Análisis del flujo y de la transmisión de calor en intercambiadores de superficie rascada por movimiento lineal alternativo

Resumen

En esta Tesis Doctoral se realiza un estudio de las características termohidráulicas y del patrón de flujo en tubos de intercambiadores de superficie rascada por movimiento lineal alternativo. Este tipo de intercambiadores son de la tipología constructiva de carcasa-tubo. El mecanismo rascador está formado por un eje concéntrico sobre el que se fijan, a intervalos regulares, una serie de tacos de sección semicircular, que realizan la función de rascado de las paredes interiores de los tubos mediante el movimiento lineal alternativo originado por un cilindro hidráulico conectado al eje. El rascador promueve el mezclado del flujo, aumentando los coeficientes de transferencia de calor, a la vez que evita el ensuciamiento (fouling) de las paredes del tubo. Encuentra su aplicación más práctica en procesos con fluidos muy viscosos en régimen laminar, con alta tendencia al ensuciamiento. La principal metodología empleada para el análisis del dispositivo ha sido experimental. Se ha empleado la técnica de Velocimetría por Imágenes de Partículas para obtener el campo de velocidades en el interior de los tubos, en un amplio rango de condiciones de flujo y operación del rascador. Se han identificado las estructuras más importantes del flujo, y se ha elaborado un sencillo modelo del mecanismo de flujo presente en la mayor parte de las condiciones de trabajo. Se ha realizado un amplio estudio experimental del dispositivo en un banco de ensayos termohidráulicos, que ha permitido obtener resultados de factor de fricción de Fanning en función del número de Reynolds y la relación de velocidades para cuatro geometrías de rascador, analizando la influencia del aligeramiento de los tacos y de la distancia (paso) entre ellos. Se han propuesto correlaciones adimensionales para cada geometría ensayada. También se ha caracterizado la potencia de accionamiento de estos dispositivos, identificando las contribuciones a la demanda final: fricción con la pared del tubo, fuerzas hidrodinámicas sobre el rascador, y accionamiento de equipos auxiliares. Se han obtenido resultados de número de Nusselt en función del número de Reynolds, número de Prandtl y relación de velocidades ¿ para cuatro geometrías de rascador, y se han propuesto correlaciones adimensionales para cada una de ellas. Además, se han evaluado las prestaciones de estos dispositivos utilizando criterios de mejora clásicos. Finalmente, se ha realizado un análisis numérico del flujo utilizando el código comercial Fluent. Las simulaciones realizadas se han validado satisfactoriamente con resultados experimentales. Mediante el análisis de esta extensa información se ha obtenido un conocimiento profundo de los mecanismos del flujo ligados a la pérdida de presión, la mejora de la transferencia de calor y la promoción de la turbulencia. La metodología desarrollada permitirá mejorar los futuros diseños de este tipo de dispositivos de transferencia de calor, así como optimizar sus condiciones de operación.