Caracterización experimental del comportamiento termo-hidraúlico del hielo liquido generado a partir de disoluciones de NACl. Aplicación a cambiadores de calor

Abstract

[SPA] En esta tesis se analiza experimentalmente el comportamiento termo-hidráulico del hielo líquido generado a partir de una disolución al 9% de NaCl y se estudia su aplicación a distintos tipos de intercambiadores de calor de aplicación habitual en la industria. A partir del análisis dimensional de los procesos de pérdida de presión y transmisión de calor en tuberías horizontales, se ha determinado el número mínimo de parámetros adimensionales que incluyen sobre esos procesos, eliminándose del análisis todos aquellos cuya influencia puede considerarse despreciable en aplicaciones de interés industrial. El proceso de pérdida de presión se ha caracterizado a través del coefciente adimensional de pérdida de presión de Darcy, ( ), mientras que el proceso de transmisión de calor se ha caracterizado a través del número de Nusselt, (Nu). Como resultado del análisis realizado se ha llegado a la conclusión de que, en aplicaciones industriales, los parámetros con mayor influencia sobre los procesos de pérdida de presión y transmisión de calor son el número de Reynolds (Re), el contenido en hielo ( ) y la relación de diámetros entre cristales de hielo y tubería (d=D). Para obtener la influencia de cada uno de esos parámetros, se ha diseñado, montado y puesto a punto una instalación experimental de generación, acumulación y aplicación de hielo líquido, específcamente desarrollada para la realización de ensayos experimentales de pérdida de presión y transmisión de calor en un amplio rango de condiciones de funcionamiento. Como resultado más destacable de los ensayos realizados se ha demostrado que, además del contenido en hielo y las condiciones de circulación del fluido, la relación de diámetros tiene también una importante influencia sobre el proceso de pérdida de presión, cuantificándose la influencia de todos esos parámetros en expresiones del tipo = f(Re; ; d=D). Asimismo, se ha cuantificado la influencia que sobre el proceso de transmisión de calor tienen el contenido en hielo y las condiciones de circulación del fluido, presentándose a través de expresiones del tipo Nu = f(Re; ), quedando como línea de investigación abierta la evaluación de la influencia que la relación de diámetros tiene sobre las características del proceso de transmisión de calor. Finalmente se ha caracterizado experimentalmente el comportamiento de dos intercambiadores de calor diferentes funcionando con hielo líquido y se ha comparado con la predicción teórica que puede obtenerse aplicando las correlaciones presentadas en esta tesis, comprobándose la validez de las mismas. Adicionalmente, se ha comparado el funcionamiento de los intercambiadores ensayados con el que se tendría en caso de aplicación indirecta de hielo líquido empleando como fluido térmico sólo su fase líquida, llegándose a la conclusión de que ésta es una alternativa que debe ser siempre tenida en cuenta, especialmente en aquellas instalaciones en las que la circulación de cristales de hielo por el interior de los equipos plantea problemas de regulación y control de los mismos, pues permite eliminar esos problemas conservando la alta capacidad de almacenamiento de frío propia de cualquier sistema de acumulación de hielo líquido.

[ENG] The thermal and rheological behaviour of the ice slurry made from 9% NaCl brine has been experimentally studied in this thesis, as well as its application in diferent heat exchangers. Starting from the dimensional analysis of pressure drop and heat transfer processes, the minimum numbers of non-dimensional parameters present in these processes have been determined. Pressure drop process has been characterized by the Darcy friction factor,( ), whereas heat transfer process has been characterized by the Nusselt number, (Nu). Dimensional analysis shows that, in industrial applications, the main influence parameters on the ice slurry behaviour are flow Reynolds number, (Re), ice mass concentration, ( ) and ice particle-pipe diameter ratio, (d=D). An experimental facility has been developed in order to obtain the influence of the involved parameters on pressure drop and heat transfer processes characteristics under a wide range of test conditions. The most remarkable result obtained is a clear influence of ice particle-pipe diameter ratio in ice slurry rheological behaviour, not previously reported by other researchers. Influence of all involved parameters has been correlated by equations in the form = f(Re; ; d=D), while heat transfer process has been characterized by equations in the form Nu = f(Re; ). The analysis of ice particle-pipe ratio influence remains open for future research works. Finally, ice slurry flow through two different heat exchangers has been analyzed. Experimental results have been compared to theoretical predictions obtained using the correlations proposed in this thesis, showing a good agreement. Additionally, ice slurry direct application has been compared to indirect application in the studied heat exchangers. The main conclusion obtained is that the ice slurry indirect application is an alternative solution which must always be taken into account, especially in those cases that ice slurry direct application generates control or regulation difficulties. In these cases, indirect application maintains ice slurry systems thermal accumulation capacity, preventing all problems related to slurry flow technology.