Modelamiento y simulación de un sistema de recuperación de calor por medio de tubos de calor de baja temperatura

Abstract

Resumen: Este trabajo presenta el resultado del desarrollo y experimentación de un sistema de recuperación de calor desechado en los aires húmedos que salen de un secador de frutas por medio de tubos de calor. El sistema de recuperación consiste en intercambiador de calor con base en tubos de calor que permite la transferencia eficiente de la energía desechada hacia el refrigerante de una bomba de calor que le confiere su evaporación. El trabajo experimental consistió en caracterizar los tubos de calor previamente construidos mediante la medición de su resistencia térmica bajo diferentes condiciones de operación, tales como inclinación del tubo respecto la horizontal, temperatura de baño térmico y potencia aplicada. De esta parte experimental se obtuvo una resistencia térmica promedio de 0.02 [K/W] para el intervalo de potencia de 50 a 300W. Con los datos de las resistencias térmicas se dimensionó el recuperador de energía el banco de tubos, que consta de 90 tubos con 2.54 cm de diámetro externo y una longitud de 500cm. Se desarrolló un programa en CFD con base en la herramienta Comsol 4.2a para simular la transferencia de energía entre aire húmedo y tubos de calor, el permitió dimensionar el banco de tubos de calor, predecir la condensación del aire húmedo y evaluar el efecto de la caída de presión a través del banco de tubos. Finalmente se simuló el sistema completos de recuperación por medio del software ASPEN PLUS, el cual simuló el proceso de transferencia de energía de éste a los tubos de calor, que luego será transferido a un refrigerante en película descendente que hace parte de la bomba de calor para que finalmente entregue el calor recuperado, como precalentamiento de agua en el proceso de secado. La simulación entrega un ahorro energético de 0.34 [kg/h]. La última parte del trabajo consiste en la validación experimental del equipo, el cual da un ahorro en combustible GLP de 0.17 [kg/h] con respecto al equipo sin utilizar el sistema de recuperación.

Abstract: This work presents the development and experimentation of a heat recovery system from the humidified air from a fruit dryer by heat pipes. The recovery system consists in a heat pipes based heat exchanger that allows the efficient transfer of the waste energy to a heat pump refrigerant to which the heat is transferred. The experimental work involved the characterization of the previously built heat pipes by measuring the thermal resistance under different operating conditions, such as the pipe's horizontal inclination, thermal bath temperature and supplied power. It was found that the average thermal resistance of the heat pipes is 0.02[K/W] for the 50-300 W power range. With these data, the heat recovery system (a bench of tubes) was designed, formed by 90 tubes with 2.54cm diameter and 500cm length. A CFD program based on Comsol 4.2a was developed for simulating the energy transfer between the humidified air and the heat pipes. It was used for sizing the heat pipes exchanger, predicting the humidified air condensation and evaluating the pressure drop through the tubes array. Finally, the overall system was simulated using ASPEN PLUS, which simulated the energy transfer process from it to the heat pipes system, which is transferred to a falling film refrigerant inside the heat pump that consequently delivers the recovered heat as a water preheating stage in the drying process. By this simulation a fuel saving of 0.34 [kg/h]. The last part of this work involves the experimental validation of the equipment, by which a fuel saving in GLP of 0.17 [kg/h] regarding the same equipment without the energy recovery system herein developed.