Industrial heat exchangers evaluation using thermal design and optimization

Abstract

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.