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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE INTERCAMBIADOR
DE CALOR UTILIZANDO TUBOS TERMOSIFONES BIFÁSICOS
Andrés Felipe Duque delgado
[email protected]
Escuela de Ingeniería – Departamento de Ingeniería Mecánica – 2004
Area de énfasis
Diseño de Sistemas Técnicos
Asesor Principal
Luis santiago Paris Londoño
Empresa
Universidad EAFIT – Área de
Térmica
RESUMEN
En este articulo se presenta el
diseño y construcción de un
prototipo de intercambiador de calor
que emplea tubos termosifones
bifásicos, con agua como fluido de
trabajo, y que se pueda emplear en
procesos de recuperación de calor
de desecho. Se plantea también un
modelo matemático para encontrar
las dimensiones de los TSB y del
intercambiador de calor, que
permitan resolver las variables que
intervienen en el diseño.
Se
describe el montaje experimental
utilizado para la evaluación del
prototipo construido.
ABSTRACT
This article presented the design
and building of a two-phase
thermosyphon
heat exchanger,
using water as the working fluid, and
it will can be to employ in process of
heat recovery. The dimensions of
the two-phase thermosyphon and
the heat exchanger are found
applying a mathematical model,
resolving the variables important for
the design. The experimental model
used for the evaluation of the
prototype is described.
PALABRAS CLAVES
Termosifón bifásico, tubo de calor,
calor de desecho, intercambiador de
calor, uso racional de energía.
KEY WORDS
Two-phase thermosyphon, heat pipe
heat recovery, heat exchangers,
energy savings.
PRESENTACIÓN
El incremento continuo de la
demanda de energía asociado al
desarrollo
socioeconómico,
las
restricciones
financieras
para
ampliar la oferta energética, la
necesidad de lograr una mayor
competitividad internacional y de
atenuar el impacto ambiental de las
tecnologías
energéticas,
fundamentan la importancia que
tiene hoy en día el mejoramiento de
la eficiencia energética. En este
sentido se deben buscar formas de
reducir el consumo de combustibles
y mejorar el aprovechamiento de los
recursos energéticos, siendo una de
estas formas la recuperación de
calor de desecho.
En muchos procesos industriales se
requiere de la energía térmica
(calor) para la transformación de los
materiales, frecuentemente esta
energía
se
obtiene
de
los
combustibles fósiles quemados en
equipos como hornos, generadores
de vapor y otros, que por lo general
desechan una cantidad de energía
al medio ambiente en forma de
calor. El aprovechamiento del
potencial térmico disponible en los
gases de escape de dichos equipos
se
puede
lograr
utilizando
dispositivos recuperadores de calor
como intercambiadores de calor.
Este
proyecto
desarrolló
un
prototipo de intercambiador de calor
utilizando termosifones bifásicos
(TSB), que puede ser empleado en
procesos de recuperación de calor
de desecho.
Se recopila la información pertinente
a tubos de calor y termosifones,
destacando aquí lo relacionado con
los
recuperadores
y/o
intercambiadores de calor que
utilicen tubos de calor y TSB,
encontrando
una
variedad
empresas, centros de investigación
y personas alrededor del mundo
involucrados en el tema, para
destacar algunos tenemos: Carrier
corporation, Hamada Boiler, Hudson
corporation, Termacore inc, Noren,
Transterm corporation, , Los Alamos
National Laboratory, entre otros.
TUBOS TERMOSIFONES
BIFÁSICOS (TSB)
Los Tubos Termosifones bifásicos
(TSB) o tubo de calor de calor
asistidos por gravedad, es un simple
pero efectivo dispositivo para
transferencia de calor, con una alta
conductividad térmica equivalente, y
se considera como un sistema
cerrado que contiene un fluido en su
interior que puede cambiar de fase
(evaporación y condensación) por
efecto de los intercambios térmicos.
El termosifón es mejor descrito al
dividirlo
en
tres
secciones
(Figura 1). El Calor entra a través
de un extremo del contenedor,
denominado
sección
del
evaporador, donde se encuentra
una cantidad de fluido. Debido a la
adición de calor el fluido de trabajo
comienza a evaporarse. El vapor
generado, que se encuentra a
mayor presión y
temperatura,
asciende y pasa a través de la
sección adiabática a la sección de
condensación, aquí el vapor se
condensa y entrega el calor latente
de vaporización, luego por acción
de la fuerza de gravedad el líquido
condensado retorna a la sección del
evaporador, extremo donde ocurre
la evaporación y el ciclo se repite
nuevamente.
Figura 1. Tubo termosifón bifásico (TSB)
Hay varios factores a considerar
cuando se diseña un termosifón,
como son: la compatibilidad entre
los materiales, el rango de
temperaturas de operación, el
diámetro, los limitantes de potencia,
la resistencia térmica, el fluido de
trabajo,
la
orientación
del
termosifón, la forma, y factores que
limitan la cantidad de calor que un
tubo termosifón bifásico puede
transferir, entre ellos:
límite de
secado, límite de arrastre, límite de
ebullición y límite sónico, si se
superan
estos límites,
su
funcionamiento
se
vería
considerablemente afectado.
Luego de haber determinado el
fluido de trabajo, considerando para
ello los factores antes mencionados,
se debe hallar la cantidad con la
cual se cargaran los tubos, en el
proyecto, se utiliza una ecuación
que supone la mínima cantidad de
fluido que requiere el termosifón
(TSB), para dar comienzo y
sostener unas
determinadas
condiciones de operación, mas una
cantidad que representa la piscina
de líquido, la cual es comúnmente
encontrada en la mayoría de los
tubos de calor, ya que como lo
indica
Peterson
(PETERSON,
1994), es práctica común en los
fabricantes de tubos de calor,
sobrecargarlos de líquido para evitar
posibles secados del evaporador.
2
 4Lc  Le 
  3Q L D  
Vt  
 La  

2
5

   L gh fg 
 
1
3

LP D 2
4
Ecuación 2. Volumen total de fluido de
trabajo para un TSB
también a través del banco de tubos
(zona de condensación de los TSB),
la diferencia de temperaturas entre
los
dos
fluidos,
activa
los
termosifones comenzando de esta
forma el intercambio de calor sin
necesidad de energía adicional. La
Figura 2 muestra la geometría
conceptual del equipo.
Se
consideraron
diversas
especificaciones para la realización
del diseño del equipo, como:
atractivo económico, cumplimiento
con versatilidad de la función
(intercambio de energía entre los
dos fluidos), intervención mínima de
operarios, formas poco complejas,
mínimo espacio posible, íntercambiabilidad de los termosifones,
componentes
y
materiales
fabricados en el país o comerciales
nacionalmente.
donde los subíndices c, e, a, p y L
corresponden
a
condensación
evaporación, adiabática, piscina y
liquido respectivamente, Q es la
cantidad de calor que reciben los
TSB, D es el diámetro interno,  es
la viscosidad absoluta, hfg es la
entalpía de evaporación y g es la
fuerza de gravedad.
INTERCAMBIADOR DE CALOR
CON TERMOSIFONES (TSB)
El intercambiador consiste en un
arreglo de tubos termosifones,
colocados en el interior de una
envolvente externa, donde hay una
transferencia de calor de manera
permanente entre dos fluidos, los
cuales están separados por una
pared horizontal dentro de un
contenedor.
En el prototipo
construido, el fluido caliente (gases
calientes), fluye a través del banco
de tubos (zona de evaporación de
los TSB), mientras que el fluido frío
(agua) fluye en la parte superior,
Figura 2. Tubo termosifón bifásico (TSB)
Para dimensionar el prototipo
primero
se
establecen
las
condiciones de operación, para
luego relacionar la transferencia
total de calor con cantidades tales
como las temperaturas de entrada y
salida de los fluidos, el coeficiente
global de transferencia de calor, y el
área superficial total para la
transferencia de calor, dos de tales
relaciones se pueden obtener
fácilmente al aplicar balances
globales de energía a los fluidos
caliente y frío. Tal como sigue:
*
Número total de
TSB
114
*
Q  mFC C pFC (TC1  TC 2 )  mFf C pFf (T f 1  T f 2 )  UATml
Ecuación 2. Balance global de energía
Se consideró al
proceso de
transferencia de calor desde el
fluido caliente al fluido frío como dos
procesos separados. En el primer
proceso, el calor es transferido
desde el fluido caliente a la zona de
evaporación de los termosifones. En
el segundo, el calor es transferido
de la zona de condensación de los
termosifones al fluido frío. El lado
frío y caliente del intercambiador
son considerados entonces como
intercambiadores separados, los
cuales son unidos por la misma rata
de
transferencia
de
calor
considerando
una
pequeña
diferencia de temperatura de pared
del termosifón entre la zona de
condensación y evaporación.
A continuación, se presentan los
resultados obtenidos después de
resolver todas las correlaciones con
ayuda de una hoja de calculo.
VARIABLE
VALOR UNIDAD
Temperatura de
entrada de gases
230
ºC
Temperatura de
salida de gases
160
ºC
Flujo masico de
gases
389.01
Kg / hr
Calor a recuperar
8455
W
Temperatura de
entrada del agua
30
ºC
Temperatura de
salida del agua
85
ºC
Flujo masico de
0.0367 Kg / seg
agua
Paso transversal
0.035
m
Paso longitudinal
0.035
m
Caída de presión
174.3
Pa
Longitud de TSB en
zona de gases
0.18
m
Longitud de TSB en
zona de agua
0.075
m
Q por tubo
75
W
EVALUACIÓN Y RESULTADOS
Se realizaron evaluaciones tanto a
los TSB de forma individual como al
prototipo construido (Figura 3), los
ensayos a los TSB estaban
encaminados
en
demostrar
confiabilidad
e
identificar
el
funcionamiento de los TSB a largo
termino bajo unas condiciones de
operación.
Figura 3. Intercambiador de calor con TSB.
se empleó para las pruebas una
estación de evaluación existente en
la universidad EAFIT, a la cual fue
necesario
realizar
algunas
modificaciones (Figura 4).
Figura 4. Estación de evaluación
como fuente de calor se utilizaron
resistencias eléctricas de 200W
para conectar a 110 Voltios, las
cuales se acoplaron a los TSB
mediante dos bloques de aluminio.
La regulación de la potencia de la
resistencia se realizó con un dimer
de doble pendiente,
la señal
proveniente de los termopares se
capturo por medio de un PLC
SIMATIC serie ST – 200, de
Siemens con capacidad para 12
termocuplas,
El software se
escribió bajo el programador gráfico
LabView. El programa se encarga
de registrar y graficar el valor de las
temperaturas para finalmente ser
enviados a Excel para su posterior
análisis y manipulación, algunos de
los gráficos obtenidos son los
siguientes:
Tem peratura ( ºc)
120
25 W
100
80
40W
60
60W
40
20
88W
0
0
70
140
210
280
Longitud en el TSB 10 (mm)
105 w
Figura 5. Distribución de temperatura a lo
largo del TSB.
TEMPERATURA DEL EVAP(ºC)
120
TSB 10
(104 W)
100
Las
pruebas
realizadas
al
intercambiador
construido
se
enmarcaron en determinar la
cantidad de calor recuperado por el
prototipo para las condiciones de
trabajo expuestas como también
identificar el comportamiento de las
temperaturas de los fluidos y los
TSB a lo largo del prototipo.
El sistema de adquisición de datos
utilizado es el mismo que se
mencionó anteriormente
Para simular la entrada de humos al
prototipo se calentó aire proveniente
de un ventilador centrífugo con
motor de 220V trifásico, para lo cual
se construyó un banco de
resistencias, que consistía en un
conducto con tres grupos de tres
resistencias, cada uno con una
potencia de 1.1 KW a 220 V. El
control de las rpm del motor del
ventilador se realizó por medio de
un variador de velocidad marca
SIEMENS y se midió la velocidad
del aire con un tubo pitot con su
respectivo
manómetro
marca
DEWAR.
80
TSB 18
(100 W)
60
40
20
TSB 27
(105 W)
0
0
500
1000
1500
TIEMPO (seg)
Figura 6. Velocidad de
TSB
#17 (
103.5 W
respuesta
)
TEMP (EVAP - COND)
50
TSB
#10
45
Figura 8. Evaluación del intercambiador
40
35
TSB
# 18
Los resultados obtenidos fueron:
TSB
#27
Flujo másico de aire
Temperatura ambiente
Temp. de salida del aire
Temp. de entrada del aire
30
25
20
0
30
60
90
120
CALOR TRANSFERIDO ( W )
Figura 7. Velocidad de respuesta
Flujo másico de agua
Flujo masico de aire
kg/seg
ºC
ºC
0.0347
28
165.4
ºC
kg/seg
kg/seg
229
0.0085
0.0347
Temp. de salida del agua
ºC
76.2
ºC
23.2
W
1881
W
2284
W
7135
adim
adim
26.4%
0.314
Temp. de entrada del agua
Flujo absorbido por el agua
Flujo de calor tomado del
aire
Potencia suministrada al
aired
Porcentaje recuperado
(QAGUA / QRESIS ) x 100
(QAIRE / QMAX )
También se obtuvieron gráficas que
muestran el comportamiento de las
temperaturas
de
los
fluidos
caliente(FC) y frío(FF), como
también de los TSB con respecto al
tiempo, mostrando tiempos de
estabilización del sistema similares
a los obtenidos en las pruebas a los
TSB en forma individual. Una
muestra de ello es la siguiente
figura:
TEMPERATURA (ºC)
250
200
IN
FC
150
OUT
FC
100
OUT
FF
50
TSB
( ZC)
0
0
500
1000 1500 2000 2500
TIEMPO ( SEG )
Figura 8. respuesta térmica del prototipo
CONCLUSIONES
Se diseñó y construyó un prototipo
de
intercambiador
de
calor
utilizando
tubos
termosifones
bifásicos ( TSB ), donde con ayuda
de un programa de computo
elaborado en Microsoft Excel, se
encontró un arreglo conveniente en
cuanto a la cantidad de calor a
recuperar, las resistencias térmicas
en el intercambiador, caída de
presión y numero total de tubos,
teniendo en cuenta los parámetros
de diseño establecidos.
El modelo de cálculo utilizado para
encontrar la cantidad de fluido de
trabajo en los termosifones, fue
adecuado, evidenciando ello en las
evaluación realizadas a los tubos y
al equipo construido, encontrando
un comportamiento satisfactorio, ya
que en el peor de los casos, los
termosifones evaluados disiparon el
87% de la potencia suministrada,
sin considerar pérdidas de calor en
el sistema. Este modelo de calculo
es
aplicable
al
calculo
de
termosifones que trabajen con
diferentes fluidos de trabajo.
Las pruebas realizadas a los
termosifones muestran un patrón
similar de comportamiento, en
cuanto a la distribución de
temperatura a lo largo del tubo y
tiempo
de
estabilización
del
sistema, consiguiendo un estándar
en el procedimiento de fabricación
de tubos termosifones bifásicos,
que utilicen agua como fluido de
trabajo, contenedor tubular, tapón
circular recto y estructura capilar
para realización de la carga.
De acuerdo con las pruebas
realizadas, el prototipo fue capaz de
absorber un
26.5% de calor
disponible, para unas condiciones
de evaluación señaladas, además
se consiguieron eficiencias entre el
31% y 45%, logrando también la
estabilización del sistema en corto
tiempo.
BIBLIOGRAFIA
APPLEBY BOTERO, Edward A. Y
CATAÑO MONTOYA Juan. Diseño
y construcción de tubos de calor,
2003, Trabajo de grado ( Ingeniero
Mecánico). Universidad Eafit.
Facultad de Ingeniería Mecánica
FAGHRI, Amir. Heat pipe and
thermosyphon. United States of
America. Taylor and Francis, 1995.
ISBM: 1560323833.
INCROPERA, F. y De WITT, D.
Fundamentos de Transferencia de
Calor. Cuarta edición. Prentice Hall.
México D.F., México.1999. ISBN 0471-30460-3.
PETERSON, G. P. An introduction
to heat pipes: Modeling, testing, and
applications. United States of
America. John Wiley & Sons, 1994.
356 p. ISBN: 0-471-30512-X.
SILVERSTEIN, Calvin C. Design
and technology of heat pipes for
cooling and heat exchange. United
States of America, Taylor and
Francis, 1992. ISBN 0-89116-859-1.
DOBSON, R. T. and PAKKIES, S.
Development of a heat pipe (two –
phase closed thermosyphon) heat
recovery heat exchanger for a spray
drier [enlinea]. Data Items, Dec,
2002. [citado 23 Aug., 2003].,
disponible desde GOOGLE.
NOIE BAGHBAN, S. H. and
MAJIDEIAN, G. R. Waste heat
recovery using heat pipe heat
exchanger (HPHE) for surgery
rooms in hospitals. [enlinea].
Applied thermal engineering. 2000.
[citado 11 Jun., 2003]. Número de
acceso: 000349101. Disponible
desde Pascal Scitech.
SANCHEZ, F.; CARVAJAL, G.;
TOLENTINO y ABUGABER, J.
Diseño térmico y mecanico de un
intercambiador de calor en base a
tubos termosifones bifásicos.
México D.F, México. Información
Tecnológica, volumen 22, pag 63,
2001.