Abstracto

Estudio sobre análisis del rendimiento y optimización del diseño de intercambiadores de calor tubulares

Praveen Math*, Kumaraswamy Kuala Lumpur

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos tienen una importancia especial en calderas, enfriadores de aceite, condensadores y precalentadores. También se utilizan ampliamente en aplicaciones de proceso, así como en la industria de refrigeración y aire acondicionado. La robustez y la forma de peso medio de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos los hacen muy adecuados para operaciones de alta presión. El objetivo de este estudio es experimentar, validar y proporcionar sugerencias de diseño para optimizar el intercambiador de calor de carcasa y tubos (STHE). El intercambiador de calor está hecho de material acrílico con 2 deflectores y 7 tubos de acero inoxidable. El fluido caliente fluye dentro del tubo y el fluido frío fluye sobre el tubo en la carcasa. Se utilizaron 4 termopares tipo K para leer las temperaturas de entrada y salida de los fluidos calientes y fríos. Se llevaron a cabo experimentos para varias combinaciones de caudales de agua caliente y fría con diferentes temperaturas de entrada de agua caliente. Las condiciones de flujo se limitan al modelo de tamaño de laboratorio de la configuración experimental. Se utilizó un código CFD comercial para estudiar el campo de flujo térmico e hidráulico dentro de la carcasa y los tubos. Se desarrolló una metodología CFD para representar apropiadamente la física del flujo y el procedimiento se validó con los resultados experimentales. Se observó un flujo turbulento en el lado de los tubos para todas las condiciones de flujo, mientras que el lado de la carcasa tiene un flujo laminar, excepto para temperaturas de agua extremadamente calientes. Por lo tanto, se utilizó el modelo de transición k-kl-omega para predecir mejor el flujo para los casos de transición. Se utilizó un modelo k-épsilon realizable con función de pared de no equilibrio para los casos turbulentos. Se examinaron en detalle los perfiles de temperatura y velocidad y se observó que el flujo permanece casi uniforme en los tubos, lo que limita la transferencia de calor. Aproximadamente 2/3 ^del flujo del lado de la carcasa no rodea los tubos debido al flujo sesgado que contribuye a reducir la transferencia de calor general y aumentar la pérdida de presión. Sobre la base de estos hallazgos, se intentó mejorar la transferencia de calor induciendo turbulencia en el flujo del lado de la carcasa. Los dos deflectores se rotaron en direcciones opuestas entre sí para lograr una mayor circulación en el flujo del lado de la carcasa y proporcionar más contacto con la superficie del tubo. Se simularon y estudiaron varias posiciones de los deflectores utilizando análisis CFD y los resultados se resumen con respecto a la transferencia de calor y la pérdida de presión.