Caracterización experimental del comportamiento termo-hidráulico del hielo líquido generado a partir de disoluciones de NaClaplicación a cambiadores de calor

Resumen

En esta tesis se analiza experimentalmente el comportamiento termo-hidráulico del hielo líquido generado a partir de una disolución al 9% de NaCl y se estudia su aplicación a distintos tipos de intercambiadores de calor de aplicación habitual en la industria. A partir del análisis dimensional de los procesos de pérdida de presión y transmisión de calor en tuberías horizontales, se ha determinado el número mínimo de parámetros adimensionales que influyen sobre esos procesos, eliminándose del análisis todos aquellos cuya influencia puede considerarse despreciable en aplicaciones de interés industrial. El proceso de pérdida de presión se ha caracterizado a través del coeficiente adimensional de pérdida de presión de Darcy, (), mientras que el proceso de transmisión de calor se ha caracterizado a través del número de Nusselt, (Nu). Como resultado del análisis realizado se ha llegado a la conclusión de que, en aplicaciones industriales, los parámetros con mayor influencia sobre los procesos de pérdida de presión y transmisión de calor son el número de Reynolds (Re), el contenido en hielo () y la relación de diámetros entre cristales de hielo y tubería (d/D). Para obtener la influencia de cada uno de esos parámetros, se ha diseñado, montado y puesto a punto una instalación experimental de generación, acumulación y aplicación de hielo líquido, específicamente desarrollada para la realización de ensayos experimentales de pérdida de presión y transmisión de calor en un amplio rango de condiciones de funcionamiento. Como resultado más destacable de los ensayos realizados se ha demostrado que, además del contenido en hielo y las condiciones de circulación del fluido, la relación de diámetros tiene también una importante influencia sobre el proceso de pérdida de presión, cuantificándose la influencia de todos esos parámetros en expresiones del tipo =f(Re,, d/D). Asimismo, se ha cuantificado la influencia que sobre el proceso de transmisión de calor tienen el contenido en hielo y las condiciones de circulación del fluido, presentándose a través de expresiones del tipo Nu=f(Re, , d/D), quedando como línea de investigación abierta la evaluación de la influencia que la relación de diámetros tiene sobre las características del proceso de transmisión de calor. Finalmente se ha caracterizado experimentalmente el comportamiento de dos intercambiadores de calor diferentes funcionando con hielo líquido y se ha comparado con la predicción teórica que puede obtenerse aplicando las correlaciones presentadas en esta tesis, comprobándose la validez de las mismas. Adicionalmente, se ha comparado el funcionamiento de los intercambiadores ensayados con el que se tendría en caso de aplicación indirecta de hielo líquido - empleando como fluido térmico sólo su fase líquida -, llegándose a la conclusión de que ésta es una alternativa que debe ser siempre tenida en cuenta, especialmente en aquellas instalaciones en las que la circulación de cristales de hielo por el interior de los equipos plantea problemas de regulación y control de los mismos, pues permite eliminar esos problemas conservando la alta capacidad de almacenamiento de frío propia de cualquier sistema de acumulación de hielo líquido.