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  • Proyecto Fin de Carrera Ingeniero Industrial

    Estudio y diseo numrico de un evaporador de doble tubo con flujo bifsico utilizando mapas de flujo.

    MEMORIA

    Autor: Carlos Andrs Ribas Director: Lluis Albert Bonals Muntada Convocatoria: Enero 2004 (Plan 94)

    Escola Tcnica Superior dEnginyeria Industrial de Barcelona

  • Estudio y diseo numrico de un evaporador de doble tubo con flujo bifsico utilizando mapas de flujo Pg. 1

    Resumen

    El presente proyecto se centra en la simulacin numrica de un intercambiador de doble tubo equicorriente que evapora agua con el fin de recuperar el calor residual de una instalacin que utiliza gas-oil como combustible.

    El fenmeno de la ebullicin es uno de los procesos de transferencia de calor con cambio de fase ms complejo. Normalmente para su estudio se realizan una serie de hiptesis que facilitan la labor, como pueda ser suponer el flujo de calor aportado constante o temperatura de pared constante, las cuales este proyecto evita realizar.

    La ebullicin en flujo implica adems la circulacin de una mezcla bifsica de composicin no constante, ya que el lquido se evapora continuamente. Primeramente se presentan las ecuaciones gobernantes para el flujo bifsico. A continuacin, con el objetivo de un correcto anlisis del proceso de transferencia de calor, se efecta un estudio detallado de los diferentes regmenes de flujo y su transicin, a travs del desarrollo de un mapa de flujo (flow-pattern).

    En la regin de flujo bifsico es necesario determinar el coeficiente de conveccin para un ptimo diseo del intercambiador. Ms adelante se muestran algunas ecuaciones de coeficientes promedios, desarrolladas experimentalmente por sus autores, y se propone un modelo actual para la obtencin de un coeficiente basado en el mapa de flujo.

    De este modo se desarrolla un programa basado en la discretizacin del sistema, con la finalidad de abordar una simulacin trmica de todo el cambiador y desarrollar un algoritmo que controle en cada punto de la geometra el estado del fluido a evaporar. El conocimiento de dicho estado gracias al diseo del mapa de flujo, la correcta aplicacin de un coeficiente que se adapte al correspondiente rgimen y el hecho de prescindir de hiptesis determinantes, establecen que la simulacin realizada se adecue lo mximo a la realidad del proceso.

  • Pg. 2 Memoria

  • Estudio y diseo numrico de un evaporador de doble tubo con flujo bifsico utilizando mapas de flujo Pg. 3

    Sumario RESUMEN ___________________________________________________1

    SUMARIO ____________________________________________________3

    1. GLOSARIO _______________________________________________5

    2. INTRODUCCIN __________________________________________8 2.1. Origen del proyecto. Motivacin ...................................................................... 8 2.2. Objetivos y alcance. ......................................................................................... 9

    3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA _________________________10 3.1. Evaporador de doble tubo.............................................................................. 10 3.2. Diferenciacin entre regiones. Discretizacin del tubo.................................. 10 3.3. Algoritmo numrico de resolucin. Metodologa a seguir ............................. 12

    4. ANLISIS DEL FLUJO BIFSICO____________________________14 4.1. Fenmeno de evaporacin ............................................................................ 14 4.2. Anlisis matemtico ....................................................................................... 14

    4.2.1. Ecuaciones gobernantes.....................................................................................14 4.3. Los modelos bsicos...................................................................................... 17

    4.3.1. Notacin...............................................................................................................17 4.3.2. Las ecuaciones bsicas para flujo bifsico.........................................................19 4.3.3. El modelo de flujo homogneo...........................................................................23 4.3.4. El modelo de flujo separado...............................................................................26

    5. MAPAS DE RGIMEN DE FLUJO. ___________________________27 5.1. Introduccin.................................................................................................... 27 5.2. Clasificacin de los regmenes de flujo.......................................................... 27 5.3. Algunos regmenes de flujo. .......................................................................... 28 5.4. Evolucin de los mapas de flujo. ................................................................... 31 5.5. Modelos usados. ............................................................................................ 33

    5.5.1. El modelo de flujo unificado. ..............................................................................34 5.5.2. El modelo KATTAN-THOME-FAVRAT...............................................................42

    6. COEFICIENTES DE CONVECCIN. __________________________49 6.1. Introduccin.................................................................................................... 49 6.2. Algunos modelos para la determinacin del coeficiente local....................... 51

    6.2.1. Mtodo de Shah ..................................................................................................51

  • Pg. 4 Memoria

    6.2.2. Mtodo de Klimenko ........................................................................................... 52 6.2.3. Mtodo de Chen.................................................................................................. 54

    6.3. Desarrollo de un modelo actual de coeficiente basado en el mapa de flujo KTF................................................................................................................. 56

    7. APLICACIN A LA SIMULACIN____________________________62 7.1. Anlisis de los volmenes control.................................................................. 63 7.2. Condiciones de frontera................................................................................. 66

    7.2.1. Fronteras entre regmenes de flujo..................................................................... 66 7.2.2. ltima frontera ..................................................................................................... 67 7.2.3. Diagrama del programa evapora........................................................................ 68 7.2.4. Prdidas de presin ............................................................................................ 69

    8. PRESUPUESTO __________________________________________71 8.1. Presupuesto inicial ......................................................................................... 71 8.2. Ahorro............................................................................................................. 72 8.3. Clculo de la inversin................................................................................... 72

    9. RESULTADOS ___________________________________________74 9.1. Mapas de rgimen de flujo ............................................................................ 74 9.2. Coeficientes de conveccin ........................................................................... 76 9.3. Temperaturas................................................................................................. 77 9.4. Resultados del programa evapora ................................................................ 79

    CONCLUSIONES _____________________________________________81

    BIBLIOGRAFA_______________________________________________82 Referencias bibliogrficas ....................................................................................... 82 Bibliografia complementria .................................................................................... 82

    ANEXO A: MANUAL DE EMPLEO DEL PROGRAMA EVAPORA_____85 A.1. Arranque del programa ................................................................................... 85 A.2. Confirmacin de datos .................................................................................... 86 A.3. Pantalla de resultados..................................................................................... 87 A.3. Programa evapora .......................................................................................... 89

    A.3.1 Algoritmo del programa........................................................................................... 89

  • Estudio y diseo numrico de un evaporador de doble tubo con flujo bifsico utilizando mapas de flujo Pg. 5

    1. Glosario A rea [m2 ] tA rea total [m

    2 ]

    B fuerzas msicas por unidad de masa [m/s2 ] C constante Cf coeficiente de friccin Cp calor especfico a p cte. [J/kg K] d dimetro [m] D dimetro [m] E energa mecnica [J] F fuerza [N] F factor mtodo de Chen

    supF fuerza superficial [ N ] f factor de friccin G flujo msico [kg/m2s] g aceleracin de la gravedad [m/s2 ] h entalpa [J/kg] h altura del nivel de lquido

    lgh entalpa de vaporizacin [J/kg] hc coeficiente de conveccin [ W/m2K] i referencia a la discretizacin del tubo L longitud del tubo [m] M masa molecular [kg/kgmol ] m caudal msico [kg/s] N parmetro del chef de conveccin de Shah n,m factores exponenciales n nmero de nodos P permetro [m] p presin [Pa]

    redp presin reducida Q calor [W] Q