Análisis experimental de los mecanismos de mejora termohidráulica en reactores de flujo oscilatorio

Abstract

[SPA] En este trabajo se realiza un estudio detallado de las características termohidráulicas de los reactores de flujo oscilatorio. Estos dispositivos consisten en un equipo tubular de operación continua en el que se inserta una geometría para promocionar el mezclado y, a su vez, se superpone un flujo oscilatorio. La geometrías insertadas estudiadas han sido los deflectores de un solo orificio y los deflectores de tres orificios. La interacción de la geometría insertada y del caudal oscilatorio permite promover la transferencia de calor junto con el mezclado radial, de forma que es posible trabajar con bajos caudales netos (para los que correspondería un flujo laminar) y, a la vez, obtener coeficientes de transferencia de calor e intensidades de mezclado propias de un flujo turbulento. Como principal aplicación de estos dispositivos destacan las reacciones químicas con un alto tiempo de residencia, que imponen trabajar con bajos caudales netos si se quiere obtener un tamaño razonable del equipo. La metodología empleada a lo largo de la Tesis ha sido fundamentalmente experimental. Uno de las mayores complejidades de estos dispositivos es la naturaleza oscilatoria del flujo, lo que ha llevado a desarrollar una metodología específica para esta aplicación, tanto para la visualización de los patrones de flujo como para cuantificar la disipación de potencia. Los patrones de flujo se han analizado mediante dos técnicas complementarias: la visualización mediante burbujas de hidrógeno y la Velocimetría por Imágenes de Partículas. Los ensayos han permitido observar el comportamiento del flujo en varias condiciones de operación con flujo neto, oscilatorio o ambos superpuestos. El consumo de potencia asociado al flujo neto se ha caracterizado mediante el factor de fricción de Fanning, medido para un amplio rango de números de Reynolds neto, observándose las regiones de flujo laminar, de transición y turbulento. En cuanto al consumo de potencia asociado al flujo oscilatorio, se ha analizado un amplio rango de números de Reynolds oscilatorio y de amplitudes de oscilación, proporcionando por primera vez resultados experimentales adimensionalizados. Para ello, se han definido el factor de fricción de Fanning oscilatorio y el número de Potencia. La transferencia de calor se ha estudiado para un amplio rango de números de Reynolds neto, números de Reynolds oscilatorio y números de Prandtl; proporcionándose correlaciones del número de Nusselt en función de dichos números adimensionales. También se estudian otros aspectos de la transferencia de calor como son la estratificación o el número de Nusselt local. Por último, se ha desarrollado un modelo numérico para evaluar la caída de presión en régimen laminar, tanto en condiciones de flujo neto como oscilatorio. Este modelo ha sido validado con los resultados experimentales y ha permitido estudiar en mayor detalle otros conceptos como son la periodicidad espacial y temporal. Toda esta información ha permitido ampliar el conocimiento acerca de ciertos aspectos de los reactores de flujo oscilatorio no abarcados por la bibliografía especializada, lo que en un futuro permitirá un diseño más preciso de estos dispositivos. [ENG] In this work, a detailed study of the thermal-hydraulic characteristics of oscillatory Flow reactors is carried out. These devices consist of a tubular equipment with a net flow in which an insert is introduced to promote mixing and, additionally, an oscillatory flow is superimposed. The inserts which have been studied are the single orifice baffles and the three orifice baffles. The interaction between the inserts and the oscillatory flow promotes the heat transfer and the radial mixing, allowing for their operation with low net flows (which can lead to a laminar flow) and, at the same time, obtaining high heat transfer coefficients and mixing intensities. Chemical reactions with a high residence time are the main application of these devices. These kind of reactions require working with low net flows to obtain a reasonable size of the equipment. The methodology used throughout this Thesis has been mainly experimental. One of the greatest complexities of these devices is the oscillatory behaviour of the flow, which required the development of a specific methodology for this application, both for the Flow visualization and for the power dissipation measurements. The flow patterns have been studied using two complementary techniques: hydrogen bubbles visualization and Particle Image Velocimetry. The tests have allowed us to observe the flow behaviour under several operating conditions: net flow, oscillatory flow or both superimposed. The power consumption associated with the net flow operation has been characterized by the Fanning friction factor, measured for a wide range of net Reynolds numbers, detecting the laminar, transitional and turbulent flow regimes. Regarding the power consumption associated with the oscillatory flow, a wide range of oscillatory Reynolds numbers and oscillation amplitudes have been tested, providing dimensionless experimental results. To this aim, the oscillatory Fanning friction factor and the Power number have been defined. Heat transfer has been studied for a wide range of net Reynolds numbers, oscillatory Reynolds numbers and Prandtl numbers; Nusselt number correlations as a function of these dimensionless numbers are provided. Other aspects relevant to heat transfer are studied, such as flow stratification or the local Nusselt number. Finally, a numerical model has been developed in order to study the pressure drop under laminar flow conditions and net or oscillatory flow. This model has been validated using experimental results, and has allowed us to study other aspects such as spatial and temporal periodicity. These results have allowed us to broaden our knowledge about certain aspects, which are not properly explained in the open literature, of oscillatory flow reactors. This knowledge will make possible a more precise design of these devices in the near future.