Universidad de Costa Rica Sede del Caribe Escuela de Ingeniería Química Facultad de Ingeniería IQ-0526 Procesos y Operaciones Integradas Prof.: Ing. José Alberto Castillo Fabiola Sosa Duarte B2659 Barrido Paramétrico de un Intercambiador con Mamparas Introducción Comsol es una herramienta utilizada comúnmente en el área de diseño y simulación multifísica en ingeniería. Estos se utilizan para identificar secciones que requieren mayor detalle, o son muy pequeñas o grandes, por lo que su observación o evaluación experimental a escalas no son posibles para su estudio. Comsol permite la evaluación de problemas con fluidos, estructurales, térmicos, electromecánicos. Resumen Teórica Descripción Simulación Figura 1. Parámetros del agua para la librería de material en COMSOL. Se definieron los contornos en la geometría, la entrada del fluido por la parte superior, y la salida por la parte inferior, en la Figura 2, se puede observar la geometría importada, y la entrada y la salida del fluido. Para la simulación realizada se seleccionó una simulación en COMSOL con una física flujo turbulento para la simulación entre el fluido y la transferencia de calor de este, se expresa que la física únicamente soporta números de mach bajos, usualmente menores a 0.3. La solución de las ecuaciones usadas por esta física utiliza el método de Stokes. Posteriormente se selecciono un estudio estacionario para el sistema a analizar, ya que para efectos de los cálculos requeridos no se desea evaluar la variación en el tiempo, si no únicamente parámetros globales. El material utilizado en la simulación fue agua únicamente, y no se selecciono un material para las paredes del intercambiador. Para el material seleccionado, en la Figura 1, se presentan las características predeterminadas por el simulador. Figura 2. Geometría usada en la simulación. Se seleccionó un flujo de calor para considerar la perdida que tiene la coraza con el ambiente y variado el parámetro de h, transferencia de calor, la temperatura inicial del fluido también fue una de las variables establecidas para el estudio, y finalmente la velocidad inicial del fluido, en la siguiente tabla se presentan las configuraciones de los parámetros establecidos para el estudio. El mallado usado corresponde a una maya normal. Cuadro 1. Combinaciones usadas para el barrido paramétrico. Corrid a Temperatur a /K Velocidad / m/s 1 2 3 400 350 300 1 0.75 0.5 Coeficiente de transferenci a W/m2K 1875 1375 1950 Los resultados obtenidos por el simulador del barrido paramétrico para la corrida 1, para el perfil de velocidad se presenta en la Figura 3, se puede observar que para este caso el fluido ingresa con una velocidad de 1 m/s y a lo largo que avanza en su recorrido y se expande a través de la coraza su velocidad disminuye lo cual es lo esperado debido a que recorre una mayor área, finalmente a la salida se presenta una contracción donde el fluido es acelerado nuevamente. También es posible observar que al interactuar con las paredes de la coraza presenta puntos donde el fluido va más rápidamente y de esta forma beneficiando la turbulencia que a su vez favorecería la transferencia de calor. De la misma forma se comporta el perfil de velocidad para las siguientes corridas realizadas, en las Figuras 4 y 5 se pueden observar los resultados obtenidos. Figura 3. Perfil de velocidad para la corrida 1. Figura 4. Perfil de velocidad para la corrida 2. Figura 5. Perfil de velocidad para la corrida 2. El perfil de presión se presenta en la figura 6, para este caso cada corrida presenta la misma tendencia donde pierde presión al avanzar en su recorrido por el equipo, las caídas de presión en los equipos de intercambio de calor corresponden a lo que sucede en los equipos donde para equipos de intercambio es usual considerar caídas de presión de 35 kPa aproximadamente. Figura 8. Caídas de presión corrida 3. Figura 6. Caídas de presión para la corrida 1. Para los perfiles de temperatura obtenido se estableció un flujo saliente convectivo con el ambiente para considerar las perdidas de calor con este. En los resultados se puede observar en la Figuras 9, 10 y 11, que las perdidas de calor para la corrida 1 que corresponde a la temperatura de entrada mas alta, velocidad y coeficiente de transferencia relativamente alto, se tiene que se pierden aproximadamente 5 grados al llegar a la salida del intercambiador, mientras que en las esquinas del intercambiador se tienen temperaturas mas bajas, comportamiento que es de esperarse ya que las mamparas pueden generar pequeñas zonas de estancamiento del fluido donde es probable que este pierda calor con el ambiente. Figura 7. Caídas de presión corrida 2. Figura 9. Perfil de temperatura corrida 1. Para la Figura la Figura 10 que corresponde al perfil de temperatura de la corrida 3, se puede observar que las perdidas de calor que presenta el intercambiador ni llega a un grado, esto debido a que la temperatura se encuentra muy cercana a la temperatura del ambiente que corresponde a 298 K, a pesar de que posee un coeficiente h alto, sin embargo su velocidad en esta corrida también presenta un valor bajo, lo que podría no favorecer la turbulencia. Figura 10. Perfil de temperatura corrida 3. Para la corrida 2 que se observa en la Figura 11 se tiene una perdida de 3 grados Kelvin en la temperatura lo que corresponde a una perdida significativa en comparación a la corrida 3, esto debido a que el fluido ingresa al intercambiador más rápidamente, además con una temperatura inicial mayor, lo que favorece la fuerza motriz de esta transferencia que el delta de temperaturas entre el ambiente y el fluido. Figura 11. Perfil de temperatura corrida 2.
