Thermodynamic optimization of heat transfer in internal gas flow with conical ring inserts

Abstract

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