Aplicación de la capa límite laminar

1.- Principios y Fundamentos científico técnicos  de  la tecnología hiTRAN

La instalación de dispositivos en el interior de los tubos en intercambiadores de calor se han convertido en una práctica muy común cuando por el interior de los tubos circulan fluidos de moderada y alta viscosidad. El dispositivo hiTRAN ,sistema térmico consistente en una matriz o enjambre de "inserts" metálicos dispuesto en el interior de los tubos lleva mejorando la eficacia de manera notoria de los intercambiadores de calor, condensadores , evaporadores y reactores más de 25 años de forma económica y fiable apoyado en resultados científicos contrastables. El uso de dispositivos inserts en el interior de tubos modifica la fluido dinámica en el interior de los mismos aprovechando dicho cambio para aumentar la transferencia de calor de manera importante.

Principios: Las condiciones fluido-dinámicas a través de tubos planos no son las adecuadas para la transferencia de calor en las distintas situaciones, calentamiento o enfriamiento. La existencia de una capa límite térmica y de velocidades , (Perfil radial de temperaturas y velocidades a través del tubo) producida fundamentalmente debido a las fuerzas viscosas en el seno del fluido que no permiten la transferencia de calor de forma radial, lo cual empeora la eficacia a nivel global disminuyendo el coeficiente de transferencia del equipo. La mayor resistencia a la transferencia de calor se encuentra en la pared ya que existe un film de fluido estático que ofrece gran resistencia a la transferencia de calor con las capas de fluido superiores.

Experimentos realizados con trazador en régimen laminar ilustra claramente de forma visible el comportamiento hidrodinámico del fluido antes y después de alcanzar la región donde los "inserts" están instalados. Puede observarse que si se inyecta el trazador junto a la pared,en régimen laminar, este trazador discurre a lo largo de la pared sin mezclarse con las capas radiales superiores pero cuando el fluido se encuentra con el "insert" inmediatamente esta capa límite generada se rompe y el trazador que discurre a través de la pared se mezcla con el fluido del centro lo cual conlleva una mejora de mezclado entre las capas, y un importante aumento en la transferencia de calor. Este es el principio fundamental de la tecnología hiTRAN.

Fig 1.- Rotura de la capa límite laminar producida por el uso de "inserts" en el interior de los tubos.

Usando las mediciones de PIV, (Velocímetro de imagen de partículas), se comprueba empíricamente el impacto creado por hiTRAN en la hidrodinámica del fluido de manera mas detallada. Pequeñas partículas de aluminio usadas como trazador son introducidas en la corriente del fluido para poder visualizar el perfil radial de velocidades mediante el seguimiento de su movimiento utilizando un dispositivo laser. La figura 2 muestra los resultados obtenidos para el caso de estudio Re=500 en tubos planos. Tal como se indica en la escala de colores, velocidades altas de fluido son mostradas en líneas de color rojo , por otro lado los vectores azules muestran bajas velocidades del fluido. En el caso de tubos planos, sin inserts la más alta velocidad del fluido se concentra en el centro del fluido y que las velocidades más bajas del fluido se concentran a través de la pared. Si se realiza las mismas mediciones justo después de atravesar los inserts, (3 mm después de atravesarlos), la velocidad del fluido en el centro es baja, debido a que existe cierta reversión en esta línea de fluido causada por el cordón central del insert que sustenta los anillos del mismo y que hace aminorar la velocidad del mismo en esta región.

Fig 2.- Mediciones realizadas en tubos planos y realizadas 3 mm después de atraversar los inserts.

Al atravesar el fluido los inserts la velocidad más alta se presenta cerca de la pared y además puede observarse que la dirección del fluido tiene tendencia parcial a apuntar hacia la zona central. Esto ocurre porque se ha producido la rotura de la capa límite y existe una región de mezclado inducida a lo largo de toda la posición radial del tubo lo cual hace mejorar los siguientes aspectos: - Aumento de las fuerzas cortantes en la pared.(Rotura del film de resistencia térmica). - Tiempos de residencia más cortos para el liquido en la pared

Ambos aspectos mejoran la transferencia de calor y la reducción de la deposición de suciedad en la pared, por tanto al inducir un cambio en la hidrodinámica del fluido por la instalación de inserts el coeficiente de transferencia de calor es mucho más alto que en tubos planos sin inserts.

Fig. 3.- Coeficiente de transferencia de calor y pérdida de carga de presión versus Reynolds

En la figura 3 se encuentra representado el llamado hj (j-factor de transferencia de calor) frente al Re. Para el caso de tubos planos se han representado la correlación de Sieder-Tate para la región laminar y la de Dittus-Boelter para la región turbulenta en trazo grueso.

El área de la región sombreada delimitada por las líneas discontinuas corresponde a la región de diseño u operación de los inserts. La zona más baja de este área corresponde a inserts con una densidad de empaquetamiento baja, mientras que las zonas más altas refieren a densidades de empaquetamiento altas. El mayor coeficiente de transferencia de calor se logra usando inserts con densidad de empaquetamiento más altas, por tanto las densidades de empaque pueden variarse de un extremo a otro como se desee dentro de la región de diseño o operación de acuerdo con los requerimientos de perdida de carga de presión permitida para cada intercambiador de calor. Para el rango de Reynolds comprendido desde 100 a 2300 el efecto de mejora en el coeficiente de transferencia (j-factor) es más pronunciado comparado con tubos planos sin inserts instalados, ya que aumenta dicho factor de transferencia de calor del orden de 20 veces. Para un número de Reynolds constante la mejora en la transferencia de

calor puede venir acompañada de un incremento en la perdida de carga de presión al instalar los hiTRAN inserts , pero reduciendo el número de pasos en los nuevos diseños de intercambiadores o en situaciones de "revamping" de las unidades existentes, es posible reducir la perdida de carga de presión por debajo incluso de las que se obtendrían con los diseños originales sin inserts.

Todo ésto queda demostrado en el ejemplo de un precalentador de aceite en la fig. 3. El intercambiador de calor de 8 pasos opera para un número Re igual a 1600 causando una perdida de carga de presión equivalente a 1 bar. Para este caso el factor de transferencia de calor equivale a 3.8, se indica en fig. 3 {1} en la figura.

La curva referente a la perdida de carga de presión para el precalentador instalando hiTRAN inserts (cuadrados azules) muestran una igual perdida de carga de presión para el mismo precalentador usando dos pasos en vez de 8, como consecuencia el número de Reynolds cae hasta un valor de 400 el factor de transferencia de calor aumenta desde 5 a 20. Se indica en la fig. 3 {2}.

Si se reduce el número de pasos hasta 1, puede observarse en la fig. 3 {2*} que se alcanza un valor para el factor de transferencia del orden de 350% más alto que si se tuviera el mismo diseño con 8 pasos pero sin los inserts hTRAN instalados en los tubos y puede además verse que se ha reducido la perdida de carga de presión a un quinto de la original para el mismo diseño inicial de 8 pasos.

Los beneficios de la instalación de inserts hiTRAN pueden comprobarse de manera práctica mediante el estudio de un enfriador de aceite ligero en el cual el aceite es enfriado desde 71ºC a 55º C siendo la máxima perdida de carga de presión permisible de 1.4 bar. La tabla 1 compara ambos diseños , tubos planos sin inserts y con la instalación de inserts hiTRAN.

Comparación el diseño UNIT Intercambiador con tubos planos

Intercambiador con hiTRAN instalados

Temperaturas del aceite (in/out)

[°] 71 / 55 71.1 / 55

Temperatura en la pared [°] 46 54 Calor intercambiado [kW] 454 454 Tubos por linea [-] 50 30 Número de líneas [-] 8 6 Número de tubos [-] 400 180 Número de pasos [-] 8 2 Longitud del tubo [m] 10.7 6.5

Longitud del trayecto del fluido

[m] 85.6 13

Número de Reynolds [-] 1057 580 U (Coef. Glob. Transf de calor)

[W/m²K] 4.59 20.3

Transferencia en la zona de tubos

[W/m²K] 102 780

Velocidad del aire   3.2 3.2 Potencia del rotor o álabes,(aspas)

[kW] 33.6 10.5

Area ocupada por el intercambiador

[m²] 36.2 13.3

Area Transferencia de calor.

[m²] 5394 1470

Peso. [kg] 23000 9600 Perdida de Presión en tubos

[bar] 1.4 1.4

Tabla 1: Una comparación entre el diseño con hiTRAN y diseño sin inserts, (Tubos planos).

Comparado con los tubos planos, el tamaño para la unidad se reduce al instalar los inserts hiTRAN consiguiendo la misma capacidad de transferencia de calor que en el diseño sin inserts. También puede observarse la reducción en la potencia empleada en los álabes o rotores que se ve reducida a 1/3 de la potencia que se debería emplear si no se instalan los inserts hiTRAN. La reducción del número de pasos desde 8 hasta 2 conlleva que la perdida de carga de presión sea la misma en ambos casos. La longitud del trayecto del fluido así como el tiempo de residencia en la pared del tubo se ha reducido considerablemente, en conjunción con ésto se logra que la temperatura del seno del líquido se aproxime a la de la pared y que se reduzca la tendencia a la deposición de suciedad en los tubos.

Utilización de inserts hiTRAN en el interior de los tubos en sistemas bifásicos: Todo lo mencionado con anterioridad en este artículo hace referencia al uso de hiTRAN inserts cuando se tratan fluidos en una fase normalmente líquida. Pero se ha probado que existen grandes beneficios en la mejora de la transferencia de calor en sistemas bifásicos.

Aplicaciones:

- Condensadores: En condensadores verticales, se ha observado que la instalación de inserts hiTRAN en el interior de los tubos donde ocurre el fenómeno de la condensación produce un incremento notable en la

transferencia de calor. Asi unos ejemplos donde el efecto del aumento de la transferencia de calor puede notarse es en el caso de mezclas multi componente y aplicaciones donde existan gases inertes. En ambos puede reducirse el área de transferencia de calor en el diseño a menos de la mitad de lo que se necesitaría si no se instalara hiTRAN.

- Evaporadores: En termosifones y reboilers forzados, el líquido entra al reboiler en condiciones de subenfriamiento, por tanto existe una región en el reboiler de subenfriamiento en la cual el liquido alcanza la temperatura de ebullición, dicha región puede verse reducida considerablemente instalando inserts hiTRAN, lo cual permitirá obtener mayor área libre disponible en la sección de evaporación del reboiler. También hiTRAN produce beneficios extraordinarios en la sección de evaporación provocando la ruptura del film de vapor formado en la pared de los tubos que ejerce una gran resistencia a la transferencia de calor, permitiendo el mezclado y turbulencia necesaria para provocar que el líquido del seno del tubo contacte con la pared aumentando la velocidad de transferencia de calor. En aplicaciones donde el vapor necesite ser sobrecalentado la instalación de inserts en el interior de los tubos actúan de igual mecanismo que se ha descrito para sistemas de una única fase.

hiTRAN SP, Herramienta informática para calcular la mejora de los intercambiadores de calor con la instalación de inserts hiTRAN. Por expreso requerimiento Cal Gavin Ltd puede enviar licencias para sus herramientas informáticas , hitranSP.

Este programa trabaja dentro del entorno de Windows y calcula la transferencia de calor así como la perdida de carga de presión para intercambiadores calor equipados con hiTRAN inserts donde circula por el interior de los tubos una única fase.

Fig. 4.- Interface gráfico de hitran SP para el cálculo de intercambiadores de calor en los que se instala hiTRAN inserts.

Un ejemplo del software se encuentra dispuesto en la figura 4. Es también posible importar ficheros desde los programas de diseño industrial de intercambiadores de calor HTRI y  HFTS/Aspentech . (TASC and ACOL).