Influencia de la inserción de hélices cilíndricas sobre el número de Reynolds crítico de un flujo en un espacio anular

ARTICULO ORIGINAL Influencia de la inserción de hélices cilíndricas sobre el número de Reynolds crítico de un flujo en un espacio anular Influence of Inserting Cylindrical Helices on the Critical Reynolds number of a flow in an annular space MSc. Josué Imbert-GonzálezI, Dr.Reinaldo Guillen-GordínI, Dr. Octavio García-ValladaresII I:Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba. II:Instituto de Energías Renovables. UNAM. Privada Xochicalco s/n., Morelos, México Resumen El objetivo del trabajo es obtener la influencia de la inserción de hélices cilíndricas sobre el valor del número de Reynolds crítico de un flujo que circula en un espacio anular. Se modificó el valor del flujo que circula en un espacio anular de forma paulatina y se obtuvieron valores de la velocidad crítica alta del flujo, complementado con la visualización del flujo a partir de la inyección de tinta. La medición de la temperatura del flujo integra la obtención de los números de Reynolds crítico alto en el fluido y establece las diferencias comparativas entre las hélices insertadas, así como en espacios anulares sin la presencia de estos elementos turbulizadores. La aparición de la turbulencia en el sistema de flujo indicado según el valor mínimo del Reynolds critico donde desaparecen las condiciones del régimen laminar en el sistema permite obtener las hélices cilíndricas que más influyen en el cambio del régimen hidrodinámico. Las deducciones del análisis pueden considerarse un punto de partida para desarrollar estudios experimentales sobre la presencia de las hélices cilíndricas como elemento promotor de turbulencia del flujo anular. Palabras clave: visualización de flujo, espacios anulares, hélices insertadas, inyección de tinta, turbulencia. 154 Abstract The objective of this study is to obtain the influence of inserting cylindrical helices in the high critical Reynolds number in flow an annular space. The flow rate was modified in an annular space gradually and through flow visualization, was obtained the high values of the critical velocity. By measuring the fluid temperature critical Reynolds numbers were obtained for each helix. They settled comparative differences between helices inserted and annular spaces without these elements turbulizers. The onset of the turbulence in the flow system was indicated by the minimum value of the critical Reynolds where disappear laminar flow conditions in the system allows select the cylindrical helices with more influence in hydrodynamic regime change. Deductions of the analysis can be considered a starting point to develop experimental studies about the cylindrical helices as promoter of annular flow turbulence. Keywords: drop pressure, annular flow, hydrodynamic analysis, visualization flow, wire coil inserts. INTRODUCCION El constante crecimiento de la demanda de equipos de intercambio de calor ha propiciado el desarrollo de investigaciones alrededor de técnicas de incremento basadas en la incorporación de nanoparticulas [1] y materiales electroactivos [2] que modifican en alguna medida las propiedades del fluido. Sin embargo, las técnicas pasivas de incremento de la transferencia de calor, continúan siendo las más atractivas desde el punto de vista económico y las de mayores posibilidades de aplicación inmediata en la industria. Existen actualmente muchas formas disponibles y comercializadas de elementos promotores de turbulencia en el flujo tal como lo refiere Popov I. A. et al. [3], estando sometido a investigación el impacto de este tipo de dispositivos y su optimización. Resultados de investigaciones experimentales publicadas por Siddique M. et al. [4], Hussein T. et al. [5], Eiamsa-ard S. et al. [6] y Fernández J., Uhia F. J. [7], ponen de manifiesto las posibilidades de las hélices cilíndricas como turbulizador del flujo en espacios anulares, ya que permiten modificar la hidrodinámica del flujo, con un discreto aumento de la caída de presión. Sin embargo, los análisis experimentales desarrollados no están sustentados por medio de una selección que permita predecir una modificación del régimen de flujo que inducen estos elementos turbulizadores. Este hecho fue señalado por García A. et al. [8] y Çakmak G. et al. [9], quienes además constataron que existían discrepancias significativas entre los resultados de distintas fuentes disponibles. Una de las ventajas más importantes del uso de hélices, es que pueden instalarse en espacios anulares de intercambiadores de ánulos lisos ya existentes, siendo económicamente favorables respecto a otros elementos turbulizadores [10]. 155 Las técnicas de visualización se han empleado para complementar estudios hidrodinámicos y comprobar la turbulencia y/o estabilidad de los regímenes de flujo considerados en cada caso. En la actualidad los ensayos de visualización más empleados han sido la inyección de tinta [11], la visualización con burbujas de hidrógeno [12] y la incorporación de partículas en el flujo [13]. Entre los métodos de visualización de flujo la inyección de tinta se distingue por su economía y trazabilidad. Combinando esta técnica con la medición precisa del flujo, es posible determinar los valores de Reynolds crítico considerados en cada caso. Atendiendo a lo expresado anteriormente, esta investigación evalúa de manera experimental la influencia de las hélices cilíndricas en la aparición de la turbulencia en el flujo anular. La determinación del número de Reynolds crítico, cuando se insertan hélices cilíndricas en un espacio anular, puede contribuir a una selección adecuada de la geometría de estos elementos turbulizadores y al diseño térmico de intercambiadores de calor más eficientes. MATERIALES Y METODOS El sistema experimental empleado está compuesto por un conducto anular, semejante a un intercambiador de calor de tubo en tubo (doble tubo). El tubo exterior (1) es de acrílico transparente de 61.6 mm de diámetro interior (Di) dispuesto horizontalmente, en el cual está ubicado de manera concéntrica un tubo de cobre (2) de diámetro exterior (de) igual a 21,3 mm. El agua, que es empleada como fluido de trabajo, es impulsada por una bomba centrifuga sumergible (3), siendo el caudal regulado por medio de dos válvulas de aguja (6). La figura 1 muestra un esquema de la instalación experimental con los distintos elementos que la componen. Figura 1. Esquema de la instalación experimental con los elementos que la componen Elementos que componen la instalación experimental (1) Tubo exterior de acrílico, (2) Tubo interior de cobre, (3) Bomba centrífuga sumergible, (4) Aguja inyectora, (5) Depósito de tinta, (6) Válvulas, (7) Manómetro diferencial, (8) Flujómetro de Coriolis, (9) Termómetro. Para la determinación de la caída de presión se ubicó un manómetro diferencial de columna invertida (7) entre la entrada y la salida del flujo. El flujo se mide por medio de un flujómetro de Coriolis (8). La tabla 1 agrupa los parámetros geométricos de la instalación de visua (...truncated)