Propuesta de modelo para el análisis térmico del enfriamiento de un paquete de tubos aletados en aerocondensadores

Artículo original Propuesta de modelo para el análisis térmico del enfriamiento de un paquete de tubos aletados en aerocondensadores New proposal model for thermal analysis in the cooling of a bundle finned pipes in air-cooled condenser MSc. Yanán Camaraza-Medina1* Dr. José Luis Amoroz-Diez2 Dr.C. Oscar M. Cruz-Fonticiella1 Dr.C. Osvaldo F. Garcia-Morales3 1 CEETA, Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Villa Clara, Cuba 2 Institute of Energy Conversion, University of Delaware, Delaware, EUA 3 Facultad de Ciencias Técnicas, Universidad de Matanzas, Matanzas, Cuba *Autor para correspondencia. Correo electrónico: RESUMEN En este trabajo, se presenta un nuevo modelo para cálculos de transferencia de calor durante el flujo de aire a través del banco de tubos de aletas empleados en aerocondensadores (ACC). El modelo fue correlacionado con un total de 789 juegos de datos experimentales disponibles aportados por diez autores de prestigio reconocido en el área de investigación. El flujo de aire baña un paquete de tubos aletados con una inclinación de 450 a 600 respecto a la línea horizontal. Los estudios se realizaron para intervalos ST/SL entre 0,4 y 2, velocidad del flujo de aire de 0,1 a 100 m/s, una temperatura ambiente de 15 a 43 °C, la velocidad del viento incidente en la instalación entre 0 y 45 km/h, el diámetro exterior equivalente de los tubos desnudos entre 0,019 y 0,05 m, una altura de las aletas entre 2,7 y 7,9 mm, espesores de las aletas que oscilan entre 1,3 y 3,5 mm y un número de aletas por 255 unidad de longitud del tubo entre 315 y 354. La desviación media encontrada fue de un 6,9 % en el 84,8 % de los datos experimentales correlacionados. Palabras clave: flujo de aire; coeficiente de transferencia de calor; paquete de tubos aletados. ABSTRACT In this paper, we present a new model for calculations of heat transfer during airflow over the finned tubes bank in air-cooled condenser systems (ACC). The model was correlated with 789 sets of available experimental data provided by ten authors of recognized prestige in the research area. The air flow bathes a package of finned tubes with an inclination of 450 to 600 with respect to the horizontal line. The studies were performed for ST/SL intervals between 0,4 and 2, airflow velocity of 0,1 to 100 m/s, an ambient temperature of 15 to 43 °C, the incident wind speed over the installation between 0 and 45 km/h, the outer equivalent diameter of the bare tubes between 0,019 and 0,05 m, a height of the fins between 2,7 and 7,5 mm, thicknesses of the fins ranging between 1,3 and 3,5 mm and a number of fins per unit tube length between 115 and 394. The mean deviation found was 6,9% in 84,8% of the correlated experimental data. Keywords: airflow; heat transfer coefficient; fins tube bank. Recibido: 8/09/2018 Aceptado: 15/01/2019 Introducción Es bien conocido que en un ciclo de potencia el intercambio de calor es un proceso decisivo en su eficiencia, ya que aproximadamente el 90 % del calor extraído del ciclo se hace a través del sistema de condensación. El calor de desperdicio proveniente de la turbina de vapor se libera a la atmósfera a partir del sistema de enfriamiento, el cual, dependiendo de las condiciones ambientales realiza este intercambio a partir de sistemas de circulación de agua o enfriamiento directo con el medio ambiente. (1) 256 En los ACC el agente refrigerante empleado es el aire. La teoría general de la transferencia de calor establece que el bañado transversal de un paquete de tubos o tubos solitarios es fuertemente dependiente del espesor de la película que contornea la porción posterior del tubo. (2, 3) Esta problemática es conocida en la literatura como paradoja de Schlichting, sin embargo, en las fuentes disponibles y revisadas consultada apenas se dispone de una docena de trabajos que hayan tratado el bañado posterior de los tubos, de acuerdo a lo planteado por. (5) Los primeros intentos conocidos en resolver esta problemática datan del año 1927. Diversos autores de reconocido prestigio, mediante combinaciones de grupos adimensionales, coeficientes empíricos y suposiciones adicionales tuvieron en cuenta de forma aproximada el espesor de la capa límite y el coeficiente de arrastre generado en la turbulencia y la cantidad de transferencia de calor ocasionado por la disposición de las filas posteriores de tubos. De acuerdo a, (6) el trabajo de Griminson y posteriormente el de Zhukauskas, se erigen como obras de referencia del tema, pero en ambos métodos se requiere dividir las zonas de aplicabilidad en una docena de regiones y a pesar de esta complejidad los valores obtenidos computan un error medio en el mejor de los casos de un 15 %. Todo esto es debido al déficit de la predicción del espesor de la película de la subcapa viscosa laminar (7, 8) y a la no inclusión de su efecto en las expresiones empleadas. Este problema se agrava aún más cuando el ángulo de incidencia toma componentes en dos direcciones, o sea, no resulta perpendicular al paquete de tubos, pues un análisis de rigor requiere de un tratamiento bidimensional del problema. (9) De todos los métodos conocidos y propuestos, es el método de Zukauskas quien brinda los mejores resultados en estos casos, sin embargo puede computar errores del orden del 30 %. Al disponerse de un grupo apreciable de cantidades experimentales reportadas por diversos investigadores, y siendo conocidas las limitaciones de los métodos actuales en la evaluación térmica de sistemas ACC por su porción externa, los autores se impusieron la meta de desarrollar una expresión que resuelva parcialmente las limitantes de los métodos tradicionales y que permita de una forma amigable la obtención del coeficiente medio de transferencia de calor externo en este tipo de instalaciones. 257 Materiales y métodos Bañado transversal de un tubo solitario aletado. Variación local del número de Nu En general, el bañado transversal de cilindros solitarios (o un paquete de estos) trae consigo separación del flujo, lo cual es difícil de manejar en forma analítica. Por lo tanto, los flujos de ese tipo deben estudiarse de manera experimental o numérica. De hecho, el flujo a través de cilindros y paquetes de cilindros ha sido estudiado de manera experimental por numerosos investigadores y se han desarrollado varias correlaciones empíricas para la determinación del coeficiente de transferencia de calor. (10-12). El complicado patrón del flujo a través de un cilindro unitario aletado influye notablemente sobre la transferencia de calor. Muchas investigaciones han sido ejecutadas persiguiendo esclarecer este problema. En la figura 1 son dados los valores promedios de los resultados experimentales reportados (13) En esta figura se proporciona la variación del número local de Nusselt en función del ángulo , en la periferia de un cilindro solitario aletado bañado por un flujo cruzado y perpendicular de aire. Un análisis detallado de la figura 1 y de las cantidades expe (...truncated)