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Title: Industrial heat exchangers evaluation using thermal design and optimization
Authors: Rincón Tabares, Juan Sebastián
Advisor: Perdomo Hurtado, Luis
Peña Bustos, Fabio Marcelo
Keywords: Indicadores de eficiencia energética
Diseño térmico
Intercambiadores de calor
Keywords: Efficiency indicators energetic
Thermal design
Heat exchangers
Publisher: Universidad Autónoma de Manizales
Abstract(esp): Esta tesis de Maestría en Ingeniería contribuye al área de eficiencia energética mediante la aplicación de metodologías de “Diseño y optimización térmica” para evaluar intercambiadores de calor industriales viables a través de dos estudios de caso. En un primer enfoque, se propuso una mejora del proceso de producción de biodiésel de aceite de ricino estándar mediante la adición de un precalentador de aceite en un lugar justo antes de bombear la materia prima al proceso de transesterificación. Se desarrolló una metodología para seleccionar este precalentador comparando la efectividad de la transferencia de exergía y la generación de entropía en los arreglos de fluidos habituales para los intercambiadores de calor. Debido al mejor rendimiento de la Segunda Ley, se seleccionó la disposición de carcasa y tubo y se analizaron algunas configuraciones mediante el método de Bell-Delaware para elegir los parámetros geométricos que funcionan mejor. Es de destacar que la configuración que tiene las relaciones geométricas recomendadas de fabricación estándar está muy de acuerdo con la exergía y el análisis de la segunda ley. Por otro lado, los intercambiadores de calor de placa y marco tienen su principal aplicación en la industria de procesamiento de alimentos cuando se requiere una situación líquido - líquido. Debido a esto, se simularon 40 intercambiadores de calor agua-agua de placas empaquetadas factibles para mostrar su comportamiento, mediante un análisis de desempeño, utilizando índices de Primera y Segunda Leyes Termodinámicas en algunas configuraciones operativas de los mismos. Los parámetros de las variables operativas fueron el área del intercambiador de calor, la asignación de la conexión del puerto de fluido frío y la temperatura ambiente. La conclusión principal es que las configuraciones a contracorriente tienen un mejor rendimiento que las configuraciones de flujo paralelo debido a la influencia de la diferencia de temperatura finita. Además, la diferencia de temperatura ambiente es un parámetro que se debe tener en cuenta para seleccionar este tipo de intercambiador de calor.
Abstract(eng): This Engineering Master dissertation contributes to the energy efficiency area by applying “Thermal design and optimization” methodologies to evaluate industrial feasible heat exchangers via two case studies. In a first approach, an enhancement to standard castor oil bio-diesel production process was proposed by adding an oil preheater in a place just before pumping the raw material to the transesterification process. A methodology to select this preheater was developed by comparing exergy transfer effectiveness and entropy generation in the usual fluid arrangements for heat exchangers. Due to the best Second Law performance, Shell-&-Tube arrangement was selected and some configurations analyzed by Bell-Delaware method to choose those geometric parameters that perform best. It is to highlight that configuration that has the standard manufacturing recommended geometry relations is in very good agreement with exergy and second law analysis. On the other hand, Plate-&-Frame heat exchangers have their main application in food processing industry when a liquid - liquid situation is required. Due to this, 40 feasible gasketed-plate water-water heat exchangers were simulated to show their behavior, by a performance analysis, using First and Second Thermodynamic Laws indexes on some operational configurations of them. Operational variable parameters were heat exchanger area, cold fluid port connection allocation and room temperature. Main conclusion is that counter-current configurations have better performance than parallel flow configurations due to influence of finite temperature difference. Additionally, room temperature difference is a parameter that must be taken into account to select this kind of heat exchanger.
URI: http://repositorio.autonoma.edu.co/handle/11182/841
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