Comportamiento de fluidos no newtonianos en intercambiadores de calor tubulares con rascador alternativo

Resumen

La presente tesis doctoral muestra un estudio detallado del comportamiento termohidráulico de un rascador con movimiento alternativo insertado en un tubo liso, teniendo el fluido de trabajo un comportamiento no newtoniano. La metodología de trabajo ha sido principalmente experimental, donde ha sido necesario caracterizar reológicamente el fluido. El factor de fricción y el número de Nusselt han sido correlacionados en función de los números adimensionales de los que depende el problema. Además se han realizado estudios de visualización del flujo en la región laminar, lo cual sirve de base para la explicación de los efectos de pérdida de presión y transmisión de calor en dicha región. Para la caracterización del comportamiento no newtoniano del fluido se ha partido del método de generalización de la viscosidad existente en la bibliografía y aplicable a geometrías con sección transversal constante. El método ha sido modificado para poder ser aplicado a la geometría estudiada, lo cual permite la definición de los números de Reynolds y Prandtl generalizados. La ventaja de este método consiste en la reducción los grados de libertad en los problemas fluidomecánico y térmico, lo que simplifica el análisis del flujo. En primer lugar se ha estudiado el flujo en régimen de rascador estático. Los ensayos realizados abarcan el rango de número de Reynolds generalizado entre 0,2 y 600. En los ensayos de pérdida de presión se observan 3 regiones de comportamiento del flujo: la región laminar para Reynolds por debajo de 100, la región de transición y la turbulenta, que aparece para Reynolds mayores de 300. En los ensayos de transmisión de calor se observan dos subregiones laminares, para Reynolds menores que 4 o mayores que dicho valor. En dichos ensayos la transición se adelanta a números de Reynolds mayores de 40 y aparece flujo de características turbulentas para valores por encima de 70 aproximadamente. El adelanto de la transición produce fuertes incrementos del número de Nusselt en comparación con una situación de convección forzada pura y longitud de entrada térmica despreciable en una geometría idéntica donde se retiran los tacos rascadores. Se ha obtenido el patrón de flujo en la región laminar en diferentes condiciones de funcionamiento mediante visualización utilizando la técnica de PIV (Velocimetría por Imágenes de Partículas). De dicho estudio no se ha podido extraer una conclusión clara acerca de la influencia del comportamiento seudoplástico en el patrón de flujo, lo cual enfatiza la importancia del método de generalización desarrollado. Además se ha realizado un estudio del comportamiento del rascador en régimen dinámico. Para ello se han estudiado los mismos parámetros que en el caso estático, añadiendo la velocidad adimensional de rascado y la potencia de accionamiento consumida por el pistón hidráulico que impulsa al rascador. El accionamiento del rascador adelanta la transición y aumenta el número de Nusselt para un mismo número de Reynolds generalizado, siendo el efecto mayor a medida que aumenta la velocidad de rascado. La comparativa realizada, utilizando los criterios clásicos R3 y R5, muestra mejoras significativas en la transferencia de calor o en la reducción de área de intercambio al comparar con un flujo en tubo liso de longitud infinita donde la convección es puramente forzada. El movimiento del rascador produce mejoras, dependiendo del rango de números de Reynolds y, sobre todo, para velocidades de rascado bajas, las cuales requieren menor potencia de accionamiento. Al aumentar la velocidad de rascado, los requisitos de potencia son demasiado altos y no compensan la mejora en el número de Nusselt obtenida. Además si en la geometría de referencia la longitud de entrada térmica es comparable, se endurecen los requisitos para que el criterio R3 y R5 sean favorables al tubo con rascador. No obstante estos estudios no tienen en cuenta el efecto del ensuciamiento. De los estudios realizados se concluye que la conveniencia del uso del dispositivo estudiado debe ser analizada en cada caso concreto, ya que depende de las características del fluido, del ensuciamiento admisible, la higiene necesaria y de las posibles alternativas. Así, en el presente documento se proporcionan las herramientas necesarias para evaluar dicha conveniencia, en forma de correlaciones experimentales para el factor de fricción, el número de Nusselt y la posible potencia de accionamiento, evaluadas en un amplio rango de condiciones de ensayo. Además, se recomienda el accionamiento del rascador únicamente en función de las necesidades de limpieza, a ser posible a baja velocidad, ya que el consumo de potencia es importante y reduce la eficiencia global del sistema.