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Resumen
Abstract
El presente documento pretende ser una herramienta de apoyo en tender como es el proceso de cambio de fase en termosifones. Los tubos de calor y los termosifones bifásicos (TSB) se consideran dispositivos de acoplamiento térmico mico auto-m auto-modu odulad lados os,, que emplea emplean n el fenóme fenómeno no de cambio de fase como mecanismo de transferencia de calor. calor. Presentan Presentan como características características favorables la alta conductancia térmica equivalente, la facilidad de adecuación de las áreas de transferencia de calor pudiendo adoptar varias formas. Sin embargo, su operación está limitada por las propiedades de las sustancias y materiales de construcción, influyendo también la geometría empleada y las condiciones específicas específicas de operación.
This document aims to be a support tool in understanding how the process of phase change in thermosyphons is. Heat pipes and twophase thermosyphons (TSB) are considered selfmodulated thermal coupling devices, which employ the phenomenon of phase change as a heat transfer mechanism. They have as favorable characteristics the high equivalent thermal conductance, the ease of adaptation of the heat transfer areas can take various forms. However, its operation is limited by the properties of the substances substances and construction materials, also influencing the geometry used and the specific operating conditions.
Palabras Clave: Cambio Clave: Cambio de fase, fluidos, terKeywords: Phase change, fluids, thermosypmosifones, transferencia de calor. hons, heat transfer.
* Estudiante de Ingeniería Mecánica - Universidad Politécnica Salesiana - Sede Quito.
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1. Introducción
2. Materiales y Métodos
Según la 2da ley de la termodinámica, mayoría de los procesos industriales, comerciales y aun domésticos son generadores de calor de desperdicio. Es decir, los procesos al no ser idealmente reversibles sino irreversibles, destruyen exergía, generan entropía. La reducción de estos efectos constituye un reto tanto para mejorar los procesos como para desarrollar nuevos y mejores equipos y procedimientos [2]. Se visualiza que un gran aporte en el manejo de la transferencia de calor en el futuro está asociado a los procesos y dispositivos de transferencia de calor con cambio de fase dado los altos coeficientes de transferencia de calor involucrados [1]. La importancia del mejoramiento de los rendimientos energéticos está soportada en parte por el continuo incremente de la demanda de energía asociada a los desarrollos tanto tecnológicos como sociales y económicos, debido a las restricciones a veces financieras para expandir la oferta energética,a la necesidad de alcanzar más competitividad y a los esfuerzos para reducir los impactos ambientales de las tecnologías energéticas [1]. El empleo de los tubos de calor y de los termosifones bifásicos cerrados ofrece oportunidades interesantes para ser estudiados y empleados con el fin de mejorar los desempeños de los equipos de intercambio térmico y ayudar a reducir los consumos de combustibles, dado sus características de operación que hace uso de transferencia de calor con cambio de fase [3].
Los tubos de calor y los termosifones bifásicos El término tubo de calor, en inglés “heat pipe, HP” describe un “estructura ingenieril sinérgica, la cual, teniendo en consideración ciertas limitaciones en la manera de operarse, es equivalente a un material con una conductividad térmica equivalente que excede significativamente la de cualquier metal conocido, tal como lo publicó Grover en 1964 [5]. Estos dispositivosse consideran sistemas cerrados, que solo intercambian energía con sus alrededores mas no masa, y sus elementos o componentes principales son [6]:
Figura 1: Diagrama de termosifón bifásico [4].
Figura 2: Descripción de un tubo de calor [7].
Un contenedor hermético de buena conductividad térmica. Una pequeña cantidad de un fluido de trabajo que pueda cambiar de fase (por ejemplo agua, alcohol, amoníaco, etc.), sin gases no condensables [7]. Un mecanismo de “bombeo interno de líquido”, por ejemplo una mecha o estructura capilar en el caso de un tubo de calor, o la gravedad en el caso de un TSB [7]. Un sistema de interconexión con el medio ambiente, con delimitación de zonas de transferencia de calor de entrada, de salida y zona adiabática.
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lor, es decir mediante evaporación y condensación de un fluido dentro de un tubo cerrado, con la diferencia que no hay estructura capilar o mecha para el bombeo del líquido del condensador al evaporador, sino que emplea la gravedad por lo cual en condensador debe localizarse encima del evaporador. Los termosifones bifásicos se conocen como tubos de calor sin mechas o asistidos por la gravedad y como díodos térmicos [10]. Las principales características de estos dispositiFigura 3: Descripción de un termosifón bifásico vos son: (TSB) [8]. Transporte de energía térmica entre las zonas de entradas y salida con gradientes de Los tubos de calor y los TSB pueden acoplartemperatura pequeñas presentando conse entre regiones de alta temperatura y regiones ductividades térmicas equivalentes cientos de baja temperatura lográndose transferir cantide veces superiores a las de varillas de cobre dades significativas de energía térmica [8]. Cuande geometría equivalente. do un extremo del tubo de calor (el evaporador) se calienta, el fluido de trabajo de esta zona se vaporiza absorbiendo un calor latente e incrementando localmente la presión que impulsa este vapor a través de la zona adiabática, hasta el otro extremo del tubo (el condensador) donde la temperatura es ligeramente inferior, produciéndose la condensación y la reducción local de presión favoreciendo el flujo másico del vapor en el núcleo del tubo y liberando el calor latente de cambio de fase induciendo el calentamiento del condensador. El liquido condensado fluye hacia el otro extremo del tubo (el evaporador) bombeado por efectos de la gravedad, por efecto de fuerzas capilares o cualquier otro mecanismo disponible [9] . Si se presentan gases no condensables en el tubo, estos reducen el flujo efectivo del vapor y la rata de condensación, bajando la efectividad sobre todo a bajas temperaturas (bajas presiones de vapor) Resumiendo se puede decir que dentro del tubo de calor el vapor recién producido fluye por el núcleo hacia el condensador donde cambia de fase de tal manera que el liquido generado retorna en dirección contraria hacia el evaporador repitiéndose el ciclo cerrado. Los termosifones bifásicos transfieren el calor de la misma manera como lo hacen los tubos de ca-
Habilidad para transferir cantidades considerables de calor a través de una distancia dada con bajos diferencias de temperatura entre la fuente y el sumidero. Operación prácticamente isotérmica: habilidad para reducir los gradientes de temperatura dentro del tubo o para generar una superficie casi isotérmica. Opera como un transformador de Intensidad de flujo o densidad de potencia (Flujo de calor por unidad de área): La capacidad de acomodar diferentes cantidades de calor y de densidades de potencia térmica en las zonas de condensación y evaporación, en función de de las áreas superficiales en cada zona. Para la aplicación y el diseño de los TSB hay que tener presente algunas limitaciones o límites relacionados con las condiciones para transferir el calor, Entre esos límites se pueden mencionar: límite de secado, límite de inundación, límite sónico, límite termodinámico, límite capilar [11]. Para la aplicación y el diseño de los TTB se presentan algunas limitaciones relacionadas con 3
las condiciones para transferir el calor, tales como: límite de secado, límite de inundación, límite sónico, límite termodinámico, límite capilar. Los Tubos de calor y los TTB han tenido deferentes campos de aplicación, entre las cuales se pueden mencionar [12]:
el agua ( H 2O ) y durante la fase de prueba se fueron modificando los porcentajes de llenado para analizar su efecto en el comportamiento del termosifón. El tercer parámetro es la rapidez de evaporación del fluido de trabajo en el proceso de llenado de los TTB, la cual es vital debido a que se necesita Enfriamiento de elementos electrónicos conocer el tiempo de llenado para obtener la cantidad deseada de fluido desalojado delinterior del Precalentadores de aire. dispositivo [3]. Durante el procedimiento de llenado se requiere Enfriamiento de de gabinetes para compoevaporar el fluido interno para que este ocupe el nentes eléctricos y electrónicos. volumen total de dispositivo y fuerce a los gases incondensables a escapar por algún extremo del Recuperadores de calor. termosifón junto con el vapor [14]. Pero en este Generadores de vapor con calor de desecho proceso escapará un poco de la masa de agua, por lo que la masa inicial debe ser mayor a la masa fiEnfriamiento y/o atemperadores de mol- nal deseada en el interior del termosifón. des. Esto implica conocer el tiempo de evaporación del porcentaje requerido de la cantidad de flui Aplicaciones aeroespaciales. do inicial. La metodología propone conocer este tiempo mediante la velocidad de evaporación o Control de temperatura. flujo másico de evaporación desde una superficie de agua libre, que se define por la siguiente ecuaConversión térmica de energía solar. ción:
2.1. Metodología de cálculo
m e˙v a = h ¯m A ev a (ρ v ,satop − ρ v ,satam )
El presente trabajo utiliza una metodología para el cálculo de tres parámetros esenciales para el diseño y fabricación de tubos termosifones bifásicos [3]. El primer parámetro a calcular son las proporcionesdelazonadeevaporaciónydelazonadecondensación con respecto a la longitud total del termosifón. En segundo lugar, por razones de seguridad, se deben calcular las presiones a las que estará sometido el termosifón para los distintos estados de operación y cantidades de fluido de trabajo: la presión de paro y la presión de operación. La primera se refiere a la presión interna del termosifón en reposo y a temperatura ambiente, en tanto que la segunda es la que posee el fluido interno cuando el termosifón se encuentra operando. En el caso de estudio, se eligió como fluido de trabajo
(1)
En donde: A e va = Área disponible para la evaporación. ρ v ,satam = Densidad de saturación a la temperatura ambiente. ρ v ,satop = Densidad de saturación correspondiente a la temperatura del fluido durante el proceso de llenado. h ¯m = Coeficiente de transferencia de masa (se usa la analogía de transferencia de calor y masa, [13]): h ¯a
h ¯m =
(ρ a C p a )
D a ,w 2/3
(2)
αa
El coeficiente de difusión binaria se calcula con la siguiente relación [15]: D = D 0
4
p 0
T 3/−2
p
T 0
(3)
Donde el número de Nussel está dado por la siguiente expresión: Nu = 0,68 +
0,67Ra 1/4 9/16 4/6
1+
0,492
(4)
P r
Del número de Rayleigh, definido por: Ra = Gr .P r
(5)
Donde el número de Grashof, Gr, expresado por: Gr = g .βa .T p .
L 3eva
γ2a
Figura 4: Intercambiador de calor con tubos termosifones [16].
(6)
De este modo, los gases calientes fluyen a través de la zona de ebullición, transfiriendo el calor desde dicha zona hacia la zona de condensación a través de los tubos termosifones. Los gases que se desea calentar fluyen en sentido contrario a través de la zona de condensación absorbiendo el calor disipado por los termosifones [16]. Para aprovechar al máximo el calor que puede transferir un termosifón y al mismo tiempo usar el material mínimo en su fabricación, es necesario conocer las longitudes de la zona de evaporación y de la zona de condensación [18]. El área de paso de los flujos de estas zonas son diferentes, debido a que estos fluidos poseen diferentes propiedades (densidad, calor específico).
De tablas sobre propiedades del aire, se obtienen todas las propiedades requeridas para encontrar los valores de los parámetros antes mencionados a la temperatura promedio del aire, Tp, esta temperatura promedio es el promedio entre la temperatura ambiente y la temperatura del termosifón durante el proceso de llenado. T p =
T am b + T op
2
(7)
2.1.1. Relaciones de las longitudes de las zonas de aire y de gases Un recuperador de calor compuesto de tubos termosifones bifásicos, consiste en una envolvente externa con un grupo de tubos termosifones agrupados en su interior, como se muestra en la figura. De acuerdo al principio de funcionamiento de los termosifones (evaporación/condensación) el calor se transfiere del evaporador (localizado en la parte inferior, donde fluye la corriente de gases calientes provenientes de un proceso externo de combustión – flecha roja), hasta el condensador (localizado en la parte superior, por donde circulará el fluido que se desea calentar –flecha azul).
2.2. Principios de diseño de los intercambiadores de calor con tubos de calor y termosifones bifásicos(TSB) La principal función de un intercambiador de calor fluido-fluido con TSB es transportar energía térmica desde un fluido “caliente” hasta un fluido “frío”, lo cual se representa en el diagrama de caja negra de la figura 5. La figura 6 muestra a su vez una síntesis funcional del intercambiador de calor. [7] 5
El intercambiador de calor en este caso corresponde a un arreglo de varios TSB colocados en un contenedor en forma vertical separados por una placa horizontal que separa los gases calientes del fluido frío (agua), en tal forma que el calor se transporta desde los gases hasta el agua mediante los TSB. El diseño térmico permite definir, conociendo las condiciones de operación del prototipo, los aspectos geométricos y térmicos, es decir, las temperaturas, los coeficientes y las áreas de transferencia de calor, el arreglo, el número de tubos TSB, etc [19]. Se emplean modelos de balance de energía global en estado estacionario clásicos paFigura 5: Aplicacion de termosifones en sistema ra el flujo de gases, para el flujo de agua, (ecuaciode calefacción de agua sanitaria [16]. nes 2 y 3) además de la ecuación de calor (ecuación 4), asumiendo que no hay pérdidas térmicas al ambiente, ni cambios de fase (evaporación del agua) [17]: 3. Resultados y Discusión ˙ = mC ˙ p H (T H i − T H o ) Q
(8)
˙ = mC ˙ p C (T C o − T C i ) Q
(9)
˙ = U . A (∆T mi ) Q
(10)
Los tubos de calor y los termosifones bifásicos (TSB) se consideran dispositivos de acoplamiento térmico auto-modulados, que emplean el fenómeno de cambio de fase como mecanismo de transferencia de calor. Presentan como características favorables la alta conductancia térmica equivalente, la facilidad de adecuación de las áreas de transferencia de calor pudiendo adoptar varias formas. Sin embargo, su operación está limitada por las propiedades de las sustancias y materiales de construcción, influyendo también la geometría empleada y las condiciones específicas de operación.los TSB pueden acoplarse entre regiones de alta temperatura y regiones de baja temperatura lográndose transferir cantidades significativas de energía térmica. Cuando un extremo del tubo de calor (el evaporador) se calienta, el fluido de trabajo de esta zonase vaporiza absorbiendo un calor latente e incrementando localmente la presión que impulsa este vapor a través de la zonaadiabática, hasta el otro extremo del tubo (el condensador) donde la temperatura es ligeramente inferior, produciéndose la condensación y la reducción local de presión favoreciendo el flujo másico del vapor en el núcleo del tubo y
En dichas ecuaciones los subscritos H y C hacen referencia a los fluidos caliente y frío respectivamente, mientras que i y o significan las condiciones a la entrada y salida, Cp es el calor especifico del fluido, es el flujo másico del fluido, A es el área de transferencia de calor y ∆T ml es la diferencia de temperatura media logarítmica [20] . En este ámbito, el proceso de transferencia de calor que se lleva a cabo, se considera en dos etapas, una desde los gases calientes hacia la zona de evaporación de los TSB y otras desde la zona de condensación del TSB hasta el agua, asumiendo que la operación de los TSB presentan variaciones de las temperaturas, que dependiendo de las condiciones de diseño y de operación podría variar entre 10ºC y 50 ºC aproximadamente entre las zonas de evaporación y la condensación. En este sentido los TSB acoplan estos dos procesos de Transferencia de calor [18]. 6
liberando el calor latente de cambio de fase induciendo el calentamiento del condensador.
gases de escape de calderas basados en elementos bifásicos,” [4] A. P. Fraas, Heat exchanger design . John Wiley & Sons, 1989.
4. Conclusiones
La energía calorífica transportada por un tubo [5] J. R. Welty et al., Transferencia de calor aplicada a la ingeniería . 1996. termosifón bifásico depende considerablemente de la temperatura de salida de los gases de escape, así como de la cantidad de fluido de trabajo [6] D. W. Green and R. H. Perry, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook/edición Don W. Green y interno. Robert H. Perry. No. C 660.28 P47 2008., 1973. Para el diseño de estos dispositivos se debe utilizar materiales que permitan una mayor rapidez [7] L. Haar, J. S. Gallagher, and G. S. Kell, “Tablas en la transferencia de calor, para con ello optimide vapor,” National Bureau of Standards, zar la eficiencia del equipo. Washington, DC National Research Couoncil Resulta de igual manera importante las temperaof Canada, Ottawa. Nueva Editorial. Interturas y propiedades de los fluidos de trabajo inamericana, SA DE CV México-España-Brasilterno, de la corriente de calentamiento, y de la coColombia-Ecuador-Venezuela. México, DF , rriente de condensación para incrementar la vida 1985. útil del TTB. Para garantizar la operación eficiente de un tu- [8] J. R. W. Welty, C. E. Wilson, R. E. C. Acosta, bo termosifón bifásico se requiere establecer los et al., Fundamentos de transferencia de molímites de operación del cambiador de calor en mento, calor y masa . 1982. donde se utilizará, así como especificar la instrumentación mínima requerida para el monitoreo [9] Y. A. Çengel and A. J. Ghajar, Transferencia de de las condiciones óptimas del equipo. calor y masa. Fundamentos y . 2011. Es importante mencionar que la corrosión en estos elementos es notable debido al manejo de [10] Y. A. Çengel and M. A. Boles, Termodinámica (8a . McGraw Hill Mexico, 2015. fluidos, por lo que es recomendable el uso de un inhibidor en el fluido de trabajo interno. [11] A. Gershuni, A. Nishchik, Y. Pysmennyy, G. Polupan, F. Sanchez-Silva, and I. CarvajalMariscal, “Gas-gas heat exchangers based on Referencias finned heat pipes,” International Journal of Heat Exchangers , vol. 5, pp. 347–358, 2004. [1] A. Álvarez Morales, Investigación experimental para determinar la cantidad de fluido interno en termosifones bifásicos . PhD thesis, [12] G. Polupan, F. S. Silva, G. J. López, and R. I. C.
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2010. [2] L. Paris, “Tubos de calor y termosifones bifásicos: Alternativas para la conservación de energía,” in Congreso iberoamericano de Ingeniería Mecánica , 2007.
[13] M. Bezrodny, I. Pioro, and T. Kostyuk,“Trans[3] Y. Pysmennyy, A. Gershuni, and G. Polupan, fer processes in two-phase thermosyphon “Desarrollo de recuperadores de energía de systems,” Theory and Practice , 2005. 7
[14] I. Pioro, V. Antonenko, and L. Pioro, “Effecti- [17] F. P. Incropera and D. P. DeWitt, Fundamentos de transferencia de calor . Pearson Educave heat exchangers with two-phase thermosiphons,” Science, Kiev , p. 245, 1991. ción, 1999. [18] V. K. Dhir, “Phase change heat transfer–a [15] C. Silverstein, Design and technology of heat perspective for the future,” tech. rep., 2003. pipes for cooling and heat exchange . CRC [19] G. P. Peterson, “An introduction to heat piPress, 1992. pes: modeling, testing, and applications,” 1994. [16] A. F. Duque Delgado and I. Mecánico, “Diseño y construcción de un prototipo de in- [20] L. Paris and J. Cataño, “Development of heat tercambiador de calor utilizando termosifopipe design and construction in colombia,” nes bifásicos,” B.S. thesis, Universidad EAin 13th International Heat Pipe Conference , FIT, 2006. 2004.
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