El factor de fricción para un flujo laminar completamente desarrollado con es,
dónde . C es el diámetro exterior de la bobina helicoidal.
y
por
y
dónde
Para los casos en los que , hay recomendaciones disponibles proporcionadas por Shah y Joshi. [2] El coeficiente de transferencia de calor se puede utilizar en la ecuación de la ley de Newton de la ecuación de enfriamiento.
y se puede evaluar a partir de la correlación,
dónde y
Las correlaciones para el factor de fricción en estado turbulento se basan en datos limitados. El aumento de la transferencia de calor debido al flujo secundario no es significativo en estado turbulento constituyendo menos del 10% para. Además, el aumento creado por el uso de tubos helicoidales debido al flujo secundario generalmente se emplea solo para situaciones en las que el flujo está en el estado laminar. En este estado, la longitud de la entrada es de un 20% a un 50% más corta en comparación con el tubo recto. En el caso de flujo turbulento, el flujo se desarrolla completamente durante la primera media vuelta del tubo enrollado helicoidalmente. Por esta razón, la región de entrada puede pasarse por alto en muchos cálculos de ingeniería. Si el líquido o gas se calienta en un tubo recto, el fluido que pasa cerca de la línea central saldrá del tubo en un tiempo mucho más corto y siempre estará más frío que el fluido que pasa cerca de la pared. [3]
Referencias
- ^ Webb, Kim, Ralph L., Nae-Hyun (23 de junio de 2005). Principios de la transferencia de calor mejorada . Prensa CRC; 2a edición. ISBN 978-1591690146.
- ^ a b Shah, RK y SD Joshi, en Manual de transferencia de calor por convección monofásica, cap. 5, Wiley-Interscience, Hoboken, Nueva Jersey, 1987
- ^ Incropera, Dewitt, Bergman, Lavine, Frank P., David P., Theodore L., Adrienne S. (2013). Principios de transferencia de calor y masa . John Wiley & Sons; 7ª edición, edición Interna. ISBN 978-0470646151.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )