Modelamiento y simulación de un tubo de calor de alta temperatura

Abstract

Resumen: La tecnología de tubos de calor de alta temperatura permite recuperar la energía residual de procesos industriales que día a día se ven obligados a comprometerse en la solución de importantes limitaciones como la contaminación de gases efluentes, perdida deliberada de energía a los alrededores, limitación en el espacio físico para mejorar el proceso y aumento indiscriminado de los costos de inversión. Sin embargo, los tubos de calor de alta temperatura, presentan limitaciones en su funcionamiento como es la membrana porosa y los gases no condensables que deterioran el rendimiento térmico para la captación del calor de desecho. Por lo tanto, en este proyecto se desarrolló un modelo matemático bidimensional en estado estacionario que predice el comportamiento de un tubo de calor de alta temperatura (temperatura superior a 950 K). El modelo toma en cuenta las ecuaciones fundamentales de continuidad, momentum y energía en régimen laminar. Se determinó el perfil de velocidades de la fase líquida y de vapor, el perfil de concentración de la fase líquida, el perfil de fracción másica de la mezcla gas-vapor y el perfil de temperatura para la fase líquida y de vapor. El modelo es capaz de predecir y analizar la transferencia, el transporte de masa y de calor que se genera en su interior y la limitación térmica que sufre a consecuencia de la membrana porosa y los gases no condensables. El modelo fue solucionado numéricamente en código CFD mediante el software Comsol multhyphics 3.5, teniendo en consideración la variación en la geometría del tubo de calor para determinar la mejor configuración posible.

Abstract: The heat pipe technology high temperature recovers waste energy from industrial processes every day are forced to engage in solving important limitations as effluent gas pollution, loss of energy deliberate around, limitation in physical space to improve the process and indiscriminate increase in investment costs. However, the heat pipes high temperature, have limitations in their operation as the porous membrane and non-condensable gases which deteriorate the thermal efficiency for capturing waste heat. Therefore, in this project we developed a two-dimensional mathematical model that predicts the steady state behavior of a heat pipe high temperature (temperature above 950 K). The model takes into account the fundamental equations of continuity, momentum and energy in laminar regime. We determined the velocity profile of the liquid and vapor phase, the concentration profile of the liquid phase, the mass fraction profile of the gas-steam mixture and the temperature profiles for the liquid and vapor phase. The model is able to predict and analyze the transport, mass and heat transfer generated in its interior and which undergoes thermal limiting a result of the porous membrane and the noncondensable gases. The model was solved numerically using software code Comsol CFD multhyphics 3.5, taking into consideration the variation in the geometry of the heat pipe to determine the best possible configuration.