Subido por fabi2624

Barrido parametric

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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.
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