8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UN SISTEMA DE INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE UN COMBUSTOR DE MEDIO POROSO Y

UN FLUJO DE AIRE, QUE UTILIZA TUBOS DE CALOR COMO ELEMENTOS AUXILIARES DE TRANSPORTE

ROSAS, C., MORAGA, N., BUBNOVICH, V., CAMPOS, J. Y ALFREDO JONQUERA, A.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Santiago de Chile,

Av. Bdo. O’Higgins 3363, Santiago, Fax 6823020 , E-mail: crosas@ lauca. usach.cl.

RESUMEN

Se presenta un estudio experimental para verificar el comportamiento térmico de un sistema intercambiador de calor entre un combustor de medio poroso y un flujo de aire que pasa por un espacio anular concéntrico al combustor, que utiliza tubos de calor como elementos auxiliares de transporte de calor. El propósito del estudio es determinar la efectividad de los tubos de calor en el proceso de transferencia de calor, por lo que se analizan dos situaciones físicas, a saber: Sistema sin tubos de calor y sistema con tubos de calor. Para lograr el objetivo propuesto se diseña y construye un prototipo del sistema base y de los tubos de calor, utilizando materiales compatibles con las altas temperaturas alcanzadas en éstos. Para el desarrollo del trabajo experimental se usa metano como combustible, y el prototipo es instrumentado con un sistema computacional para controlar la mezcla aire/combustible y medir temperaturas en puntos de control preestablecidos en el combustor y flujo de aire. Primero se somete a pruebas el sistema sin tubos de calor, y posteriormente se instalan estos dispositivos y se somete a nuevas pruebas. Los resultados obtenidos permiten verificar que la incorporación de tubos de calor incrementan efectivamente la transferencia de calor en el sistema.

PALABRAS CLAVE: Transferencia de calor, mecánica de fluidos, medios porosos, tubos de calor.

INTRODUCCIÓN Un hecho relevante en los últimos años, tanto a nivel mundial como nacional, ha sido el reconocimiento de que se requiere con urgencia aumentar la eficiencia del uso de la energía, junto con una reducción drástica de la emisión de contaminantes. En relación a esto se ha desarrollado un gran interés por la investigación de la combustión de combustibles fósiles gaseosos en medios porosos, debido a las notables ventajas que presenta respecto a los procesos de combustión convencionales de flama libre, entre las cuales destacan: Un amplio rango de variación de la potencia, de 1:20 comparado con el rango de los combustores convencionales en que sólo es de 1:3; una alta potencia específica ( o densidad de potencia) lo que significa que tengan un volumen de hasta 10 veces menor que el de un combustor convencional, para cargas térmicas comparables; una combustión estable para mezclas de aire/combustibles pobres (razones de equivalencia de 0.91 a 0.53); una mayor eficiencia y una notable reducción de las emisiones contaminantes [1], [2]. En base a lo expuesto, y considerando el amplio campo de aplicaciones que tiene esta relativamente nueva tecnología de combustión; como es por ejemplo el calentamiento de aire para usos domésticos e industriales, es que en este trabajo se presenta un estudio cuyo objetivo es realizar un estudio experimental, para verificar el aumento en la transferencia de calor al aire al incluir tubos de calor en un sistema intercambiador de calor, compuesto por un combustor de medio poroso inerte y un flujo de aire que pasa a través de un espacio anular concéntrico al combustor. Para lograr el objetivo propuesto se diseña y construye un prototipo del sistema constituido por un combustor de medio poroso, un espacio anular por donde fluye el aire a calefaccionar y los tubos de calor. Para el desarrollo del trabajo experimental se usa metano como combustible, y el prototipo es instrumentado con un sistema computacional para controlar la mezcla aire/combustible y medir temperaturas en puntos de control preestablecidos en el combustor y flujo de aire. Primero se somete a pruebas el sistema sin tubos de calor, y posteriormente se instalan estos dispositivos y se somete a nuevas pruebas. SITUACIÓN FÍSICA En la figura 1 se representa esquemáticamente el sistema intercambiador de calor, cuyo diseño se basa en un trabajo teórico desarrollado previamente en esta línea temática [3], donde los flujos de aire y mezcla de aire-combustible tienen el mismo sentido. Por el cilindro interior fluye hacia arriba la mezcla de aire-combustible que pasa a través del medio poroso formado esferas de alúmina, donde se produce la combustión; mientras que por el espacio anular fluye el aire a calefaccionar.

Salida de gases

Tubo de calor

Flujo de aire

Flujo de mezcla aire-combustible

Salida aire caliente

Fig.1: Representación esquemática del sistema físico

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Con el propósito de realizar una simulación computacional que permita predecir el comportamiento físico del sistema en estudio, el cual depende básicamente de los fenómenos de mecánica de fluidos y transferencia de calor en cada una de las partes que conforman el sistema completo, tal como se representa esquemáticamente se representa en la figura 2, se plantea el modelo matemático que gobierna a este sistema.

Fig.2: Representación esquemática del fenómeno físico

El modelo matemático, en general, está constituido por las ecuaciones de continuidad, momentum lineal, energía , conservación de masa y reacción química, las cuales en sus formas generales son:

Ecuación de continuidad: 0Vtρ ρ∂+ ∇ ⋅ ⋅ =

∂

ur (1)

Ecuación de momento lineal: 2( )dv v v P g vdt

ρ ρ µ⋅ + ⋅∇ = −∇ + + ⋅∇ (2)

Ecuación de la energía: ( ) ( ) '''dTCp v T k T qdt

ρ ⋅ ⋅ + ⋅ ∇ = ∇ ⋅ ∇ + (3)

Ecuación de conservación de masa : 1 M MG r z met

w w w w wv v r D D rt r z r r r z z

ρ ∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂ ∂⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + = ⋅ + −⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (4)

Velocidad de reacción: ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅−⋅⋅⋅=

TRoEaKwr Gif expρ (5)

Coeficiente de intercambio de calor superficial entre el gas y el sólido: ( ) 21 6dpNu

G ⋅⋅−= λεα (6)

Donde: ( )6.03/1 RePr1.12 ⋅⋅+=Nu , µρε ⋅⋅⋅

=dpuRe ,

PrCp

G⋅

=µλ (7)

Conductividad efectiva del sólido incluyendo la radiación entre las partículas: ( ) RADSeff λλελ +−= 1 (8)

Ecuación química para la combustión (Metano-Aire):

( ) 222222452.7)11(2 276.32 NOOHCONOCH ⋅+⋅−⋅+⋅+→⋅+⋅+φφφ

(9)

Debido a la combustión en una estructura porosa, el traspaso de energía por conducción ocurre vía interacciones atómicas y moleculares en el material respectivo y se basa en la ley de Fourier:

i

xfxfL x

Tq

∂

∂⋅−=

• ,,λ (10)

i

xfxfL x

Tq

∂

∂⋅−=

• ,,λ (11)

La transferencia de calor producida por convección ocurre en procesos macroscópicos y depende del campo de flujo, del campo de temperaturas, del calor específico y de la entalpía de la mezcla.

La transferencia de calor desde la zona de reacción, es gobernada por la Ley de enfriamiento de Newton:

( )wff TTq −⋅=•

α (12)

El coeficiente de transferencia de calor podrá ser determinado mediante la conductividad del fluido y del espesor de la capa límite:

δλ

α ff = (13)

La adimensionalización de la transferencia de calor por convección es descrita por el número de Nusselt.:

f

fu

LIN

λα ⋅

= (14)

Por otro lado la transferencia de calor mediante el mecanismo de radiación esta descrito por las leyes de Stefan-Boltzmann, de Planck y de Kirchhoff.

Donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann: 4281067051.5

KmW−⋅=σ (15)

El flujo del calor que es irradiado a través de la superficie del cuerpo hacia el espacio, se cuantifica mediante la siguiente expresión:

Filtro de aire Unión tipo Y Sistema poroso mezclador

4TEq B ⋅⋅=•

σ (16)

TRABAJO EXPERIMENTAL El propósito fundamental del trabajo experimental es verificar el funcionamiento real del sistema en estudio, y la efectividad de los tubos de calor, que son dispositivos de alta conductancia térmica, utilizados como elementos auxiliares para el transporte de calor entre el combustor de medio poroso y el flujo de aire que se calefacciona, tal como se muestra en la figura 1. Para cumplir con este propósito se somete a pruebas experimentales al sistema físico sin y con tubos de calor. Instalación experimental En la figura 3 se representa esquemáticamente el layout de la instalación, donde se muestran sus principales componentes. La función de los controladores de flujo es regular los caudales de gas metano, que se utiliza como combustible, y de aire para formar la mezcla de ambos de acuerdo a una RAC, o relación de equivalencia, y velocidad de alimentación de la mezcla, especificadas. El prototipo del sistema calefactor es instrumentado con termopares para la medición de temperaturas; cuatro de éstos son tipo S y se instalan sobre el eje central del medio poroso en la zona se estaciona el frente de combustión; termopares tipo K son instalados en la entrada de la mezcla aire-combustible, en la salida de los gases de combustión y en la entrada y salida del flujo de aire que pasa por el espacio anular. Tanto el manejo de los controladores de flujo como la adquisición de datos de temperatura se realizan mediante un sistema computacional.

Fig.3: Representación esquemática de la instalación experimental

Tanques de aire y metano

Filtro de aire

Controladores de flujo

Homogenizador de mezcla

Prototipo del sistema intercambiador

Una vez que el sistema se pone en marcha, lo cual comienza con el encendido del combustor, se activa el sistema computacional de adquisición de datos, el cual se mantiene en operación hasta que se alcanza el régimen de funcionamiento estacionario, lo que a su vez pasa por la estabilización del frente de combustión, lo que se logra controlando el calor traspasado al flujo de aire que circula por el espacio anular.

PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Se presentan los resultados obtenidos con valores de los parámetros de funcionamiento que proporcionan la mayor eficiencia del prototipo, esto es para una relación de equivalencia φ = 0,7 y una velocidad de entrada de la mezcla aire-combustible V= 0,15 m/s. Resultados de las simulaciones computacionales En la figura 4 se muestran las distribuciones de temperaturas en las paredes del combustor de medio poroso y de la coraza exterior del prototipo del sistema de intercambio de calor, obtenidas mediante la simulación computacional para la cual se utiliza el software COSMOSWORK. Se observa que en la pared del combustor la temperatura máxima, la cual es del orden de 820 K, se localiza en la posición axial donde se encuentra el frente de combustión. La temperatura máxima en la pared de la coraza exterior, la cual es del orden 600 K, se localiza en la parte superior de ésta.

Fig. 4: Simulación computacional de la distribución de temperaturas en la pared del combustor de medio poroso y en la pared de la coraza exterior.

En la figura 5 se muestran las distribuciones de temperaturas en la pared del contenedor de los tubos de calor, las cuales fueron obtenidas con el software ADINA. Se observa que la temperatura máxima se localiza sobre la zona del evaporador, la cual se encuentra inserta en el combustor de medio poroso.

Fig. 5: Simulación computacional de la distribución de temperaturas en la pared del tubo de calor. Resultados experimentales En las figuras 6 y 7 se presentan los resultados obtenidos en las pruebas experimentales realizadas al prototipo del sistema. En la figura 6 se presenta la evolución en el tiempo de las temperaturas medidas por los termopares ubicados sobre el eje central del combustor de medio poroso. El termopar 1 está ubicado aguas arriba del frente de combustión, el 3 está ubicado sobre el frente de combustión y el 4 está ubicado aguas abajo de éste. Se observa que la temperatura máxima, como es de esperar, es la capturada por el termopar 3, la cual se estabiliza alrededor de los 1100 ºC, le sigue en orden descendente la temperatura capturada por el termopar 4, la que se estabiliza alrededor de los 1000 ºC, quedando en último nivel la temperatura capturada por el termopar 1, la cual en el periodo de tiempo en que se realiza el experimento no se alcanza a estabilizar.

0

200

400

600

800

1000

1200

7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000

Tem

pera

tura

(ºC

)

Tiempo (s)

Temperatura termopares v/s tiempo

Termopar 4

Termopar 3

Termopar 1

Fig.6: Variación de las temperaturas en los termopares, para φ =0.7 y V = 0,15 m/s.

En la figura 7 se presenta la evolución en el tiempo del flujo de calor transferido desde el combustor de medio poroso al flujo de aire que pasa por el espacio anular y que se desea calentar. Se observa que en el sistema sin tubos de calor el flujo de calor transferido se estabiliza alrededor de los 0,9 kW, mientras que en el sistema con tubos de calor, incorporados como elementos auxiliares de transporte de calor, el flujo de calor transferido se estabiliza en 1,5 kW, lo que significa que la incorporación de los tubos de calor en el sistema produce un incremento del orden de 0,6 kW, es decir en 66,6 %.

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Fluj

o de

cal

or (k

W)

Tiempo (s)

Flujo de calor salida aire v/s tiempo

SIN TUBOSCON TUBOSCALOR POR TUBOS

Fig.7: Variación del flujo de calor del aire de salida, para φ =0.7 y V = 0,15 m/s. con y sin tubos de

calor, además se presenta el flujo de calor transportado por los tubos de calor CONCLUSIONES De la observación y análisis de los resultados experimentales obtenidos en las pruebas realizadas al prototipo sin y con tubos de calor se puede concluir, primero que el objetivo central de este trabajo ha sido logrado cabalmente, puesto que se ha verificado que la incorporación de los tubos de calor en el sistema sistema intercambiador de calor, compuesto por un combustor de medio poroso y el flujo de aire que pasa a través del espacio anular concéntrico al combustor, significa un aumento significativo en la transferencia de calor, respecto al mismo sistema cuando no tiene estos elementos incorporados; y en segundo lugar permite cuantificar este incremento, el cual alcanza el 66,6 %, lo que se debe a que en el sistema sin tubos de calor la transferencia desde la superficie externa de la pared del combustor al flujo de aire es por convección , mientras que los tubos de calor son dispositivos de alta conductancia térmica REFERENCIAS 1.Y. Xuan, and R. Viskanta, Numerical investigation of a porous matrix combustor heater, Numerical Heat Transfer,

Part A, Num (36), 359-374, 1999. 2. S. Futko, C. Dobrego., S. Zhdanok and E. Khanevich, Analytical study of combustion front localization in disk-

sector type filtration burner, Proceedings of the III International School-Seminar on Moderrn Problems Combustion and its Applications, A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute, Minsk, Belarus, 1999.

3. C. Cid, Estudio y análisis paramétrico del comportamiento térmico y fluido dinámico de un intercambiador de calor combustor de medio poroso/aire, con propiedades variables, Trabajo de Titulación de Ingeniería Civil en Mecánica, Santiago, Universidad de Santiago de Chile, Departamento de Ingeniería Mecánica, 2005.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo de CONICYT, proyecto FONDECYT # 1040148, y de DICYT de la Universidad de Santiago de Chile.