Metodología para el cálculo de la distribución de ... · PDF filede...

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66 --------------- Universidad de Antioquia Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia. N. o 41. pp. 66-83. Septiembre, 2007 * Autor de correspondencia: teléfono: +57 +4 + 210 55 29, fax: +57 +4 + 211 05 07, correo electrónico: [email protected] Metodología para el cálculo de la distribución de temperatura transitoria en un regenerador térmico de lecho poroso empacado Characterization of the temperature distribution in a packed bed thermal regenerator Jorge Humberto Motato Ladino, Héctor Fabio Arias Vanegas, Francisco Javier Cadavid Sierra * Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía —GASURE—, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia. A A. 1226, Medellín, Colombia. (Recibido el 27 de octubre de 2006. Aceptado el 12 de abril de 2007) Resumen En el presente artículo se propone una función para la distribución de temperatura unidimensional en estado transitorio en un regenerador térmico de lecho poroso empacado, durante la etapa de calentamiento de los elementos empacados consi- derando que los elementos del lecho se comportan como cuerpos con resistencia térmica interna despreciable. La función propuesta es de la forma: ---------- Palabras clave: regenerador térmico, lecho poroso empacado, trans- ferencia de calor, convección forzada, estado transitorio, estado estable, coeficientes de convección.
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  • 66 --------------- Universidad de Antioquia

    Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia. N.o 41. pp. 66-83. Septiembre, 2007

    * Autor de correspondencia: telfono: +57 +4 + 210 55 29, fax: +57 +4 + 211 05 07, correo electrnico: [email protected]

    Metodologa para el clculo de la distribucin de temperatura transitoria en un regenerador trmico de lecho poroso empacado

    Characterization of the temperature distribution in a packed bed thermal regenerator

    Jorge Humberto Motato Ladino, Hctor Fabio Arias Vanegas, Francisco Javier Cadavid Sierra*

    Grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas y Uso Racional de la Energa GASURE, Facultad de Ingeniera, Universidad de Antioquia. A A. 1226, Medelln, Colombia.

    (Recibido el 27 de octubre de 2006. Aceptado el 12 de abril de 2007)

    ResumenEn el presente artculo se propone una funcin para la distribucin de temperatura unidimensional en estado transitorio en un regenerador trmico de lecho poroso empacado, durante la etapa de calentamiento de los elementos empacados consi-derando que los elementos del lecho se comportan como cuerpos con resistencia trmica interna despreciable. La funcin propuesta es de la forma:

    ---------- Palabras clave: regenerador trmico, lecho poroso empacado, trans-ferencia de calor, conveccin forzada, estado transitorio, estado estable, coeficientes de conveccin.

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    -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Metodologa para el clculo de la distribucin...

    AbstractAn unsteady state one-dimensional temperature distribution function for a packed bed thermal regenerator during the heat storage stage of packed elements is proposed, assuming negligible internal resistance behavior of packed elements.

    The function has the following form:

    ---------- Key words: thermal regenerator, packed bed, heat transfer, forced convection, transient state, unsteady state, steady state, convection coefficient.

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    Introduccin

    La preocupacin actual por el uso adecuado de los recursos naturales y energticos, los cuales determinan en gran medida la viabilidad eco-nmica, ambiental y social de cualquier actividad productiva ha llevado, en las ltimas dcadas, a estudios tendientes al desarrollo de nuevas for-mas de energa y la implementacin de nuevos procesos que la aprovechen de la forma ms eficiente. En este contexto, los regeneradores trmicos se han convertido en una alternativa para alcanzar tales propsitos.

    Algunas PYMES colombianas utilizan procesos de combustin en su tren productivo y generan gases a altas temperaturas que no se recuperan debido a la operacin con tecnologas obsoletas e incluso artesanales. Los sistemas de regeneracin trmica son una alternativa para estas empresas dada la simplicidad de su fabricacin y la posibi-lidad de utilizar materiales de bajo costo o aun de desecho en la configuracin del lecho empacado. La energa recuperada puede utilizarse bsi-camente en cuatro procesos: precalentamiento de la carga en hornos continuos, produccin de vapor, agua sobrecalentada o aire caliente, ca-lentamiento del combustible o precalentamiento del aire para la combustin. En cualquiera de los casos anteriores la disminucin de las prdidas se evidencia en una reduccin de los costos de ope-racin, lo que motiva la implementacin de algn tipo de recuperador de calor [1].

    En los regeneradores trmicos, la masa slida constituida por los elementos empacados pro-vee una gran turbulencia y un rea de contacto fluido-slido mucho ms grande que el rea de transferencia de calor de un fluido en un conducto continuo, lo que trae como consecuencia que la transferencia de calor sea ms elevada. Estas dos caractersticas asociadas con las propiedades de las piezas, generalmente de baja resistencia trmica, permiten disipar rpidamente el calor [2].

    En un trabajo previo, Meja [3] mostr que cuando los elementos que conforman el lecho se comportan como cuerpos con resistencia interna

    despreciable, todo el lecho puede modelarse uti-lizando la misma aproximacin. De acuerdo con esto, la temperatura en un punto especfico dentro del lecho poroso se acomoda a una funcin de la forma presentada en la ecuacin (1):

    (1)

    En dicho trabajo tal aproximacin se hizo utili-zando un solo caudal de gases a travs del lecho, una geometra nica (cilindros huecos) y un solo tamao de elementos empacados en el lecho. En el trabajo que aqu se expone, se emplean dos caudales de gases a la entrada del lecho, dos geo-metras (esferas y cilindros slidos) y dos tamaos de elementos empacados. Esto con el fin de poder determinar relaciones entre propiedades fsicas y geomtricas del lecho poroso empacado y los parmetros A, B y C de la ecuacin (1).

    La metodologa seguida para determinar las funciones de distribucin de temperatura con-sisti en obtener primero los perfiles transitorios experimentales de temperatura, luego los datos obtenidos se ajustaron por medio de regresiones a un modelo de la forma de la ecuacin (1). Seguidamente, se analiz el significado de las constantes A, B y C en estos perfiles y finalmente se hallaron expresiones generales en funcin de propiedades fsicas y geomtricas del lecho que permitieron obtener una funcin general para la distribucin de temperatura unidimensional en estado transitorio en un regenerador trmico de lecho poroso empacado.

    Equipo experimental

    En la figura 1 se muestra el banco de pruebas para regeneradores trmicos de lecho poroso empacado utilizado durante la experimentacin. El sistema est compuesto por una cmara de combustin, un regenerador o seccin de pruebas, un falso regenerador, un sistema de suministro de aire, un sistema de control y adquisicin de datos y, un quemador de gas natural para generar los gases calientes que pasan a travs del lecho regenerador.

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    Figura 1 Banco de pruebas para regeneradores trmicos de lecho poroso empacado [4]

    Inicialmente, uno de los lechos, denominado falso regenerador, recibe los gases calientes mientras se logra estabilizar el flujo y alcanzar la temperatura de entrada requerida. Cuando esto se logra se hace el intercambio por el regenerador que contiene los elementos a analizar. La seccin de pruebas con-siste en un ducto de 0,082 m de dimetro interno y 0,1524 m de dimetro exterior y una longitud total de 0,4 m, la pared refractaria es de concreto y est envuelta por un tubo de acero al carbn. Dentro de este ducto se empacan los elementos que conforman el lecho empacado.

    Sistema de medicin y adquisicin de datos

    La medicin de flujos de gas combustible y aire se realiz utilizando tubos vnturi, las mediciones de temperatura a la entrada, a la salida y al interior del lecho se realizaron utilizando termopares tipo K. Para fijar el caudal y la temperatura a la entrada del lecho se emple un sistema de control, ela-

    borado para tal fin. Los datos adquiridos fueron ledos y almacenados por medio de un programa de adquisicin de datos elaborado en lenguaje Visual Basic y denominado DRAGON.

    Condiciones experimentales

    Los caudales a la entrada del lecho durante las pruebas fueron: C1 = 0,008747 m3/s y C2 = 0,009956 m3/s. Los flujos msicos utilizados durante la experimentacin, fueron 0,005957 y 0,006781 kg/s, las velocidades correspondientes fueron 1,66 y 1,88 m/s. Como elementos empa-cados se utilizaron esferas y cilindros slidos de acero al carbn AISI 1010 y de dimetros 3/8 (0,009525 m) y 1/2 (0,0127 m). Para los cilindros, la relacin altura/dimetro se mantuvo igual a 1, esto para facilitar las comparaciones. La temperatura de los gases de combustin a la entrada del lecho se mantuvo constante e igual a 227 C (500 K). En cada prueba se realizaron me-diciones de temperatura en tres niveles o alturas a

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    lo largo del lecho, 0,03, 0,09 y 0,15 m. En cada uno de ellos se colocaron nueve termopares dispuestos en sentido radial ubicados a una distancia de 5 mm

    uno del otro. La seccin empacada del lecho fue de 0,2 m. Esto se muestra esquemticamente en la figura 2.

    Figura 2 Distribucin de termopares en el lecho poroso empacado

    En los clculos se consider que las propiedades de los gases eran las del aire, dado que bajo las condiciones experimentales empleadas la com-posicin de los gases que atraviesan el lecho se asemejan a las de ste. La porosidad o fraccin de vaco promedio para el lecho, = volu