Simulación númerica del flujo cuasi-estacionario de fluídos no newtonianos en tubos de elementos insertados dinámicos

El presente Proyecto se encuentra englobado en el campo de estudio de mejoras de la transferencia de calor o Heat Transfer Enhancement, que se basa en que todo intercambiador de calor puede ser mejorado. Está mejora se puede llevar a cabo mediante las siguientes acciones,ya sean llevadas a cabo de forma individual o combinada: • Reducir el tamaño del equipo. • Incrementar el calor total intercambiado. • Reducir la energía de aporte necesaria al sistema. • Reducir la diferencia de temperaturas entre las corrientes del proceso. Webb [1] clasifica las técnicas de intercambio de calor en dos grandes grupos: activas y pasivas, en función de si necesitan o no un aporte energético exterior. Mientras que las técnicas pasivas han sido estudiadas por muchos grupos de investigación a lo largo de los últimos años y han sido puestas en uso en multitud de aplicaciones industriales, el propio Webb afirma que las técnicas activas pueden producir mayores intercambios de calor, pero la falta de conocimiento en éstas técnicas, y más concretamente con este tipo de fluidos, dificulta su aplicación en la industria.Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industria

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

[SPA] 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.[ENG] The present Doctoral Thesis reports a detailed study of the ice slurry production in a scraped surface plate heat exchanger (SSPHE). The investigation work considers fundamental aspects as the heat transfer, the power consumption and the morphology of the produced ice crystals. The heat exchanger consists of a cylindrical tank with a scraped heat transfer surface at the bottom. The scraper system is composed of four rotating blades driven by a rotating shaft. Deferent sodium chloride brines (2.9 to 9.4 wt %) are employed as the base solution for the generation of ice slurries in a batch process. The heat transfer surface is cooled underneath by a constant ow of calcium chloride solution in water, subsequently cooled by the expansion of a refrigerant in a compact evaporator. The action of the scrapers pull o_ the ice adhered to he plate surface, adding the microscopic ice crystals to the slurry. A wide range of operating conditions has been tested: scraping velocities from 0.1 to 0.8 s1 and logarithmic temperature deference’s from 0.5 to 2.5 _C. Heat and mass transfer is promoted due to the action of the scrapers, which not only guarantees the existence of nucleation directly on the subcooled surface but also induces macroscopic displacements of the ow. Nusselt number results have been obtained through the accurate measurement of the precess temperatures and the slurry properties. Experimental results showed a dependence of the nucleation onset with the scraping velocity and the wall subcooling degree. The Nusselt number decreased for increasing wall subcooling degrees as a consequence of the ice layer scaling, with a low effect of the scraping velocity. The driving motor power consumption showed also a dependence with the presence of ice on the scraped surface, not being very influenced by other parameters. Flow visualization with icelike polymer particles has performed to study the twophase ow and the eventual stratification. PIV technique has been employed to obtain the velocity field inside he SSPHE with a single phase ow for equivalent rotating Reynolds numbers. The main ow structure has been identified and related to the mixing mechanism of the flow. Complementary to the experimental analysis, a numerical ow analysis was carried out employing the software package OpenFAOM. The numerical results proved their validity in reproducing the flow pattern observed experimentally, providing additional detail of the flow structure inside the SSPHE. The obtained information extends the understanding of the mechanisms involved in the ice slurry production in the SSPHE, with an special attention to essential aspects like heat transfer and power consumption. Future designs of devices similar to the SSPHE can be benefited of this knowledge for achieving a better operating conditions.Escuela Internacional de DoctoradoUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado Tecnologías Industriale

Production of ice slurry in a scraped-surface plate heat exchanger.

The present work presents experimental results of the production of ice slurry in an innovative scraped-surface plate heat exchanger (SSPHE). It consists of a 28 liters capacity tank with a total heat transfer area of 10m2m-3 crystallizer volume. The scraper consists of four rotating PEEK blades that are driven by a vertical shaft connected to an electrical motor. The heat transfer surface is cooled underneath by a foow of calcium chloride solution in water. The coolant solution is subsequently cooled by the expansion of a flow of R507 refrigerant in a compact evaporator. Sodium chloride brine with a concentration of 5% is the base solution for the generation of ice slurries of about 20% of ice content in a batch process

Ice slurry production in plate heat exchanger with subcooled scraped surface. Póster

Ice slurries consist of aqueous solutions in which small ice crystals are present. One of the main advantages of ice slurries compared with the storage and usage of common ice is the easiest transport capacity, being possible to pump it. Due to their high cooling capacity and constant cooling temperature, the use as refrigerant offers the major benefit of ice slurries. In this work ice slurry is produced in an innovative scraped-surface plate heat exchanger (SSPHE): a 28 liters capacity tank with a total heat transfer area of 10m2m-3 crystallizer volume. The heat transfer surface is continuously scraped by four rotating blades and cooled underneath by a flow of calcium chloride solution in water. The coolant solution is subsequently cooled by the expansion of a flow of R507 refrigerant in a compact evaporator

Analysis of heat transfer phenomena during ice slurry production in scraped surface plate heat exchangers

Heat transfer during ice slurry production in a scraped surface plate heat exchanger (SSPHE) has been experimentally investigated. By using a 7 wt. % sodium chloride brine, a wide range of operating conditions has been tested: scraping velocities from 0.1 to 0.8 s−1 and logarithmic temperature differences from 0.5 to 2.5 °C. Two different PEEK scraper arrangements have been used, mounted on the driving arms: rigid scrapers and surface adaptable scrapers, pushed by torsion springs. Heat transfer coefficients and ice production rate were measured under batch operating mode. Experimental results shown dependence of the nucleation onset with the scraping speed and the wall supercooling degree. Global nucleation only occurred for high velocities and low supercooling degrees, appearing only on the wall for the other cases. A decrease of the heat transfer coefficient of 1.5 times for increasing logarithmic temperature differences is reported, as a consequence of the ice layer growth with a low effect of the scraping speed. The use of adaptable scrapers provide heat transfer coefficient augmentations from 2 to 4-fold with respect to the rigid configuration

Heat transfer enhancement in smooth tube with wire coil insert in laminar and transitional non-newtonian flow

This work presents an experimental study on the heat transfer enhancement by means of a tube with wire-coil insert,for non-Newtonian laminar and transitional flow. The dimensionless pitch and wire diameter (based on the plain tube inner diameter) were chosen as p/D= 1 and e/D=0.09. Two pseudoplastic test fluids have been used: 1% by weight aqueous solutions of carboxymethyl cellulose (CMC) with high viscosity and medium viscosity. A wide range of flow conditions has been covered: Reynolds number from 10 to 1200 and Prandtl number from 150 to 1900. Isothermal pressure drop tests and heat transfer experiments under uniform heat flux conditions were performed on both the plain tube and the tube with wire-coil. The plain tube results have shown an excellent agreement with the available data. At Reynolds numbers below Re=400, the wire-coil insert has no effect in heat transfer. However, it becomes more effective as turbulence is established: at Re=1200, the wire-coil increases the heat transfer rate by 350%, with a pressure drop increase of 250%. At Reynolds number Re=1800, if a wire-coil is inserted in a smooth tube the heat transfer rate will be increased by 300% with no increase in pumping power

Medida de la temperatura de pared en intercambiadores de calor de superficie rascada mediante termopares embebidos.

Los procesos de calentamiento o enfriamiento de fluidos son habituales en la industria química, petroquímica y alimentaria. Típicamente estos procesos tienen lugar en intercambiadores de calor en los que el producto es calentado o enfriado mediante el flujo de un fluido secundario. Para evaluar y caracterizar la transferencia de calor al producto, es necesario determinar el flujo de calor q que este recibe y, a partir de él, definir el coeficiente de transmisión de calor. Este coeficiente representa la medida de la convección existente entre pared y fluido, y para su determinación resulta fundamental conocer con suficiente precisión la temperatura de pared Tp. Por otro lado, en multitud de situaciones el empleo de fluidos altamente viscosos, la acumulación de suciedad en la pared o la naturaleza del proceso en sí (p.ej. procesos de cristalización) requieren además del empleo de elementos rascadores, que limpian las paredes e incrementan el mezclado. Esto añade aún más dificultad a la medida de la temperatura de pared, imposibilitando cualquier acceso a la misma por el lado "rascado". Como alternativa solo queda emplear un coeficiente de transmisión de calor global [1] o medir la temperatura en el lado opuesto [2]. El presente trabajo introduce una nueva técnica de medida de la temperatura de pared basada en el uso de termopares embebidos directamente en ésta y muy próximos a la superficie. Para ello se introdujo cable de termopar tipo T en un agujero de diámetro reducido (φ 4 mm) practicado en la pared (espesor 8 mm, acero AISI 316). El agujero se rellenó posteriormente mediante soldadura con metal de aporte, que actúa a su vez como material de junta del termopar. Una vez soldado, todo el conjunto (pared + termopares) se calibró en una cámara a temperatura constante. El sistema de medida propuesto ha sido probado en un intercambiador de calor de placas de superficie rascada rotativo empleado para la producción de hielo líquido [3]. Un total de 26 termopares fueron soldados a la placa, presentando una dispersión en la medida de 0,3 ºC y un error en la medida después de su calibración de 0,2 ºC. El error respecto al valor de Tp real y la respuesta en frecuencia de los termopares en la medida de la temperatura se determinó mediante la simulación numérica del campo bidimensional de temperaturas en la pared, en régimen transitorio y ante distintas oscilaciones impuestas en Tp. Se ha determinado la influencia del espesor de la placa y su conductividad, la conductividad del material de aporte, la posición del termopar y el flujo de calor que cruza la pared

Detección de factores de riesgos cardiovasculares en bomberos voluntarios del Cuerpo de Bomberos de Quinta Normal

Tesis (Profesor de Educación Física, Licenciado en Educación)Los miembros del Cuerpo de Bomberos de Chile deben combatir y enfrentar cualquier tipo de emergencia. Esto les exige tener un amplio espectro de habilidades y conocimientos de técnicas, que en caso de carencia puede poner en peligro las vidas tanto del voluntario como de la víctima que requiere de su socorro. La gran mayoría de ellos no está en una adecuada condición física, ni tienen una buena calidad de vida para poder ejercer su voluntariado como Bombero. Propósito: Detectar el riesgo cardiovascular que presentan los bomberos voluntarios del CBQN, detectando los factores de riesgo que padecen. De modo de que los voluntarios puedan tomar las precauciones necesarias, implementando medidas de control y prevención, reconociendo la importancia de su salud y condición física en el desempeño de sus labores

Caracterización de propiedades elásticas en una muestra de roca tipo arenisca mediante elementos finitos

Se propone una metodología basada en la física de roca digital para un grupo de imágenes tomográficas tomadas de un núcleo de arenisca extraído de un pozo de petróleo, considerando un modelo anisotrópico del material durante el proceso de segmentación. La muestra de roca, proporcionada por el Instituto Colombiano del Petróleo, está compuesta principalmente por minerales como el cuarzo y la calcita. Primero, se genera un modelo tridimensional a partir de las imágenes tomográficas. Luego, se crea una malla de elementos finitos considerando un modelo de material que relaciona la densidad y el módulo elástico con la escala Hounsfield. Finalmente, se realiza un estudio paramétrico del modelo numérico y los resultados se comparan con los valores de referencia. Se proponen tres ensayos diferentes para la evaluación de 2 propiedades elásticas, donde los minerales se estudian individualmente (cuarzo y calcita) y como compuesto (arenisca). Los resultados de estas pruebas se comparan con valores de referencia, mostrando porcentajes de diferencia entre 3 - 10% para el módulo de elasticidad y entre 0,7 - 2,1% para el coeficiente de Poisson.A methodology based on digital rock physics is proposed for a group of tomographic images taken from a core of sandstone extracted from an oil well, considering an anisotropic model of the material during the segmentation process. The rock sample, provided by the Colombian Petroleum Institute, is composed mainly of minerals such as quartz and calcite. First, a three-dimensional model is generated from the tomographic images. Then, a finite element mesh is created considering a material model that relates density and elastic modulus with the Hounsfield scale. Finally, a parametric study of the numerical model is performed and the results are compared with the reference values. Three different tests are proposed for the evaluation of elastic properties, where the minerals are studied individually (quartz and calcite) and as a composite (sandstone). The results of these tests are compared with reference values, showing difference percentages between 3 - 10% for the elastic modulus and between 0.7 - 2.1% for the Poisson's ratio

Relationship between IGF-1 and body weight in inflammatory bowel diseases: Cellular and molecular mechanisms involved

Inflammatory bowel diseases (IBD), represented by ulcerative colitis (UC) and Crohn''s disease (CD), are characterized by chronic inflammation of the gastrointestinal tract, what leads to diarrhea, malnutrition, and weight loss. Depression of the growth hormone-insulin-like growth factor-1 axis (GH-IGF-1 axis) could be responsible of these symptoms. We demonstrate that long-term treatment (54 weeks) of adult CD patients with adalimumab (ADA) results in a decrease in serum IGF-1 without changes in serum IGF-1 binding protein (IGF1BP4). These results prompted us to conduct a preclinical study to test the efficiency of IGF-1 in the medication for experimental colitis. IGF-1 treatment of rats with DSS-induced colitis has a beneficial effect on the following circulating biochemical parameters: glucose, albumin, and total protein levels. In this experimental group we also observed healthy maintenance of colon size, body weight, and lean mass in comparison with the DSS-only group. Histological analysis revealed restoration of the mucosal barrier with the IGF-1 treatment, which was characterized by healthy quantities of mucin production, structural maintenance of adherers junctions (AJs), recuperation of E-cadherin and ß-catenin levels and decrease in infiltrating immune cells and in metalloproteinase-2 levels. The experimentally induced colitis caused activation of apoptosis markers, including cleaved caspase 3, caspase 8, and PARP and decreases cell-cycle checkpoint activators including phosphorylated Rb, cyclin E, and E2F1. The IGF-1 treatment inhibited cyclin E depletion and partially protects PARP levels. The beneficial effects of IGF-1 in experimental colitis could be explained by a re-sensitization of the IGF-1/IRS-1/AKT cascade to exogenous IGF-1. Given these results, we postulate that IGF-1 treatment of IBD patients could prove to be successful in reducing disease pathology. © 2021 The Author