ANÁLISIS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCENTRICOS
ANALYSIS OF HEAT TRANSFER IN A CONCENTRIC TUBE EXCHANGER Mendia Erika1, Torres Cristian2
Resumen
Abstract
En el presente informe se realizan dos análisis un estacionario y otro trascendente de la transferencia de calor existente en un intercambiador de tubos concéntricos, la simulación se realiza con la ayuda del software Ansys CFX. Se trata de un intercambiador a contraflujo, uno de los flujos es de agua caliente y el otro de agua a temperatura ambiente, para el tubo interno se considera de cobre como material. Para el estudio se considera que ambos fluidos mantienen velocidades constantes, por lo que se analizan transferencia de calor por convección entre la tubería y el fluido, y también conducción por el espesor del tubo. Al final se analiza tanto los resultados de un análisis estacionario, así como del trascendente, obteniendo graficas de temperatura vs tiempo, en 3 sectores del intercambiador, al inicio, en la mitad y final del mismo.
In the present report two stationary and one transcendent analyzes of the heat transfer existing in a concentric tube exchanger are performed, the simulation is performed with the help of Ansys CFX software. It is a parallel flow exchanger, one of the flows is hot water and the other is water at room temperature, so the inner tube is considered copper as material. For the study it is considered that both fluids maintain constant velocities, so that heat transfer by convection between the pipe and the fluid is analyzed, and also conduction by the thickness of the tube. In the end, both the results of a stationary and transcendent analysis are analyzed, obtaining temperature and time graphs in 3 sectors of the exchanger at the beginning, in the middle and at the end of the same.
Keywords: Convection, stationary, parallel flows, Palabras Clave: Convección, estacionario, flujos transcendent, heat transfer. paralelos, trascendente, transferencia de calor.
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Estudiante de la carrera de Ingeniería Mecánica. Universidad Politécnica Salesiana – Ecuador – sede Cuenca. Autor para correspondencia:
[email protected] 2 Estudiante de la carrera de Ingeniería Mecánica. Universidad Politécnica Salesiana – Ecuador – sede Cuenca. Autor para correspondencia:
[email protected] 1
1. Introducción Ansys es un software que nos ayuda a simular de manera real el comportamiento de objetos, fluidos, etc. Cuenta con diferentes herramientas entre la cuales encontramos el CFX que es el que se utilizó en el presente informe para poder realizar la transferencia de calor que se está analizando. El CFX es un software completo para el análisis de la dinámica de fluidos, además de una amplia gama de fenómenos que va desde la aerodinámica, la hidrodinámica, la combustión, los flujos de reacción y la transferencia de calor. Haciendo referencia a la transferencia de calor decimos que siempre se da cuando exista un gradiente de temperatura en un sistema o siempre que dos cuerpos con diferentes temperaturas entren en contacto, por lo que en el presente informe lo que se desea es analizar un intercambiador de calor de tubos concéntricos y a contraflujo, en el cual están ingresando agua caliente a 160°C con un flujo másico de 2kg/s, y agua a temperatura ambiente con 20°C con flujo másico de 1.2 kg/s. .
1.1 Convección en Fluidos Es la forma más eficiente y común de transferir calor a través de líquidos y gases. Ocurre cuando algunas regiones de un fluido se vuelven más calientes que otras, causando corrientes en el fluido que lo mueven para distribuir el calor de una manera más uniforme. La transmisión de calor por convección se compone de dos mecanismos simultáneos. El primero es por convección natural, que puede ser un gradiente de densidad, el segundo por convección forzada lo cual es una diferencia de presión producida mecánicamente o puede ser una combinación de ambas. La cantidad de calor transferido por convección, se rige por la ley de enfriamiento de Newton (1). [1]
1.2 Conducción de calor Es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor. [2] ∆
=
(1 − 2)
(2)
2. Situación Física Para la respectiva simulación en el Software Ansys CFX, se tiene el respectivo modelado de la geometría del tubo, esta geometría consta de 2 entradas y 2 salidas respectivamente para agua caliente y fría, y 2 salidas, los tubos son de un material de cobre. Tabla 1. Especificaciones para la simulación.
(1) El flujo de calor por convección es positivo si (h>0) es decir si el calor se transfiere desde la superficie de área A al fluido Ts>Tinf y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie Ts
Fluido
Agua Caliente
Agua Fría
Temperatura inicial
160°C
20°C
Flujo másico
2 kg/s
1.2 kg/s
Densidad
907 kg/m3
Default
Cp
4310 kJ/k
Default
Conductividad térmica Viscosidad dinámica
0.68
Default
0.17 e-3
Default
Expansión térmica
1.145e-3
Default
Apellido Autor et al / Titul o del Articulo
3. Modelo Matemático
4. Análisis de Resultados
3.1 Balances térmicos
4.1.
Sean los siguientes datos para el fluido frío w, caudal, kg/s c, Calor específico, J/kg K te, temperatura de entrada, ºC ts temperatura de salida, ºC Los valores correspondientes para el fluido caliente son: W,C, Te, Ts. Los balances térmicos, ecuación (3), expresan el calor transferido del fluido caliente al frío en la mezcla. [5]
Análisis estacionario
Figura 1. Resultado análisis estacionario.
(3) Esta expresión, se supone que no hay cambios de fase, y que no hay pérdidas de calor. Determinación del coeficiente convectivo, el mismo que dependerá del tipo de fluido y sus propiedades como la densidad, viscosidad, la conductividad térmica y la capacidad calorífica.
ℎ=
∗
Donde Nusselt va a depender para que situación física se quiere determinar y se tiene:
Grafica 1. Temperatura vs distancia.
4.2.Análisis transcendente Cuando sale agua caliente a 160°C y entra agua fría a 20°C
Figura 2. Análisis Punto 3.
3
Grafica 4. Temperatura vs tiempo- Punto 2.
Grafica 2. Temperatura vs tiempo- Punto 3.
En la mitad del tubo:
5. Conclusiones Como se puede observar en el análisis estacionario con el tiempo no se puede apreciar un gradiente de temperatura en la gráfica debido a que como se trata de un intercambiador de calor lo que se desea es apreciar ese cambio de temperatura en el sistema, lo que sucede en el caso transcendente que se puede observar en varios puntos del tubo como va variando la temperatura. Al inicio cuando ingresa agua caliente se puede observar en la gráfica 2 la temperatura sube debido a la transferencia de calor generada de un líquido de mayor temperatura (160°C) hacia uno de menor temperatura (20°C), en la mitad del tubo de la en la gráfica 3 igual se puede observar que la temperatura aumenta hasta que finalmente en la figura 4 cuando se analiza al ingreso esta tiende a estabilizarse hasta una temperatura ambiente (20°C), esto se debe a que inicialmente se considera que los fluidos están en reposo, con temperaturas fijadas, una vez que empieza el análisis esa transferencia tiende a estabilizarse, es por ello que existe ese pequeño gradiente.
Figura 3. Análisis Punto 1.
Grafica 3. Temperatura vs tiempo- Punto 1.
Referencias [1] M. Prashant y R. Thombre, «CFX Analysis of Natural Convection Flow Through Vertical Pipe», IJMERR, vol. 2, pp. 371-378, jul. 2013 [2] Nicolas Scenna. Propiedades Termodinámicas de Equilibrio. Determinación de estado de equilibrio de fases. UTN – Facultad Regional Rosario Cátedra: Integración IV – Año 2008 [3] L. Stein, “intercambiador de calor entre dos fluidos”
Figura 4. Análisis Punto 2.
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