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Análisis fluidodinámico de la transferencia de calor en un intercambiador carcasa-tubo

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El siguiente estudio muestra el potencial de las herramientas CFD a la hora de plantear alternativas de diseño en intercambiadores de calor.

El equipo a estudiar es un intercambiador carcasa-tubo, en el que la carcasa está completamente especificada. 

 

 

Los fluidos a utilizar también están completamente especificados, tratándose en este caso de agua (fluido frío) y aceite (fluido caliente). El agua circula por la carcasa y el aceite por el interior de los tubos. El aceite se encuentra a una temperatura de entrada de 200 ºC, en tanto que el agua entra al sistema a una temperatura de 30 ºC. El caudal total de entrada de cada fluido es otra de las imposiciones de operación del estudio.

El equipo debe calentar el agua hasta los 55ºC. Dado que el caudal disponible de aceite se encuentra impuesto y la carcasa es fija, la única manera de lograr aumentar lo máximo posible esta temperatura es aumentar el área de transferencia de calor entre los dos fluidos. Esto implica plantear el diseño de los tubos de manera que se maximice dicha área, lo cual puede hacerse cambiando su morfología, añadiendo elementos accesorios o aumentando el propio número de los tubos. Este estudio se centra en la última posibilidad, teniendo como principal objetivo averiguar que número de tubos permite calentar el agua hasta la temperatura deseada.

Dado que a priori no se conoce una relación directa entre número de tubos y temperatura, se evaluarán tres alternativas: el uso de 18, 32 y 64 tubos. A mayor número de tubos, menor área de paso por tubo, pero mayor área de transferencia de calor entre los tubos y la carcasa.

La simulación realiza en el software OpenFOAM versión 8, utilizando el solver “chtMultiRegionFoam”. En ella se han simulado tres regiones distintas: volumen del fluido frío, volumen del fluido caliente y sólido (tubos). La carcasa no se tiene en cuenta en esta simulación, ya que se asumirá que el equipo es adiabático. 

A continuación, se muestra la tabla de resultados con las temperaturas de entrada y salida de cada fluido.

 

 

Como se puede observar, es necesario utilizar 64 tubos si queremos llegar hasta la temperatura objetivo (55 ºC). 

 

En este análisis solo se ha tenido en cuenta el aumento del número de tubos, que ya contaban con una morfología determinada. Sin embargo, el CFD permitiría estudiar también la utilización de distintos tipos de tubos (corrugados, por ejemplo), el uso de un mayor o menor número de bafles de manera que se modifique el patrón de flujo del aceite en el interior de la carcasa, etc.

Si estás interesado en saber cómo preparar este tipo de simulaciones con transferencia de calor en OpenFOAM, puedes visitar nuestra serie de tutoriales de como hacerlo.

Tutorial: preparación de una simulación multicuerpo con transferencia de calor en OpenFOAM. Parte 1: preparación de malla en SALOME MECA.

Tutorial: preparación de una simulación multicuerpo con transferencia de calor en OpenFOAM. Parte 2: simulación.

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