Aproximaciones unidimensionales para estimar la eficiencia de aleta en intercambiadores tubulares con aletas continuas

FELIPE SUÁREZ; NÉSTOR JAVIER MARIANI; OSVALDO MIGUEL MARTÍNEZ; GUILLERMO FERNANDO BARRETO

La Plata

Jornada; Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extension, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata; 2015

Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata

Los intercambiadores de calor de tubos y placas aletadas son ampliamente utilizados en aplicaciones aeroespaciales, industrias de procesos, climatización, transporte, etc. Los mismos se destacan entre los equipos de transferencia de calor debido a su alta eficiencia y multifuncionalidad. Existe en la bibliografía abierta una considerable cantidad de artículos referidos a diversos aspectos del diseño de estos equipos. En particular, la estimación de la eficiencia, que resulta un aspecto crucial porque hace a la esencia de este tipo de los mismos, ha sido un tópico tratado en numerosos estudios cuando se trata de superficies dotadas de aletas individuales, pudiendo identificarse una cantidad importante de trabajos recientes. No obstante, al momento de abordar el caso de equipos con aletas de tipo continuas, la bibliografía dista de ser abundante, existiendo tópicos aún no adecuadamente cubiertos, y otros, como la estimación de la eficiencia de las aletas, que si bien han sido abordados, existe la posibilidad de plantear alternativas superadoras.En términos generales, para analizar la conducción térmica en aletas debe considerarse que la misma tiene lugar en más de una dimensión espacial. Los problemas tridimensionales (3D) no se presentan, dado que en prácticamente la totalidad de los casos no resulta necesario tener en cuenta una de las direcciones (la correspondiente al espesor de la aleta) porque la dimensión de la misma resulta despreciable (a los fines de la conducción térmica) respecto a las otras dos. No obstante, las geometrías bidimensionales (2D) son prácticamente inevitables, ya sea con arreglos de los tubos en cuadro o en triángulo, para el caso de aletas planas continuas como las utilizadas en el caso de intercambiadores de calor tubulares que procesan gases. En estas circunstancias debe recurrirse a alguna herramienta numérica que permita resolver el balance de energía y obtener la velocidad de transferencia de calor (eficiencia de aleta). Con las plataformas de cálculo actuales esta operación no debería representar una dificultad si se plantea analizar una condición determinada o un conjunto limitado de condiciones. Sin embargo, cuando se busca la optimización de los mencionados intercambiadores puede ser necesario evaluar la velocidad de transferencia de calor desde las aletas una cantidad importante de veces (del orden del millar); más aún, en aplicaciones que requieren simulación recurrente (i.e., diseño de una planta), los órdenes de magnitud pueden elevarse aún más, razón por la cual los procedimientos de tipo numérico aplicados a más de una dirección espacial resultan una opción poco viable a los fines prácticos.En este contexto, una alternativa válida para abordar el problema conducción (en las aletas) -convección (en el fluido) es el empleo de modelos de tipo unidimensional. En este trabajo se presenta un modelo unidimensional, denominado de dos aletas radiales equivalentes, para predecir la eficiencia de aletas planas continuas empleadas en intercambiadores de calor tubulares. El parámetro principal del modelo se obtiene a partir de establecer que las expansiones en serie hasta el segundo término de la eficiencia, en condiciones en las que resulta controlante la conducción en la misma, para el modelo y la aleta real, deben resultar idénticas. A los fines de valorar la capacidad de predictiva del modelo propuesto, se seleccionaron los dos arreglos de tubos de sección circular típicos (cuadrado y triangular) y se variaron el paso y el diámetro del tubo en un amplio rango de valores. Los resultados muestran un remarcable nivel de precisión en las estimaciones con errores inferiores al 3% para todas las condiciones analizadas.