Validación del modelo euleriano de flujo multifásico y el modelo de lee para evaporación-condensación para la simulación de la formación de hielo en intercambiadores de calor de turbo-carcasa

Abstract

Los fenómenos de evaporación, condensación, fusión y solidificación son procesos físicos de cambio de fase de una sustancia debidos a una adición o sustracción de energía. Una característica común entre ellos es que, a pesar de que existe un flujo de calor, la sustancia, en un entorno a presión constante no varía su temperatura y viceversa mientras ocurren. En ciertos contextos, como en el de climatización de espacios o la conservación de alimentos, lo antes descrito resulta ser una ventaja, puesto que al no variar la temperatura de la sustancia, el gradiente térmico respecto de otra con la que haya intercambio de calor es mayor. El Flow Ice es una mezcla de agua salada líquida con partículas sólidas de hielo de textura pastosa producida en Chile por la empresa QHielo S.A. mediante intercambiadores de calor de tubo y carcasa con refrigerante R-507 circulando en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. El fluido es utilizado principalmente para la cadena de fróo del salmón producido por compañías como Salmones Austral y Aquachile. El presente trabajo busca modelar el proceso de solidificación dentro de los intercambiadores de calor utilizando los modelos disponibles en el software comercial ANSYS Fluent. Estos modelos están hechos para el estudio de los procesos de evaporación y condensación, y se aprovecharán las similitudes físicas de estos fenómenos con los de fusión y solidificación para estudiar su desempeño en la simulación de estos últimos. Se realizaron dos validaciones con datos disponibles en la literatura y luego se aplicaron los modelos a los intercambiadores de calor productores de Flow Ice para estudiar el impacto de variables como la concentración de sal o el caudal en la fracción volumétrica de hielo sólido del producto final. Se observó que a mayor caudal decrece la cantidad de hielo formado y la salinidad produce una curva decreciente para ciertos rangos y creciente para otros, donde el valor máximo se obtuvo para un caudal de 8.000[lt/hr] y salinidad entre el 2.5% y 3.5% para una tasa de extracción de calor de 15.000[W/m2]. También se concluye que mientras más cercana la temperatura al punto de fusión en la entrada de los intercambiadores de calor, mayor es la fracción volumétrica de hielo sólido obtenida. The phenomena of evaporation, condensation, fusion and solidification are physical phase change processes of a substance due to an adition or substraction of energy. A common characteristic between them is that, although there is a heat flow, the substance, in an environment at constant pressure, its temperature does not vary an vice versa while they occur. In certain contexts, such as space air conditioning or food preservation, the above described turns out to be an advantage, since the temperature of the substance does not vary, the thermal gradient with respect to another with which there is a heat exchanche is bigger. Flow ice is a mixture of liquid salt water with solid ice particles with a pasty texture produced in chile by the company QHielo S.A. using tube and shell heat exchangers with R-507 refrigerant circulating in a vapor compression refrigeration cycle. The fluid is used mainly for the cold chain of salmon produced by corporations such as Salmones Austral and Aquachile. This work seeks to model the solidification process within heat exchangers using the models available in the commercial software ANSYS Fluent. These models are made for the study of evaporation and condensation precesses, and the phyisical similarities of these phenomena with those of fusion and solidification will be taken advantage of to study their performances in the simulation of the latter. Two validations were carried out with data available in the literature and then the models were applied to the Flow Ice producing heat exchangers to study the impact of variables such as salt concentration or flow rate on the volumetric fraction of solid ice of the final product. It was observed that at a higher flow rate, the amount of ice formed decreases and the salinity produces a decreasing curve for certain ranges and an increasing one for anothers, where the maximum value was obtained for a flow rate of 8.000[lt/hr] and salinity between 2.5% and 3.5% for a heat extraction rate of 15.000[W/m2]. It is also concluded that the closer the temperature is to the melting point at the inlet of the heat exchangers, the greater the volumetric fraction of solid ice obtained.