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TANQUES CON SERPENTINES DE CALENTAMIENTO

EL INTERCAMBIADOR DE CALOR ES uno de los equipos industriales mas frecuentes. Practicamente no existe industria en la que no se encuentre un intercambiador de calor, debido a que la operación de calentamiento es inherente a todo proceso que maneja energia en cualquier de sus formas.

El diseño térmico de serpentines para tanques, incluye la determinación del área de transmisión de calor requerido para mantener el contenido del tanque a una temperatura constante o para aumentar o disminuir de su contenido; de acuerdo con una magnitud específica, en un tiempo determinado. Se fabrican tanques con serpentines de tuberías, donde, se construyen doblando longitudes variadas de tubería de cobre, acero o aleaciones; para darle forma de hélice, o serpentines helicoidales dobles, en los que la entrada y salida están convenientemente localizados a lado y lado. Los serpentines se usan desde la antigüedad en la destilación de bebidas alcohólicas, aunque en la actualidad cualquier proceso de refinado de crudos u obtención de un producto químico puede utilizar un serpentín, bien para enfriar, bien para calentar líquidos o gases en una

amplia variedad de configuraciones, dependiendo de las aplicaciones y de la geometría del recipiente. Figura 1. Clasificacion de los intercambiadores de calor.

Fuente. www.topintercambiadores.pdf

Serpentines sumergidos: Un intercambiador de serpentín es un simple tubo que se dobla en formas requeridas, estos se sumergen en el fluido a calentar. Se usan normalmente para tanques y pueden operar por convección natural o forzada, debido a su bajo costo y rápida construcción se improvisa fácilmente removibles y transportables se usan mucho para instalaciones provisorias. El rendimiento del intercambiador es bueno y son fáciles de limpiar exteriormente, la limpieza interior generalmente no es problema, ya que la aplicación más frecuente es para calentamiento, generalmente con vapor, este no ensucia, pero si es corrosivo, usualmente se emplea tubería lisa de ¾ a 2 pulgadas. Figura 6. Serpentin sumergido

Fuente. Serpentín de vapor.html. El objetivo de este documento es presentar un modelo de intercambiador de calor de bobina sumergida radial unidimensional (1D) transitoria que tenga en cuenta el efecto que la geometría y las condiciones operativas tienen sobre el rendimiento de la transferencia de calor. Se muestran y discuten los conocimientos adquiridos a través de su uso tanto en un análisis de datos experimentales como en una implementación en el entorno de simulación TRNSYS. Si bien la variación en el coeficiente de convección externa de los intercambiadores de calor de bobina sumergida tiene poco efecto en la fracción solar anual de un sistema de agua caliente solar genérico, la variación en el flujo del lado del colector puede influir en la fracción solar tan grande como ± 5% , en particular el colector bajo El flujo lateral mejora la estratificación dentro de la tienda.

BOBINAS DE VAPOR SUMERGIDAS El uso de bobinas de tanque es particularmente común en aplicaciones marinas donde las cargas de petróleo crudo, aceites comestibles, sebo y melaza se calientan en tanques profundos. Muchos de estos líquidos son difíciles de manejar a temperatura ambiente debido a su viscosidad. Las bobinas calentadas por vapor se utilizan para elevar la temperatura de estos líquidos, reduciendo su viscosidad para que sean más fáciles de bombear. Las bobinas del tanque también se utilizan ampliamente en la galvanoplastia y el tratamiento de metales. La galvanoplastia implica pasar artículos a través de varios tanques de proceso para que los recubrimientos metálicos puedan depositarse sobre sus superficies. Una de las primeras etapas de este proceso se conoce como decapado, donde los materiales como el acero y el cobre se tratan sumergiéndolos en tanques de solución ácida o cáustica para eliminar cualquier escama u óxido (por ejemplo, óxido) que pueda haberse formado.

Serpentines con tubos lisos: Son los más abundantes. La causa de su generalización es su mayor flexibilidad.

Otra forma de aumentar el área de superficie de una bobina sumergida es usar un tubo liso con un diámetro más grande y sin aletas. Un ejemplo se muestra en la Figura 38-2. Un número creciente de este tipo de tanques emergió en el mercado en los últimos años, incluyendo una variedad de versiones de acero inoxidable de alta calidad. Por ejemplo, HTP , Caleffi , Viessmann , Stiebel Eltron y Heat-Flo proporcionan tanques de bobina lisa. Estos tanques son muy prometedores en cuanto a longevidad y rendimiento térmico. A medida que la tubería de mayor diámetro se calienta y se enfría durante su rutina diaria, la superficie metálica se expande y se contrae. La superficie lisa tiende a desprenderse de los depósitos minerales, que en realidad pueden desprenderse de la tubería. Por lo tanto, es más probable que el tubo liso sea "autolimpiante" que el tubo de aleta durante el ciclo térmico. Sin embargo, incluso cuando se recubren con minerales, las superficies grandes y lisas continuarán proporcionando calor al agua circundante.

Otra versión de esto se puede ver en la Figura 38-3, donde un tanque de agua de acero inoxidable está contenido dentro de un segundo tanque. La superficie del tanque de agua interno se convierte en el intercambiador de calor de tubo simple de pared lisa. El tanque de agua está esencialmente sumergido en un baño de fluido hidrónico caliente. Si se acumulan minerales, se encuentra en toda la superficie interior del tanque de agua. Nuevamente, esto no detendrá la producción de agua caliente en el tanque. Hemos instalado un número creciente de tanques como los que se ven en las Figuras 38-2 y 38-3 en los últimos años y han cumplido nuestras expectativas hasta el momento.

Serpentines con tubos aleteados: equivale entre 4 hasta 8 tubos lisos, permitiendo reducir el numero de tubos requeridos, pero, sí logra incrementar la transferencia de calor

Cuando la mayoría de las personas piensa en un intercambiador de calor, comúnmente piensan en tubos con aletas. Las bobinas de aletas son bien conocidas ya que han estado en uso dentro de tanques de brazo lateral de caldera durante muchas décadas (también conocido como calentadores de agua indirectos de caldera). Las aletas se agregan a los tubos de pequeño diámetro para aumentar su área de superficie exterior. La transferencia de calor de un tubo sumergido es impulsada únicamente por la convección natural del agua que rodea el serpentín. La adición de aletas permite que más líquido haga contacto con el tubo, lo que aumenta la cantidad de convección en un momento dado. Los tubos de las aletas están enrollados y doblados en una forma compacta que se ajusta a través de un agujero de acceso pequeño. La Figura 38-1 muestra dos ejemplos de tanques de aletas y tubos que se han utilizado con éxito en instalaciones de calefacción solar en el pasado. Los ejemplos de Amtrol a la izquierda son tanques de brazo lateral de caldera que han hecho una transición fácil al mundo SDHW. El ejemplo de Vaughn a la derecha permite retirar las bobinas a través del lado del tanque, en lugar de la parte superior e inferior, algo más fácil. Cuando se expone al agua dura, los depósitos minerales se acumularán en y entre las aletas. Si bien las aletas pueden quedar completamente cubiertas por minerales, la transferencia de calor se reducirá considerablemente, pero el sistema seguirá produciendo agua caliente, ya que los tubos de las aletas calientan el recubrimiento mineral por conducción, que a su vez calienta el agua que lo rodea. En muchos casos encontrados en el campo, el mantenimiento se ha pasado por alto durante una década o más con una importante acumulación de minerales. Sin embargo, es posible retirar las bobinas y sumergirlas en una solución de limpieza para eliminar los depósitos minerales. Este procedimiento puede ser menos frecuente y menos costoso que reparar o reemplazar la

tubería obstruida y la bomba defectuosa desde un intercambiador de calor SDHW externo. Serpentines de tubos aletedos: Se usan porque las aletas aumentan el intercambio de calor alrededor de 10 a 15 veces por unidad de longitud, las aletas se fabrican de una gran variedad de diseños y formas geométricas. Se emplean para fluidos con características pobres para transmisión de calor, al objeto de proporcionar una mayor superficie para la misma configuración, a un costo reducido, o cuando debe minimizarse el fenómeno de ensuciamiento. Los tubos aleteados no se emplean cuando la cobertura del fondo es importante. Los calentadores de tanques tipo tubo con aletas consisten en un haz de tubos fabricado de manera compacta, que pueden introducirse en el interior del tanque atreves de un agujero. Normalmente se colocan de forma vertical con aletas longitudinales, para dar lugar a corrientes de convección adecuadas. El tubo aleteado se emplea a menudo para materiales muy sensibles al calor debido a una menor temperatura superficial para el mismo medio de calentamiento, lo que resulta en una menor tendencia al ensuciamiento.

Figura 7. Serpentin de tubos aletados.

Fuente. Fabricación de serpentines.com MATERIALES El material de la aleta puede ser lámina de grafito, aluminio, acero y cobre. Los tubos de intercambio de calor con aletas interior y exterior. Se ha comprobado que mejora el rendimiento de LHTES. durante la solidificación

(Color en línea) Diagrama esquemático del cambio de fase de bobina helicoidal acumulador de calor

Rejilla del acumulador de calor de bobina helicoidal utilizado para las simulaciones.

Los intercambiadores de calor de bobina son simples y fáciles de fabricar. Aquí, consideramos una bobina de cobre enrollada axialmente que lleva agua caliente que calienta el aire dentro de un conducto circular. Dado que la geometría es casi invariante con respecto a la línea central, el modelo se resuelve en el plano axisimétrico 2D. Se agregan expresiones adicionales para calcular la caída de temperatura entre los giros de la bobina, lo que simplifica enormemente el modelado.

Intercambiadores de calor de serpentín En general, los serpentines de calentamiento se sitúan en la zona baja del tanque; lo contrario de los de enfriamiento que se sitúan en la parte superior del tanque. Los serpentines son unidades de transferencia hechas de tubo liso o aleteado por los que circula un fluido en el interior de los tubos y otro se ubica dentro de un área confinada, estos equipos pueden verse comúnmente en ollas de calentamiento, contenedores de agua helada, calentadores de aire, enfriadores de aire, chaquetas de autoclaves, se utilizan también cuando se tiene interés en detectar fugas en formas más sencillas. La configuración de los serpentines es muy variada, hay de varios tipos y para varios usos; aunque el principio establece que la unidad debe tener una longitud definida y el fluido entra y sale por el mismo tubo. Primero debemos entender cuáles son las diferencias entre el flujo contrario y el flujo paralelo. Como una breve descripción; el término se refiere a la relación entre las direcciones de flujo de los fluidos calientes y fríos. Con el flujo paralelo, los fluidos viajan a través del intercambiador de calor en la misma dirección en la que, como una instalación a contracorriente, los fluidos fluyen uno contra el otro en direcciones opuestas.

Intercambiador de calor a contracorriente

El diagrama de arriba muestra un intercambiador de calor de carcasa y tubos . En la configuración de contraflujo, los fluidos viajan a lo largo del intercambiador de calor en direcciones opuestas. En el diagrama de arriba, el fluido frío, resaltado en azul, se desplaza de derecha a izquierda, mientras que el fluido caliente, que se muestra en rojo y ámbar, se desplaza de izquierda a derecha. Esto distribuye el calor de manera más uniforme a través del intercambiador de calor y permite la máxima eficiencia. En teoría, el fluido frío puede salir del intercambiador de calor a una temperatura más alta que la temperatura de salida del fluido caliente, aunque en realidad esto es muy difícil de lograr.

El material que tiende a solidificar al enfriarse puede cubrir uniformemente el fondo o la zona de agitación, por lo que se recomienda un espacio máximo de 0.6 m entre recodos de 50.8 mm y tuberías grandes, así como su situación próxima a las paredes del tanque. Para tuberías más pequeñas o para medios de calentamiento de baja temperatura, debería utilizarse un espaciado menor.

TIPOS  Serpentines tubulares Son tubos para transferencia de calor que se sumergen en tanques que son bastantes grandes en comparación al tamaño del serpentín. Al igual que los serpentines estampados, los tubulares pueden ser drenados por gravedad o por sifón, dependiendo de las condiciones que existan donde sean instalados. A diferencia de los serpentines estampados, la mayoría de los serpentines tubulares se instalan en recipientes cerrados. Figura 2. Serpentín tubular.

Fuente. www.Intercambiadoresdecalor.html

 Serpentines helicoidales y en espiral Consiste en un grupo de serpentines concéntricos arrollados en espiral, por lo general sumergidos en un tanque o una coraza en los que precisa de grandes áreas para un

rápido calentamiento. Se emplean tubos con aletas para incrementar la superficie de transferencia de calor. Serpentines helicoidales: Usados principalmente en tanques de proceso y recipientes a presión, en los que se precisa de grandes áreas para un rápido calentamiento. Los serpentines helicoidales de cualquier tipo se instalan frecuentemente en recipientes cilíndricos verticales, ya sea con agitador o sin él y siempre se provee de un espacio entre el serpentín y la pared del recipiente para circulación. Figura 3: Serpentín Helicoidales

Fuente. www.thermoequipos.com.ve

Los intercambiadores de calor de bobina helicoidal consisten en un diámetro largo y pequeño Tubos enrollados o doblados en hélice. El intercambiador de calor helicoidal es Un excelente intercambiador de calor debido a su forma compacta y alta. eficiencia de transferencia de calor. El intercambiador de calor de bobina helicoidal es Diferente a los intercambiadores de calor en espiral o en espiral. Las investigaciones experimentales han demostrado que el flujo Los patrones en tubos curvos son significativamente diferentes que en tubos rectos Dean fue la primera persona en estudiar el flujo. Patrones en tubos curvos utilizando el sistema de coordenadas toroidales. El flujo secundario que se divide a lo largo del diámetro de tubo para constituir dos juegos de vórtices recirculantes distintos fue establecido . Varios estudios han indicado que Los tubos helicoidales son superiores a los tubos rectos cuando Empleado en aplicaciones de transferencia de calor. La fuerza centrifuga Debido a la curvatura de los resultados del tubo en el flujo secundario Desarrollo que mejora la tasa de transferencia de calor.

El rango de Re considerado para el análisis es Alrededor de 100 a 6000 y el análisis se lleva a cabo para laminar. y región turbulenta por separado para la transferencia de calor del lado del tubo coeficiente (hi) y nu. Cuatro correlaciones diferentes de Nu son Seleccionado de la literatura para el análisis modificado por M.R. Salimpour, Kalb y otros, Roger y otros y Xin y otros. El analisis También muestra que, como diámetro del tubo con diámetro constante de la bobina. (D), la relación de curvatura (δ) aumenta, lo que aumenta la Intensidad de la secundaria desarrollada en el flujo de fluidos. El aumento En la intensidad de los secundarios desarrollados en el flujo de fluidos. CARACTERISTICAS 3.1. Características de diseño del intercambiador de calor de bobina helicoidal El intercambiador de calor está diseñado para valores máximos de los caudales en el lado del tubo y de la carcasa respectivamente y una transferencia de calor máxima de 41 kW th . Durante el procedimiento de diseño, la diferencia de temperatura del punto de compresión se fijó en 10 K Los parámetros de entrada, que también se utilizan durante el diseño del intercambiador de calor de bobina helicoidal, son [ 31 ]: La bobina de longitud L de bobina , necesaria para hacer N bobinas de bobina

: Lbobina= Nbobina( π do)2+ p2picar----------√ -

El volumen ocupado por la bobina: Vdo= π4reo2Lbobina El volumen del lado de la cáscara (anillo): Vuna= π4( D2o _ en- D2yo _ fuera) ppicarnortebobina El volumen disponible para el flujo de fluido en el anillo: VF= Vuna- Vdo El diámetro equivalente del lado de la carcasa del tubo enrollado: Dmi= 4 VF/ π doLbobina 3.2. Metodología para diseñar el intercambiador de calor Un método ampliamente utilizado para calcular la capacidad de transferencia de calor UA y eventualmente dimensionar el intercambiador de calor es el método logarítmico de diferencia de temperatura LMTD, aplicado entre la entrada y la

salida del intercambiador de calor por Cayer et al. [ 32 ], Roy et al. [ 33 ], y Claesson [ 34 ] y dados por la Ecuación (1):

Q = u× A × Δ TIniciar sesión= U× A × Δ T1- Δ T2ln ( Δ T1Δ T2)

DISEÑO HELICOIDAL

El intercambiador de calor de bobina que consideraremos se muestra en la siguiente figura.

Una bobina de cobre lleva agua caliente a través de un conducto que lleva aire frío. El tubo de cobre se enrolla helicoidalmente para que pueda insertarse a lo largo del eje de un conducto de aire circular. El aire frío se está moviendo a través del conducto y el agua caliente se bombea a través de la tubería. El patrón de flujo de aire y la temperatura de las tuberías de aire y cobre se calcularán utilizando la interfaz de transferencia de calor conjugada . Debido a que la geometría es casi asimétrica al eje, podemos simplificar nuestro modelado suponiendo que la geometría y el flujo de aire son completamente asimétricos. Por lo tanto, podemos utilizar la interfaz de Transferencia de Calor

Conjugada axisimétrica 2D . Dado que la velocidad del aire es alta, se utiliza un modelo de flujo turbulento ; En este caso, es el modelo k-epsilon. Podemos asumir que el agua que fluye dentro de la tubería es un flujo completamente desarrollado. También podemos suponer que la variación de la temperatura del agua es lo suficientemente pequeña para que la densidad no cambie, por lo tanto, la velocidad promedio será constante. Por lo tanto, no necesitamos modelar el flujo de agua en absoluto, sino que podemos modelar la transferencia de calor entre el fluido y las paredes de la tubería a través de una correlación de transferencia de calor por convección forzada. La condición límite del flujo de calor por convección utiliza una correlación de número de Nusselt para la convección interna forzada para calcular la transferencia de calor entre el agua y los tubos de cobre. Esta condición de límite se aplica en todos los límites internos de la tubería de cobre. Como entradas, toma las dimensiones de la tubería, el tipo de fluido, la velocidad del fluido y la temperatura del fluido. Con la excepción de la temperatura del fluido, todas estas cantidades permanecen constantes entre las vueltas de la tubería.

3. Derivación del modelo en modo conmutado.

En esta sección, derivamos un modelo orientado al control para un tanque de almacenamiento de energía térmica sensible cilíndrica con un helicoidal intercambiador de calor de bobina sumergida. Primero, describimos el tanque de almacenamiento. En consideración y sus modos de operación. Entonces derivamos un modelo dinámico para el tanque de almacenamiento en sí, seguido de una aproximación cuasi consistente de la dinámica de la bobina IHX. Nosotros entonces Presentar dos casos de estudio simulados. El primer estudio de caso ilustra La capacidad del modelo para replicar la dinámica que actúa en los diferentes modos de operación del sistema. El segundo estudio de caso demuestra cómo se puede usar el modelo para diseñar un modelo basado en controlador de retroalimentación para satisfacer la demanda de carga durante los modos que implican descarga 3.1.3.1. Modos de operación del tanque de almacenamiento.

DISEÑO Esquema del acumulador de energía térmica cilíndrica con se muestra un IHX en Fluido que transporta calor residual, de aquí en adelante se llamará residuo. fluido térmico, a una temperatura Diez entra en una bobina IHX situada en el Parte inferior del tanque. El fluido de calor residual se bombea verticalmente a través de la bobina hasta que sale del tanque en Tex. El calor se transfiere desde el fluido de calor residual que fluye a través de la bobina a la Líquido más frío en el tanque. Definimos tres modos diferentes de operación para el sistema.

1.-Carga: el modo de adición de calor, o el modo durante el cual El fluido de calor residual se bombea a través de la bobina para calentar El fluido más frío en el tanque. La ubicación de la termoclina es estática. y se encuentra a la altura donde el fluido de calor residual caliente entra en el tanque. 2. Descarga: el modo de rechazo de calor, o el modo durante el cual El fluido caliente se bombea fuera del tanque y se reemplaza con fluido frío. El fluido caliente se retira del tanque a un caudal m_ t que Actúa como una perturbación en el sistema. Además, el fluido en el el tanque se repone a un caudal de m_cw que ingresa en la parte inferior del tanque. Durante este modo, la termoclina se mueve verticalmente a través del tanque. 3.- Carga / descarga simultánea: el calor es absorbido por el tanque del IHX y retirado del tanque a través de la descarga fluir. Durante este modo, la termoclina se mueve verticalmente. a través del tanque.

3.2. Modelo multinodo de tanque sensible TES Para modelar la dinámica de la temperatura del fluido dentro del tanque de almacenamiento, utilizamos un modelo multinodo similar al utilizado en [20,10].

El tanque está discretizado verticalmente en n nodos, con el nodo superior Definido como nodo uno. Esquema de un volumen de control discretizado. se muestra en la Fig. 4. Dentro de cada nodo discretizado, hacemos una suposición de parámetros concentrados con respecto a la temperatura, Densidad y calor específico del fluido contenido dentro del nodo. En otras palabras, la densidad y el calor específico pueden variar. entre nodos en función de la temperatura del nodo, pero son tratados

Las bobinas del tanque generalmente no se usan para el calentamiento o enfriamiento continuo de una corriente que fluye, pero generalmente se aplican en el calentamiento o enfriamiento de un líquido contenido en un tanque en forma de lotes. El flujo de calor dentro o fuera del líquido implica una transferencia de calor inestable o transitoria. Los medios de calentamiento y enfriamiento pueden fluir a través de una bobina sumergida en el líquido como se muestra en la Figura 1

Figura 1. Recipiente con bobina interna.

Las bobinas internas pueden ser bobinas helicoidales completas, o una serie de bobinas de anillo de menor tamaño, más pequeñas. Figura 2a y b .

Figura 2. 341/5000

Una bobina helicoidal completa es el diseño más habitual, que permite la instalación de la superficie máxima, pero requiere un recipiente de dos piezas con una brida principal relativamente costosa. Las bobinas de anillo más pequeñas pueden diseñarse para insertarse a través de ramas grandes en el extremo superior del recipiente superior, pero pueden dejar regiones inactivas y sin mezcla dentro de su circunferencia.

Los impulsores helicoidales de cinta pueden usarse en ciertas aplicaciones donde el costo puede estar justificado. La agitación en la pared se logra mediante el espacio libre entre la cuchilla y la superficie de la pared. El diseño helicoidal también imparte turbulencia dentro del núcleo de líquido. La disposición de un mezclador de cinta helicoidal se muestra en la Figura 5 .

Figura 5. Rodete helicoidal de cinta.

Serpentines Espiral: Es un espiral enrollado en un plano de manera que se puede localizar cerca del fondo de un recipiente para transferir calor por convección libre. La manufactura de los serpentines particularmente con diámetros superiores a una pulgada, requiere técnicas especiales para evitar que el tubo se colapse dando secciones elípticas, ya que esto reduce el área de flujo.

Figura 4. Intercambiadores de calor tipo serpentín.

Fuente. www.thermoequipos.com.ve

Dibujo esquemático de un intercambiador de calor en espiral.

Una modificación del flujo perpendicular del HCHE típico implica el reemplazo de la carcasa por otro tubo enrollado, lo que permite que los dos fluidos fluyan paralelos entre sí, y que requiere el uso de diferentes cálculos de diseño. Estos son los intercambiadores de calor en espiral (SHE), que pueden referirse a una configuración de tubo helicoidal (en espiral); más generalmente, el término se refiere a un par de superficies planas que se enrollan para formar los dos canales en un contraflujo arreglo. Cada uno de los dos canales tiene un largo camino curvo. Un par de puertos de fluido están conectados tangencialmente a los brazos exteriores de la espiral, y los puertos axiales son comunes, pero opcionales. La principal ventaja de SHE es su uso altamente eficiente del espacio. Este atributo a menudo se aprovecha y se reasigna parcialmente para obtener otras mejoras en el rendimiento, de acuerdo con las ventajas y desventajas conocidas en el diseño del intercambiador de calor. (Una compensación notable es el costo de capital frente al costo de operación). Se puede usar un SHE compacto para tener una huella más pequeña y, por lo tanto, costos de capital generales más bajos, o un SHE de gran tamaño se puede usar para tener menos caída de presión , menos energía debombeo , mayor Eficiencia térmica , y menores costos de energía. [25]

[26]

 Serpentines de tipo horquilla: Se fabrican en el lugar de utilización del mismo. Son comunes en tanques verticales cilíndricos, esto significa añadir un anillo circundante de abrazadera a una distancia de separación de la pared del tanque como se indica en la figura. Éste tipo son comunes en tanques verticales cilíndricos, esto significa añadir un anillo circundante de abrazadera a 152 mm de la pared del tanque.

Figura 5. Intercambiador de calor de tipo horquilla.

Fuente. Clasificación de intercambiadores.

Disposiciones de los serpentines en recipientes. Dependiendo de la configuración y ubicación del tanque se los puede encontrar en varias disposiciones. Los serpentines deberían situarse sobre el fondo, a una elevación de no más de 50.8 a 152 mm dependiendo de la dificultad de reblandecimiento de los sólidos, para permitir el movimiento del producto dentro del recipiente. La entrada del serpentín debería colocarse por encima del nivel de líquido, de modo que sea posible proporcionar un camino para la expansión del líquido o de la salida para vapores. Materiales de serpentines Nombre que reciben los intercambiadores de calor de superficie extendida para calentar o enfriar algún fluido, por lo general se utilizan en: refrigeración, aire acondicionado, secado con vapor de algún producto, unidades manejadoras de agua, en este el intercambio de calor se da por la diferencia de temperaturas entre los fluidos, se fabrican en varios materiales según su aplicación; como son: cobre-aluminio, aluminio-aluminio, cobre-cobre, cobre-inoxidable, inoxidable-inoxidable, acero al carbón-aluminio, acero al carbón-acero al carbón, entre otros. El material debe poseer una rugosidad relativa baja para tienen bajo factor de fricción dando como resultado un mínimo Dependiendo sobre los valores de rugosidad relativa de la tabla de Moody, Se pueden utilizar materiales como cobre, acero dulce, acero inoxidable y otros. La fuerza centrífuga debida a la curvatura del tubo da como resultado un desarrollo de flujo secundario que mejora la velocidad de transferencia de calor.

Transferencia de calor por convección natural La convección natural, o libre, se observa como resultado del movimiento del fluido debido a los cambios de la densidad que resultan del proceso de calentamiento. El movimiento del fluido, ya sea un gas o un líquido, resulta de las fuerzas de flotabilidad impuestas sobre el fluido cuando su densidad en la proximidad de la superficie de transferencia de calor disminuye como consecuencia del proceso de calentamiento. Las fuerzas de flotabilidad que originan las corrientes de convección natural son fuerzas de volumen. A través de los años se ha encontrado que los coeficientes medios de transferencia de calor por convección natural pueden presentarse, para diversas situaciones, en la forma funcional siguiente: N

Nu = C (Gr.Pr) f f f

Donde el subíndice f indica que las propiedades en los grupos adimensionales se evalúan a la temperatura de película.

Tf =

Tw2+Ta 2

Según ASHRAE recomienda para placas y tuberías tanto horizontales como verticales:

Cuando Gr.Pr se encuentran dentro de los rangos:

Rango laminar (Gr.Pr) entre 104 y 108 Nu = 0.56 (Gr.Pr)0.2

Rango turbulento (Gr.Pr) entre 108 y 1012 Nu = 0.13 (Gr.Pr)0.33

Donde: Nu: Número de Nusselt. [Adimensional] Pr: Número de Prandtl. [Adimensional] Re: Número de Reynolds. [Adimensional] Gr: Número de Grashof [Adimensional]

Numero de NUSSELT: Mide el aumento de la transmisión de calor desde una superficie por la que un fluido discurre. Nu = 1 para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura. El número de Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural.

Numero de PRANDTL: Es un número adimensional proporcional al cociente entre la difusividad de momento (viscosidad) y la difusividad térmica. Los metales líquidos poseen números de Prandtl muy bajos, los gases presenta la particularidad de tener un número de Prandtl en torno a 0.70, el agua tiene un valor intermedio, y finalmente los valores mayores del número de Prandtl lo presentan los fluidos viscosos.

Numero de REYNOLDS: Es la relación entre los términos convectivos y los términos viscosos de las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos. Permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos. Así por ejemplo en conductos si el número de Reynolds es menor de 2000 el flujo será laminar y si es mayor de 4000 el flujo será turbulento.

Numero de GRASHOF: Representa la relación que existe entre las fuerzas de empuje y las fuerzas viscosas que actúan sobre el fluido. Es un indicativo del régimen de flujo en convección natural, equivalente al número de Reynolds en convección forzada.

SERPENTINES DE CALENTAMIENTO

Características: • Bajo GPM. • Drenable en el encabezado. • Alimentación por sonda alternativa. • Agua caliente. Fila 1: Ancho Aletado es 6, 9, 12, 18, 24, 30, 33 pulg. Fila 2: Ancho Aletado es 12, 18, 24, 30, 33 pulg. Longitud Aletada: 12 – 168 pulg. Aletas por pie: • Aluminio: 80 -168. • Cobre: 96 -168. Material de tubo: • Cobre (5/8 pulg OD.): 0.020, 0.024, 0.035 pulg. • Latón rojo: 0.049 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: 200 psi. • Temperatura: 325 °F (fila 1) y 220 °F (fila 2).

Características:

• • • • Fila 1: •

Una fila. Drenable en el encabezado. Conexión del mismo extremo. Agua caliente.

Ancho Aletado de HDR de hierro fundido: 12, 18, 24, 30, 33 pulg. • Ancho Aletado de HDR de cobre: 36, 42, 48 pulg. Longitud Aletada: 12 – 168 pulg. Aletas por pie: • Aluminio: 80 -168. • Cobre: 96 -168. Material de tubo: • Cobre (5/8 pulg OD.): 0.020, 0.024, 0.035 pulg. • Latón rojo: 0.049 pulg. (solo en el hierro HDR fundido). Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: 200 psi. • Temperatura: 250 °F.

Características: • Propósito general. • Drenable en el encabezado. • Serpentina de fila completa. • Agua caliente. Fila 1: Ancho Aletado es 6, 9, 12, 18 pulg. Fila 2: • Ancho Aletado de HDR de hierro fundido: 12, 18, 24, 30, 33 pulg. • Ancho Aletado de HDR de cobre: 36, 42, 48, 54 pulg. Longitud Aletada: 12 – 168 pulg. Aletas por pie: • Aluminio: 80 -168. • Cobre: 96 -168. Material de tubo: • Cobre (5/8 pulg OD.): 0.020, 0.024, 0.035 pulg. • Latón rojo: 0.049 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: 200 psi. • Temperatura: Cobre: 325 °F (fila 1) y 220 °F (fila 2). Latón rojo: 388 °F (fila 1) y 220 °F (fila 2). Características:

• Bajo GPM. • Bobina de conducto común. • Alimentación de dos tubos. • Agua caliente. Fila 1: Ancho Aletado es 12, 18, 24, 30 pulg. Fila 2: Ancho Aletado es 9, 12, 18, 24, 30, 33 pulg. Longitud Aletada: 12 – 168 pulg. Aletas por pie: • Aluminio: 80 -168. • Cobre: 96 -168. Material de tubo: • Cobre (5/8 pulg OD.): 0.020, 0.024, 0.035 pulg. • Latón rojo: 0.049 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: Cobre: 225 psi. 0.035 pulg: 275 psi. Latón rojo: 350 psi. • Temperatura: Cobre: 250 °F. 0.035 pulg: 350 °F. Latón rojo: 400 °F. Características: • GPM baja o presiones de vapor moderadas. • T tiene una carcasa estándar. • ST tiene una carcasa de brida deslizante para un ajuste rápido. • Agua caliente o vapor. Fila 1 y 2: Ancho Aletado es 6, 9, 12, 15, 18 pulg. Longitud Aletada: • T: 6 - 72 pulg. • ST: 6 - 42 pulg. Aletas por pie: • Aluminio: 80, 110, 150. • Cobre: 96, 110, 114. Material de tubo: • Cobre (5/8 pulg OD.): 0.020, 0.024, 0.035 pulg. • Latón rojo: 0.049 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: Cobre: agua (200 psi) y vapor (100 psi). 0.035 pulg: agua (275 psi) y vapor (350 psi). Latón rojo: agua (350 psi) y vapor (400 psi). • Temperatura: Cobre: agua (250 °F) y vapor (400 °F). 0.035 pulg: agua (350 °F) y vapor (400 °F). Latón rojo: agua (400 °F) y vapor (450 °F).

Características: • Tipo de vapor sin modular. • Alimentación de fila completa. • Vapor. Fila 1: • Ancho Aletado: 6, 9, 12, 18, 24, 30, 33 pulg. Longitud Aletada: 12 – 120 pulg. Aletas por pie: • Aluminio: 80 -168. • Cobre: 96 -168. Material de tubo: • Cobre (5/8 pulg OD.): 0.020, 0.024, 0.035 pulg. • Latón rojo: 0.049 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: Cobre: 100 psi. Latón rojo: 200 psi. • Temperatura: 400 °F

Características: • Tipo de vapor modulante. • Tubo distribución de vapor. • Alimentación de fila completa. • Conexiones opuestas. • Conexiones del mismo extremo. • Vapor. Fila 1: • Ancho Aletado: 12, 18, 24, 30, 33 pulg. Longitud Aletada: 12 – 144 pulg. Aletas por pie: • Aluminio: 42 -132. • Cobre: 42 -132. Material de tubo: • Cobre (1 pulg OD.): 0.031 pulg. • Latón rojo: 0.049 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: Cobre: 100 psi. Latón rojo: 200 psi. • Temperatura: 400 °F

Características: • Refrigerante. • 1 – 100% recuperación de calor. • Circuitos de compresores múltiples. Fila: 1, 2, 3, 4, 6. Ancho Aletado: 12, 18, 24, 30, 33, 36, 42, 48 pulg. 54 pulg. (2 – 6 fila solamente). Longitud Aletada: 24 – 168 pulg. Aletas por pie: • Aluminio: 80 – 168. Material de tubo: • Cobre (5/8 pulg OD.): 0.020 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: 300 psi.

Características: • Propósito general. • Serpentina de fila completa. • Agua caliente. Fila 2 Ancho Aletado: 12, 18, 24, 30, 33, 36, 42, 48, 54 pulg. Longitud Aletada: 12 – 168 pulg. Aletas por pie: • DELTA – FLO E: 72 - 180. • DELTA – FLO H: 84 – 180. Material de tubo: • Cobre (1/2 pulg OD.): 0.016, 0.025 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: 200 psi. • Temperatura: 220 °F.

Características: • Drenable en el encabezado. • Serpentina de fila completa. • Agua caliente. Fila 2 Ancho Aletado: 12, 18, 24, 30, 33, 36, 42, 48, 54 pulg. Longitud Aletada: 12 – 168 pulg. Aletas por pie: • DELTA – FLO E: 72 - 180. • DELTA – FLO H: 84 – 180. Material de tubo: • Cobre (1/2 pulg OD.): 0.016, 0.025 pulg. Operación – condiciones (lado del tubo): • Presión: 200 psi. Temperatura: 220 °F.

DISEÑO Esta simulación de CFD está inspirada en el trabajo experimental de JS Jayakumar et al. [1]. El aparato físico probado fue un intercambiador de calor de carcasa y tubos utilizado frecuentemente por la industria para transferir energía de un fluido a otro. La geometría de este aparato experimental se muestra en las Figuras 1-2. La Figura 1 detalla la geometría de un tubo pequeño que se enrolla en una disposición circular dentro de una carcasa, la Figura 2. El diámetro interior del tubo de acero inoxidable es de 10 mm con un diámetro de bobina de 300 mm, paso de 30 mm y una pared de tubo Espesor de 2,7 mm. La cáscara está hecha de acero inoxidable y aislada. Hay dos vías de flujo de fluido separadas: una dentro del tubo, la segunda fuera del tubo (dentro de la carcasa). Se utilizó agua como fluido de trabajo en el experimento,

Figura 1 (temperatura de la superficie)

Figura 2 (temperatura de la superficie) La simulación de esta configuración experimental resalta las siguientes capacidades de Azore ® :

Múltiples recorridos de fluidos : Azore puede acomodar muchos tipos diferentes de fluidos, cada uno en recorridos de flujo separados. Para este problema, los fluidos son iguales (agua), pero las vías de los fluidos solo están conectadas entre sí a través de la transferencia de calor. Propiedades dependientes de la temperatura : las propiedades de los fluidos se pueden definir fácilmente como constantes o dependientes de la temperatura, donde la dependencia de la temperatura puede ser lineal o polinomial por partes. Transferencia de calor conjugada : la ruta de calor para este problema implica mover energía del fluido dentro del tubo a través del material de la pared del tubo y luego al fluido dentro de la carcasa. Este proceso es manejado automáticamente por Azore, donde el espesor del tubo y las propiedades del material se incluyen en el proceso de transferencia de calor. Turbulencia : los números de Reynolds presentes en este experimento son lo suficientemente grandes como para que se utilice el modelo estándar de turbulencia Képsilon. Topología de malla : para resolver adecuadamente la física de este problema, es mejor utilizar una topología de malla híbrida compuesta por una malla hexaédrica barrida en el interior del tubo y una malla no estructurada en la cubierta. Azore puede manejar la topología de malla de volumen de control compuesta por celdas tradicionales, como hexahédrica y tetraédrica, así como topologías totalmente poliédricas.

Dimensiones A) Paso del tubo / tubería B) Diámetro de la línea central C) Longitud de la tangente D) Distancia de entrada al centro E) Distancia de salida al centro F) Altura o número de vueltas

PROCEDIMIENTO Determinar los coeficientes de transferencia de calor. Para calcular los coeficientes de transferencia de calor en el serpentín y en el ánulo, deben conocerse los siguientes parámetros: 1.- La longitud del serpentín “L”, necesaria para “N” vueltas 𝐿 = 𝑁√(2𝜋𝑟)2 + 𝜌2 2.- El volumen ocupado por el serpentín, Vc: 𝜋 𝑉𝑐 = ( ) (𝑑0 )2 𝐿 4 3.- Volumen del ánulo, Va: 𝜋 𝑉𝑎 = ( ) (𝐶 2 − 𝐵2 )𝜌𝑁 4 4.- Volumen disponible para el flujo del fluido en el anulo, Vf: 𝑉𝑓 = 𝑉𝑎 − 𝑉𝑐

5.- Diámetro, De: 𝐷𝑒 =

4𝑉𝑓 𝜋𝑑0 𝐿

6.- El coeficiente de transferencia de calor en el Ánulo, ho, puede ser calculado usando una de las siguientes dos ecuaciones: - Para número de Reynolds, NRe, en el rango de 50- 10 000, la siguiente ecuación es recomendada:

ℎ0 𝐷𝑒 0.55 0.31 = 0.6 𝑁𝑅𝑒 𝑁𝑃𝑟 𝐾

- Para número de Reynolds, NRe, por encima de 10 000, debe usarse la siguiente ecuación:

ℎ0 𝐷𝑒 𝜇 0.34 0.55 1/3 = 0.36 𝑁𝑅𝑒 𝑁𝑃𝑟 [ ] 𝐾 𝜇𝑛

7.-El coefciente de transferencia de calor del fluido que fluye dentro del serpentín:

𝐷 ℎ𝑖0 = ℎ𝑖𝑒 ( ) 𝑑𝑒

8.- El coeficiente global de transferencia de calor, U:

1 1 1 𝑥 = + + + 𝑅𝑒 𝑈 ℎ0 ℎ𝑖0 𝑘𝑐

9..- Determinar el área requerida. El área necesaria para la transferencia de calor: 𝐴=

𝑄 𝑈∆𝑡°𝑐

10.- Determinar el número de vueltas del serpentín. Desde A = π do L; y “L” es expresado en términos de N, el número de vueltas necesarias del serpentín puede ser calculado por: 𝑁=

𝐴 𝐿 𝜋𝑑0 ( ) 𝑁

La limpieza de los serpentines Es de suma importancia llevar a cabo una limpieza periódica de los serpentines ya que estos en épocas de calor desempeñan un trabajo riguroso. El serpentín mueve mucho aire y si este se encuentra sucio u obstruye algún objeto del exterior, no podrá realizar su trabajo de forma eficiente y adecuada. Esto no sólo genera que el equipo no trabaje con su total capacidad sino genera un gasto innecesario de energía. Si los serpentines no son limpiados, pueden ocasionar:   

Que el condensador genere mayor gasto de energía. Que se reduzca el enfriamiento del sistema. Que se acorte la vida útil del equipo.

EJEMPLO

En las centrales eléctricas o los motores , los gases de escape a menudo contienen calor que se aleja inútilmente al aire libre. Eso es un desperdicio de energía y algo que un intercambiador de calor puede reducir (aunque no eliminar por completo, siempre se perderá algo de calor). La forma de resolver este problema es con los intercambiadores de calor colocados dentro de los tubos de escape o las chimeneas. A medida que los gases de escape se desplazan hacia arriba, pasan rozando el cobreAletas con agua que fluye a través de ellas. El agua se lleva el calor, de vuelta a la planta. Allí, puede ser reciclado directamente, tal vez calentando los gases fríos que alimentan el motor o el horno, ahorrando la energía que de otro modo se necesitaría para calentarlos. O se podría utilizar para otro buen uso, por ejemplo, para calentar una oficina cerca de la chimenea.

Un intercambiador de calor es un dispositivo que permite que el calor de un fluido (un líquido o un gas) pase a un segundo fluido (otro líquido o gas) sin que los dos fluidos se mezclen o entren en contacto directo . Si eso no está completamente claro, considera esto. En teoría, podríamos obtener el calor de los chorros de gas

simplemente arrojándoles agua fría, ¡pero las llamas se apagarían! El principio esencial de un intercambiador de calor es que transfiere el calor sin transferir el fluido que transporta el calor.

Procedimiento de diseño del intercambiador de calor supercrítico. En este proyecto participó una empresa de pequeñas y medianas empresas (PYME) especializada en la construcción de intercambiadores de calor tubulares [ 30 ]. Se evaluaron dos tipos, bobina helicoidal e intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Sin embargo, debido a varias ventajas, al final se seleccionó un intercambiador de calor de bobina helicoidal. Los intercambiadores de calor de bobina helicoidal se usan ampliamente en varios procesos debido a las ventajas en comparación con otros tipos de intercambiadores de calor (tubulares), como la fácil integración en el sistema, el diseño y la fabricación relativamente simples, el funcionamiento a alta presión, adecuado en condiciones de flujo laminar o bajos caudales en el lado de la carcasa (anular), rentabilidad.