Estudio Numérico y Experimental de la Doble Mejora Pasiva en Intercambiadores de Calor Turbotec®

En el ámbito científico ha crecido el estudio de las espirales y hélices como técnica pasiva de incremento en la tasa de transferencia de calor en intercambiadores, y más recientemente, de la corrugación superficial de la espiral para el incremento de la turbulencia y del área de transferencia. Sin embargo, faltan por desarrollar correlaciones que permitan predecir el comportamiento del fluido externo de intercambiadores de tubo torsionado helicoidal. En este proyecto se propuso obtener el modelo de correlación para el número Nusselt en función del número Dean y de un parámetro geométrico asociado a la segunda mejora pasiva, en intercambiadores de calor Turbotec® a partir de datos experimentales, y estudiar numéricamente el efecto de las mejoras pasivas; estas correlaciones permitirán la selección de intercambiadores en función del número Nusselt requerido. Se encontró un aumento en la transferencia de calor del 284, 218, 180, y 155% para el régimen de flujo laminar con números Dean de 840, 1641, 2420 y 3247 respectivamente para las pruebas experimentales y un aumento del 44, 46, 47, 48 y 48% para las pruebas numéricas en régimen de flujo turbulento con números Dean de 4411, 4877, 5340, 5806 y 6034 respectivamente. Los resultados de este trabajo han sido seleccionados para ser publicados en la revista "Chemical Engineering Transactions" con ISSN: 2283-9216 con el título "Numerical study of the effect of a passive technique in tube-in-tube helical heat exchanger".In scientific area, the study of spirals and helices has increased as a passive technique of increasing the rate of heat transfer in exchangers, and more recently, for the increase of the turbulence and the transfer area, the surface corrugation of the spiral has been studied. However, correlations are still need to predict the behavior of the external fluid of helical twist tube exchangers. In this project, was proposed to obtain the correlation model for Nusselt number as function of Dean number and a geometric parameter associated with the second passive improvement, in Turbotec® heat exchangers from experimental data, and to study the effect of passive improvements numerically; these correlations will allow selection of exchangers according to Nusselt number required. An increase in heat transfer of 284, 218, 180, and 155% was found for laminar flow regime in experimental tests with numbers Dean 840, 1641, 2420 and 3247 respectively, and an increase of 44, 46, 47, 48 and 48% for numerical tests of turbulent flow regime with numbers Dean 4411, 4877, 5340, 5806 and 6034 respectively. The results of this work have been selected to be published in the journal "Chemical Engineering Transactions" ISSN: 2283-9216 with title "Numerical study of the effect of a passive technique in tube-in-tube helical heat exchanger".Magíster en Gestión Energética Industria

Développement d'un échangeur de chaleur air-air pour le milieu serricole

Dans le but de réduire le taux d’humidité dans une serre, tout en réduisant le coût du chauffage, les échangeurs de chaleur air-air sont utilisés. Les échangeurs destinés à la serriculture sont volumineux. L’objectif de ce travail qui est de concevoir un échangeur compact et résistant au givrage dans les milieux froids. Une étude bibliographique des différents échangeurs a permis de choisir la géométrie adéquate permettant le maximum d’échange et en réduisant les risques d’encrassement. L’échangeur de type à courant-croisé a été choisi. Des simulations CFD avec Fluent de l’échangeur avec des dimensions variables ont étés réalisées, afin de déterminer leurs influences sur l’efficacité de l’échangeur. Étant donné que l’air chaud venant de la serre est humide, ce dernier entre en contact dans l’échangeur avec la paroi refroidie par l’air extérieur et une condensation se produit. Cette condensation est accompagnée par un dégagement de chaleur vers le fluide froid, d’où l’amélioration potentielle de l’efficacité de l’échangeur. Pour tenir compte de l’effet de la condensation dans l’équation d’énergie lors des simulations CFD, une fonction définie par l’utilisateur (UDF) a été ajoutée au logiciel Fluent. Cette UDF permet d’ajouter un terme source aux équations de conservation dans les cellules où la condensation se produit. Les premières simulations CFD ont permis de déterminer l’influence des différentes dimensions de l’échangeur sur son efficacité. En combinant les résultats trouvés et le cahier de charge imposé pour que l’échangeur soit compact et résiste au givrage, les dimensions préliminaires ont été déterminées et un premier échangeur a été simulé numériquement. L’efficacité prédite de ce dernier est de 30%. Des simulations CFD ont permis de déterminer les pertes de pression et l’efficacité de l’échangeur pour différents espacement entre les plaques où l’air froid s’écoule. Selon les pertes de pression trouvées et le ventilateur d’alimentation choisi, les dimensions finales de l’échangeur ont été déterminées. L’efficacité du second échangeur conçu est de 40%, sans prendre en compte la condensation. Lorsque la condensation est tenue en compte et pour le concept final de l’échangeur, des études sont réalisées sur la contribution de la chaleur latente au processus d’échange de chaleur total et sur la quantité d’eau condensée, en fonction de l’humidité de l’air chaud et de la température de l’air froid. D’après l’étude réalisée, pour une température d’air chaud égale à 293 K avec une humidité relative égale à 80%, et pour une température de l’air froid égale à 261 K, la contribution de la chaleur latente au processus d’échange de chaleur atteint 57 %. L’efficacité de l’échangeur passe de 40% à 64 %