Heat transfer and ice slurry production analysis in scraped surface plate heat exchangers

Abstract

[SPA] En esta Tesis Doctoral se realiza un estudio de la producción de hielo líquido en un intercambiador de calor de placas de superficie rascada rotativo (SSPHE). La investigación considera aspectos fundamentales como la transferencia de calor, el consumo de potencia o la morfología de los cristales de hielo producidos. El intercambiador de calor consiste en un tanque cilíndrico con una superficie rascada en la base. El sistema de rascado se compone de cuatro palas rascadoras accionadas por un eje rotativo. Como base para producir el hielo líquido se usa una salmuera de cloruro de sodio con diferentes concentraciones (2.9 to 9.4 wt %), produciéndose éste en modo discontinuo o "batch". La superficie rascada se enfría por el lado opuesto mediante un flujo constante de cloruro de sodio en agua, a su vez enfriado por la expansión de un refrigerante en un evaporador compacto. La acción de los rascadores arranca el hielo adherido a la placa base, añadiendo los cristales microscópicos de hielo a la mezcla. El rango de condiciones de trabajo ensayadas ha sido amplio: velocidades de rascado desde 0.1 a 0.8 s-1 y diferencias logarítmicas de temperatura desde 0.5 a 2.5 ºC. La acción de los rascadores promueve la transferencia de calor y masa, que no solo garantiza la ausencia de una gruesa capa de hielo sobre la superficie si no que también induce desplazamientos macroscópicos del flujo. El número de Nusselt se ha obtenido mediante la medida precisa de las temperaturas del proceso y las propiedades del hielo líquido. Los resultados experimentales muestran una dependencia del inicio de la nucleación con la velocidad de rascado y el subenfriamento de la pared. Como consecuencia del crecimiento de la capa de hielo, el número de Nussel disminuye para valores crecientes de subenfriamiento, mientras que el efecto de la velocidad de rascado es bajo. Así mismo la potencia de accionamiento muestra una mayor dependencia con la presencia de hielo en la pared, y no con otros parámetros. Se ha realizado una visualización del flujo empleando partículas similares al hielo para estudiar el flujo bifásico. Para estudiar el campo de velocidades con flujo monofásico se ha empleado la técnica de Velocimetría por Imagen de Partículas, analizando valores de número de Reynolds rotativo equivalentes. El patrón de flujo ha sido identificado y relacionado con los mecanismos de mezclado del flujo. Complementariamente al análisis experimental se ha llevado a cabo un estudio numérico empleando el código OpenFOAM. Los resultados numéricos han sido parcialmente validados con los datos experimentales, proporcionando información acerca del flujo tridimensional en el SSPHE. La información obtenida y analizada permite extender el conocimiento de los mecanismos implicados en la producción de hielo líquido en el SSPHE basándose en aspectos fundamentales como la transferencia de calor y la potencia de accionamiento. Así mismo, ésta puede ser de gran utilidad en el diseño de futuros dispositivos, ayudando a alcanzar mejores condiciones de trabajo.

[ENG] The present Doctoral Thesis reports a detailed study of the ice slurry production in a scraped surface plate heat exchanger (SSPHE). The investigation work considers fundamental aspects as the heat transfer, the power consumption and the morphology of the produced ice crystals. The heat exchanger consists of a cylindrical tank with a scraped heat transfer surface at the bottom. The scraper system is composed of four rotating blades driven by a rotating shaft. Deferent sodium chloride brines (2.9 to 9.4 wt %) are employed as the base solution for the generation of ice slurries in a batch process. The heat transfer surface is cooled underneath by a constant ow of calcium chloride solution in water, subsequently cooled by the expansion of a refrigerant in a compact evaporator. The action of the scrapers pull o_ the ice adhered to he plate surface, adding the microscopic ice crystals to the slurry. A wide range of operating conditions has been tested: scraping velocities from 0.1 to 0.8 sð€€€1 and logarithmic temperature deference’s from 0.5 to 2.5 _C. Heat and mass transfer is promoted due to the action of the scrapers, which not only guarantees the existence of nucleation directly on the subcooled surface but also induces macroscopic displacements of the ow. Nusselt number results have been obtained through the accurate measurement of the precess temperatures and the slurry properties. Experimental results showed a dependence of the nucleation onset with the scraping velocity and the wall subcooling degree. The Nusselt number decreased for increasing wall subcooling degrees as a consequence of the ice layer scaling, with a low effect of the scraping velocity. The driving motor power consumption showed also a dependence with the presence of ice on the scraped surface, not being very influenced by other parameters. Flow visualization with icelike polymer particles has performed to study the twophase ow and the eventual stratification. PIV technique has been employed to obtain the velocity field inside he SSPHE with a single phase ow for equivalent rotating Reynolds numbers. The main ow structure has been identified and related to the mixing mechanism of the flow. Complementary to the experimental analysis, a numerical ow analysis was carried out employing the software package OpenFAOM. The numerical results proved their validity in reproducing the flow pattern observed experimentally, providing additional detail of the flow structure inside the SSPHE. The obtained information extends the understanding of the mechanisms involved in the ice slurry production in the SSPHE, with an special attention to essential aspects like heat transfer and power consumption. Future designs of devices similar to the SSPHE can be benefited of this knowledge for achieving a better operating conditions.