Comportamiento de fluidos no newtonianos en intercambiadores de calor tubulares con rascador alternativo
[ESP] 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 perdida 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 fluido mecánico 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 14 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 estudiada 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. [ENG] This work shows a detailed study of the therm-hydraulic behaviour of a smooth pipe with an inserted reciprocating scraper, the working fluid having a non-Newtonian behaviour. A mainly experimental methodology has been followed. For that, it was necessary to obtain the fluid rheological properties. Experimental equations for the friction factor and Nusselt numbers as a function of the involved dimensionless numbers have been proposed. Moreover, visualization experiments in the laminar region of the flow have been carried out. This last information will help to explain fluid behaviour in terms of pressure drop and heat transfer in this region. In order to explain the non Newtonian fluid behaviour inside the device, the generalization method of the viscosity proposed in the bibliography has been used as a start point. The method is only valid for ducts of constant cross-section, therefore it has been modified for its use in the geometry under study. The generalization method permits us to define the generalized Reynolds number and the generalized Prandtl number. The main advantage of this method is the reduction of one degree of freedom of the hydraulic and thermal problems, which helps simplifying the analysis of the flow. Firstly the flow has been studied while the insert device is static. Experiments have been performed with the Reynolds number ranging from 0.2 to 600. In pressure drop experiments, three regions of the flow have been observed: laminar region for Reynolds number under 100, transitional region and turbulent one, for Reynolds numbers over 300. In heat transfer experiments two laminar regions have been observed, for Reynolds numbers lower than 4 or for higher values. Transition appears for Reynolds numbers greater than 40 and the turbulent flow shows up for Reynolds numbers greater than 70. This early transition to turbulence results in significant heat enhancement comparing two a situation without the scrapper. The flow pattern in the laminar region has been obtained for a variety of flow conditions by using PIV technique (Particle Image Velocimetry). The exact influence of the pseudoplastic behaviour in the flow pattern could not be quantified due to the several degrees of freedom of the problem. This emphasizes the importance of the generalization method developed which reduces the degrees of freedom. Moreover an the effect of the movement of the scrapper in the problem has been studied. For that, the flow pattern, pressure drop, power demand of the scrapper piston and heat transfer coefficients have been studied as a function of the non-dimensional scrapping velocity. The operation of the scrapper makes the transition region to appear at lower Reynolds numbers and augments the Nusselt number for the same Reynolds number. This effect becomes stronger as the scrapping velocity raises. The evaluation of the performance of the insert device through the classical criterion of Bergles, shows significant improvements when comparing with a situation of pure forced fully developed convection in a pipe. The operation of the scrapper can improve performance depending on the Reynolds number working range. For high scraping velocities, the consumed power is two high and the system becomes energetically inefficient. Besides, if the thermal entrance length is comparable to the pipe length in the reference geometry, the improvements of the scrapper are not so obvious and the range of operation must be selected with care. However, the study does not take into account the fouling effect. To conclude, it can be manifested that the convenience of using the insert device in an industrial process should be evaluated in each case. It will depend on the flow characteristics, the admissible fouling level (if any), the required hygiene and the possible alternatives. Thus, the present document provides the necessary tools to evaluate this convenience: friction factors, Nusselt number, scrapper operation power in a wide range of working conditions. Furthermore, the operation of the scrapper is only recommended to eliminate fouling, at low velocity if possible, or to improve heat transfer in certain conditions knowing that power consumption will increase.
Transmisión calor, Fluidos no newtonianos, Non Newtonian fluid, Therm-hydraulic
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