Evaluación Del Patrón De Flujo En Tubos De Movimiento Alternativo De Raspado Intercambiadores De Calor De Superficie

Evaluación del patrón de flujo en tubos de movimiento alternativo de raspado intercambiadores de calor de superficie

Resumen

Patrón de flujo en los tubos de un innovador intercambiador de calor de superficie raspada con rascadores de movimiento alternativo se ha investigado experimentalmente. El rascador se compone de una varilla concéntrica insertado en cada tubo del intercambiador de calor, el montaje de una serie de tapones semicirculares que se ajustan a la pared interior del tubo. Un pistón hidráulico proporciona el raspador con velocidad constante movimiento alternativo. Los campos de velocidad de eliminación promedio se han obtenido con la técnica PIV tanto raspado semi-ciclos, con especial énfasis en el efecto de la velocidad de raspado (relación de velocidad) y el número de Reynolds. La visualización de resultados han sido contrastados con datos experimentales sobre Fanning factor de fricción, la obtención de una clara relación entre los patrones de flujo, aumento de la caída de presión y la promoción de la turbulencia. Simulaciones CFD para el flujo laminar cuasi-estacionario proporcionan una visión aún más en la relación de las estructuras de flujo con la tensión de cizallamiento, y la contribución de las fuerzas de presión a las pérdidas de carga a nivel mundial, para cada semi-ciclo raspado.

Introducción

Los intercambiadores de calor de superficie raspada (SSHE) se emplean comúnmente para la transferencia de calor y procesos de cristalización en las industrias alimentarias, químicas y farmacéuticas. Estos dispositivos asistidos mecánicamente son especialmente adecuados para los productos que son viscosos, pegajosos o que contengan partículas. Durante el funcionamiento, el producto se pone en contacto con una superficie de transferencia de calor que se raspa continuamente, exponiendo así la superficie para el paso del producto sin tratar.

Los coeficientes de transferencia de calor de alta se consiguen debido a que la capa límite se sustituye continuamente por material fresco, mientras que las superficies de transferencia de calor permanecen limpias. Además de mantener el intercambio de calor elevado y uniforme, las cuchillas raspadoras también proporcionan mezcla simultánea y agitación, de suma importancia para la mejora de la transferencia de calor de flujo laminar. La mayoría de los diseños comerciales tienen un eje giratorio en el centro con el producto que se bombea a través del espacio anular entre el eje y el tubo de transferencia de calor cilíndrica exterior. Los perfiles de cizalladura del flujo y han sido ampliamente estudiadas desde los primeros trabajos de Trommelen y Beek. La influencia de la velocidad de rotación y la presencia de hojas ha sido analizada en los trabajos notables de Stranzinger et al. Y Dumont et al. Aclarando tres regímenes diferentes caracterizadas por flujo cortante puro, vórtices toroidales estables e inestables, vórtices onduladas. Las extensas revisiones que cubren aspectos de diseño, características de transferencia de calor y el consumo de energía de SSHE’s se pueden encontrar en Harrod, Rao y Harte.

Este trabajo presenta un innovador concepto de intercambiador de calor de superficie raspada. Dentro de cada tubo hay un vástago de vaivén concéntrico, el montaje de una matriz de elementos semi-circulares con un paso P = 5D (Fig. 1). Estos elementos encajan en el diámetro interno de los tubos. Durante el movimiento de vaivén, que raspan la pared del tubo interior. Además, el movimiento del dispositivo de inserción genera desplazamientos macroscópicos del flujo, que se mezclan continuamente regiones centrales con el flujo periférico. Como resultado de las características mencionadas, el movimiento alternativo intercambiador de superficie rascada (RSSHE) proporciona altos coeficientes globales de transferencia de calor, y evita el tiempo de inactividad para las operaciones de limpieza. Dependiendo de la gravedad del fenómeno de ensuciamiento, el rascador puede ser activado ya sea de manera intermitente, o mover continuamente con frecuencias de raspado ajustables.

Comercialmente versiones de este RSSHE son fabricados por HRS-Spiratube SL bajo la marca UNICUS dinámico Intercambiador de calor, y por Alfa Laval Inc, con la marca Viscoline Unidad dinámico. Junto con la evidencia de ensuciamiento industrial de reducción, los fabricantes afirman por su área de transferencia de calor superior, más pequeño número de paradas, reducir el estrés inducido por cizallamiento en el producto, y la integridad de las partículas en aplicaciones de alimentos, en comparación con rotación raspadas intercambiadores de calor de superficie. Los RSSHE progresivamente se están introduciendo en la industria alimentaria, los procesos de tratamiento de aguas residuales, la producción de biocombustibles de segunda generación, etc.

Nomenclatura

A sección transversal anular (m2)

D diámetro interior del tubo (m)

Dh diámetro hidráulico (m)

d diámetro de la varilla (m)

F la fuerza sobre un terreno de juego rascador (N)

ṁ Caudal másico (kg s-1)

P lanzamiento de los dispositivos de inserción (m)

∆p caída de presión en la sección de prueba (Pa)

S amplitud de raspado (m)

T temperatura (K)

v velocidad (m s-1)

grupos adimensionales

ƒh factor de fricción de Fanning

Reh Número Reh Reynolds

ω cociente de velocidad v_p⁄v_f

CF coeficiente de fuerza, F⁄(1/2 ρv_(f^2 ) A)

Cf coeficiente de fricción superficialτ_W⁄(1/2 ρv_(f^2 ) )

símbolos griegos

β parámetro de bloqueo

r superficie numérica

ҡ cociente de radios

μ viscosidad dinámica

δ volumen numérico

ρ densidad del fluido

τ tensión de cizallamiento

Subíndices

cc contracorriente

eq co-corriente

f fluido

in entrada del tubo

med promedio

out salida del tubo

p rascador

s tubo liso

w pared del tubo

z dirección axial

El presente trabajo está dedicado al análisis del modelo de flujo y las características de fricción en tubos de movimiento alternativo rasparon intercambiadores de calor de superficie. La velocimetría por imágenes de partículas (PIV) técnica empleada para la obtención del campo de velocidad bidimensional en el plano de simetría del tubo en régimen laminar. El rendimiento por separado del dispositivo de rascado en los dos semi-ciclos se considera en el análisis, definiendo de este modo contra-corriente y etapas co-corriente. Los patrones de flujo existentes para diferentes relaciones de velocidad ω se identifican, se establece como condición de referencia el rendimiento del rascador todavía. La influencia del número de Reynolds en las características de flujo se evalúa. Los resultados experimentales del factor de fricción de Fanning para una amplia gama de números de Reynolds y relaciones de velocidad se contrastan con los datos de visualización, para ambos raspado semi-ciclos. La contribución de las estructuras de flujo de la tensión de corte local, se analiza brevemente con la herramienta de simulación numérica Fluido, complementando los datos experimentales y proporcionar más información a la comprensión holística de la naturaleza flujo físico.

Programa Experimental

Instalación de visualización

La instalación representada en la figura. 2 fue construido con el fin de estudiar el patrón de flujo inducido por una amplia variedad de dispositivos de inserción en tubos redondos. La sección principal se compone de un tubo de acrílico de diámetro 32 mm instalado entre dos tanques de depósito que estabilizan el flujo. La temperatura de flujo está regulado por un calentador eléctrico y un termostato colocado en el tanque de depósito superior. El flujo es impulsado desde el depósito inferior calma a la superior por una bomba de engranajes, que se ajusta por un convertidor de frecuencia. Mediante el uso de mezclas de agua y glicol de propileno a temperaturas de 20 C a 60 C, números de Reynolds entre 100 y 20.000 se pueden obtener. Las pruebas presentadas en este trabajo se llevaron a cabo empleando una mezcla de 90% de propilenoglicol y 10% de agua, a temperaturas de 25 ° C a 50 ° C, dando números de Reynolds en el rango de 36 a 378.

La sección de prueba se ha colocado cinco lanzamientos raspador aguas abajo (25D), está asegurando condiciones de flujo periódicas. Para mejorar el acceso óptico en esta sección, una caja de acrílico-lados planos se colocó alrededor. La caja estaba llena con el mismo fluido de prueba que fluye a través de la sección de prueba. Velocimetría por imágenes de partículas (PIV) se ha empleado para la visualización de flujo.

PIV es una técnica bien conocida para obtener la velocidad global de la información, de forma instantánea y con una alta precisión [8]. En estos experimentos, se iluminaron rebanadas planas de campo de flujo que contiene el plano de simetría del dispositivo insertado. El flujo se sembró con partículas de poliamida de 57 mm de diámetro medio. La cámara visto el plano iluminado desde una dirección ortogonal y las imágenes de partículas grabadas en dos instantes sucesivos en el tiempo con el fin de extraer la velocidad sobre el dominio bidimensional plana. Los campos de velocidad 2D a lo largo de un campo de raspador se reunieron para proporcionar una visión general de la estructura de flujo.

La resolución espacial de la medición es 110 mm / pixel. Una hoja de

...