Revista UIS Ingenierías

Vol. 19 Núm. 3 (2020): Revista UIS Ingenierías
Artículos

Optimización termodinámica de la transferencia de calor en flujos internos de gases con insertos tipo anillo cónico

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  • Miguel Leonardo Baritto,
  • Sergio Otero,
  • Luis Suárez,
  • Johane Bracamonte
Miguel Leonardo Baritto
Universidad Central de Venezuela
Sergio Otero
Universidad Central de Venezuela
Luis Suárez
Universidad Central de Venezuela
Johane Bracamonte
Universidad Central de Venezuela
DOI: https://doi.org/10.18273/revuin.v19n3-2020011

Publicado 2020-05-22

Palabras clave

  • optimización,
  • insertos,
  • anillos cónicos,
  • calentamiento subsónico,
  • segunda ley

Cómo citar

Baritto, M. L., Otero, S., Suárez, L., & Bracamonte, J. (2020). Optimización termodinámica de la transferencia de calor en flujos internos de gases con insertos tipo anillo cónico. Revista UIS Ingenierías, 19(3), 103–116. https://doi.org/10.18273/revuin.v19n3-2020011

Derechos de autor 2020 Revista UIS Ingenierías

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Resumen

El uso de insertos estáticos permite el diseño de intercambiadores de calor de menor volumen, pero también pueden ser implementados en equipos existentes para mejorar su rendimiento. En este trabajo se desarrolla una metodología para la optimización termodinámica de insertos cónicos para el calentamiento de gases en tuberías a partir de un modelo algebraico adimensional. Se plantean y resuelven dos casos de optimización: el diseño de un intercambiador de calor en donde las únicas variables fijas son la temperatura de entrada y la transferencia de calor requerida. El segundo caso es la incorporación de los insertos a un intercambiador existente, en donde la temperatura de carga, flujo de masa y las características geométricas de la tubería son los parámetros fijos. Como resultados se presenta un análisis paramétrico en donde se estudia la influencia de distintos parámetros de diseño en la temperatura de descarga y la irreversibilidad termodinámica. Luego se presentan los resultados del proceso de optimización para distintas combinaciones de parámetros, y se discute las tendencias encontradas en las configuraciones óptimas. Los resultados son aplicados en un ejemplo para ilustrar el interés práctico de la metodología. Se encontró que para ambos casos de optimización las configuraciones óptimas corresponden a la mínima severidad de los insertos, mientras que los diseños óptimos corresponden siempre a la mínima relación de aspecto posible (L/D) para las tuberías, mientras que el número de tubos, contemplado en el número de Reynolds, se ajusta para satisfacer la temperatura de descarga.

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Referencias

[1] R. M. Manglik, A. E. Bergles, “Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Twisted-Tape Inserts in Isothermal Tubes: Part I—Laminar Flows,” J. Heat Transfer, vol. 115, no. 4, pp. 881–889, 1993, doi: 10.1115/1.2911383

[2] R. M. Manglik, A. E. Bergles, “Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Twisted-Tape Inserts in Isothermal Tubes: Part II—Transition and Turbulent Flows,” J. Heat Transfer, vol. 115, no. 4, pp. 890–896, 1993, doi: 10.1115/1.2911384

[3] A. Bejan, Entropy Generation Minimization: the Method of Thermodynamic Optimization if Finite-size Systems and Finite-time Processes. Boca Ratón, NY, USA: CRC Press, 1996.

[4] A. E. Bergles, M. K. Jensen, E. Somerscales, R. M. Manglik, “Literature Review of Heat Transfer Enhancement Technology for Heat Exchanges in Gas-Fired Applications,” Instituto de Investigación del Gas, Chicago, IL, USA, Rep. GRI 91-0146, 1991.

[5] A. E. Bergles, Techniques to Enhance Heat Transfer, disponible en Handbook of Heat Transfer, 3ra ed. Nueva York, NY, USA: McGraw-Hill, 1998.

[6] R. M. Manglik, Heat Transfer Enhancement vol. 1., Cincinnati, OH, USA:John Willey & Sons, Inc., 2003.

[7] S. Chikh, N. Allouache, “Optimal performance of an annular heat exchanger with a porous insert for a turbulent flow,” Appl. Therm. Eng., vol. 104, pp. 222–230, 2016, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.05.069

[8] M. Hatami, D. D. Ganji, M. Gorji-Bandpy, “Investigations of fin geometry on heat exchanger performance by simulation and optimization methods for diesel exhaust application,” Neural Comput. Appl., vol. 27, no. 6, pp. 1731–1747, 2016, doi: 10.1007/s00521-015-1973-1

[9] L. Wang, B. Sundén, “Performance comparison of some tube inserts,” Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 29, no. 1, pp. 45–56, 2002, doi: 10.1016/S0735-1933(01)00323-2

[10] S. Sanaye, H. Hajabdollahi, “Multi-objective optimization of shell and tube heat exchangers,” Appl. Therm. Eng., vol. 30, no. 14–15, pp. 1937–1945, 2010, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2010.04.018

[11] H. Najafi, B. Najafi, P. Hoseinpoori, “Energy and cost optimization of a plate and fin heat exchanger using genetic algorithm,” Applied thermal Engineering, vol. 31, no. 10, pp. 1839-1847, 2011, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2011.02.031

[12] U. Milovancevic, B. Jacimovic, S. Genic, F. El-Sagier, M. Otovic, S. Stevanovic, “Thermoeconomic analysis of spiral heat exchanger with constant wall temperature,” Therm. Sci., vol. 23, no. 1, pp. 401–410, 2019, doi: 10.2298/TSCI170605150M

[13] C. Casarosa, “Thermoeconomic optimization of heat recovery steam generators operating parameters for combined plants,” Energy, vol. 29, no. 3, pp. 389–414, 2004, doi: 10.1016/S0360-5442(02)00078-6

[14] D. Eryener, “Thermoeconomic optimization of baffle spacing for shell and tube heat exchangers,” Energy Convers. Manag., vol. 47, no. 11–12, pp. 1478–1489, 2006, doi: 10.1016/j.enconman.2005.08.001

[15] M. Di Somma et al., “Design optimization of a distributed energy system through cost and exergy assessments,” Energy Procedia, vol. 105, pp. 2451–2459, 2017, doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.706

[16] G. Tsatsaronis, L. Lin, J. Pisa, “Exergy Costing in Exergoeconomics,” J. Energy Resour. Technol., vol. 115, no. 1, pp. 9–16, 1993, doi: 10.1115/1.2905974

[17] P. K. Nag, P. Mukherjee, “Thermodynamic optimization of convective heat transfer through a duct with constant wall temperature,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 30, no. 2, pp. 401–405, Feb. 1987, doi: 10.1016/0017-9310(87)90128-1

[18] P. Mukherjee, G. Biswas, P. K. Nag, “Second-Law Analysis of Heat Transfer in Swirling Flow Through a Cylindrical Duct,” J. Heat Transfer, vol. 109, no. 2, pp. 308–313, 1987, doi: 10.1115/1.3248081

[19] M. Li, A. C. K. Lai, “Thermodynamic optimization of ground heat exchangers with single U-tube by entropy generation minimization method,” Energy Convers. Manag., vol. 65, pp. 133–139, 2013, doi: 10.1016/j.enconman.2012.07.013

[20] K. Altfeld, W. Leiner, M. Fiebig, “Second law optimization of flat-plate solar air heaters Part I: The concept of net exergy flow and the modeling of solar air heaters,” Sol. Energy, vol. 41, no. 2, pp. 127–132, 1988, doi: 10.1016/0038-092X(88)90128-4

[21] P. Promvonge, “Heat transfer behaviors in round tube with conical ring inserts,” Energy Convers. Manag., vol. 49, no. 1, pp. 8–15, 2008, doi: 10.1016/j.enconman.2007.06.009

[22] F. Incropera, D. Dewitt, Fundamentals of heat and mass transfer 6th Ed. Jefferson city, MO, USA: John Wiley & Sons, 2007.

[23] M. N. Khalaji, I. Kotcioglu, S. Caliskan, A. Cansiz, “The Second Law Analysis of Thermodynamics for the Plate–Fin Surface Performance in a Cross Flow Heat Exchanger,” J. Heat Transfer, vol. 141, no. 1, 2019, doi: 10.1115/1.4041498