Heat transfer and ice slurry production analysis in scraped surface plate heat exchangers

Abstract

En esta Tesis Doctoral se realiza un estudio de la producción de hielo líquido en un intercambiador de calor de placas de superficie rascada rotativo (SSPHE). La investigación considera aspectos fundamentales como la transferencia de calor, el consumo de potencia o la morfología de los cristales de hielo producidos. El intercambiador de calor consiste en un tanque cilíndrico con una superficie rascada en la base. El sistema de rascado se compone de cuatro palas rascadoras accionadas por un eje rotativo. Como base para producir el hielo líquido se usa una salmuera de cloruro de sodio con diferentes concentraciones (2.9 to 9.4 wt %), produciéndose éste en modo discontinuo o "batch". La superficie rascada se enfría por el lado opuesto mediante un flujo constante de cloruro de sodio en agua, a su vez enfriado por la expansión de un refrigerante en un evaporador compacto. La acción de los rascadores arranca el hielo adherido a la placa base, añadiendo los cristales microscópicos de hielo a la mezcla. El rango de condiciones de trabajo ensayadas ha sido amplio: velocidades de rascado desde 0.1 a 0.8 s-1 y diferencias logarítmicas de temperatura desde 0.5 a 2.5 ºC. La acción de los rascadores promueve la transferencia de calor y masa, que no solo garantiza la ausencia de una gruesa capa de hielo sobre la superficie si no que también induce desplazamientos macroscópicos del flujo. El número de Nusselt se ha obtenido mediante la medida precisa de las temperaturas del proceso y las propiedades del hielo líquido. Los resultados experimentales muestran una dependencia del inicio de la nucleación con la velocidad de rascado y el subenfriamento de la pared. Como consecuencia del crecimiento de la capa de hielo, el número de Nussel disminuye para valores crecientes de subenfriamiento, mientras que el efecto de la velocidad de rascado es bajo. Así mismo la potencia de accionamiento muestra una mayor dependencia con la presencia de hielo en la pared, y no con otros parámetros. Se ha realizado una visualización del flujo empleando partículas similares al hielo para estudiar el flujo bifásico. Para estudiar el campo de velocidades con flujo monofásico se ha empleado la técnica de Velocimetría por Imagen de Partículas, analizando valores de número de Reynolds rotativo equivalentes. El patrón de flujo ha sido identificado y relacionado con los mecanismos de mezclado del flujo. Complementariamente al análisis experimental se ha llevado a cabo un estudio numérico empleando el código OpenFOAM. Los resultados numéricos han sido parcialmente validados con los datos experimentales, proporcionando información acerca del flujo tridimensional en el SSPHE. La información obtenida y analizada permite extender el conocimiento de los mecanismos implicados en la producción de hielo líquido en el SSPHE basándose en aspectos fundamentales como la transferencia de calor y la potencia de accionamiento. Así mismo, ésta puede ser de gran utilidad en el diseño de futuros dispositivos, ayudando a alcanzar mejores condiciones de trabajo. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/