Review sobre el diseño y la optimización de los Intercambiadores de Calor de Tubo y Coraza (página 2)
Uno de los trabajos pioneros en la optimización de intercambiadores de calor de tubo y coraza fue el realizado en el año 1996 por Liljana Markovska, Vera Mesko, Radmila Kiprijanova y Alexander Grizo [69]. En su trabajo señalan la complejidad de este proceso y desarrollan un software para tal fin denominado OPTIMIZER. Definen una función objetivo junto con la restricción implícita. Utilizan un método de solución de ecuaciones simultáneas para resolver las expresiones que describe el proceso. Obtienen el valor óptimo de la función objetivo (minimizar costo) y las variables de diseño que garantizan el cumplimiento de la función objetivo.
M. Saffar – Avval y E. Damangir en su trabajo: "A general correlation for determining optimun bafle spacing for all types of shell and tuve exchangers" [70] Señalan que en el Heat Exchanger Design Handbook se presenta un procedimiento general para el diseño de intercambiadores de calor, pero que en dicha obra no se precisa el criterio para determinar el espaciamiento entre bafles. En su artículo los autores desarrollan y utilizan un programa de computación para calcular el espaciamiento óptimo entre bafles para todos los tipos de intercambiadores de calor de tubo y coraza usando el procedimiento establecido en el referido handbook, lo que los autores consideran que es una complementación del manual.
Otro de los trabajos de Babu es el denominado "Automated Design of Heat Exchangers Using ArtificiaI Intelligence Based Optimization" [71]. En el mismo el autor señala que los intercambiadores de calor son muy importantes en cualquier proceso industrial y que su diseño óptimo es de crucial importancia en términos de comportamiento y de economía. Plantean que debido a que existen numerosas variables de diseño y diferentes alternativas para cada variable, se puede considerar que la optimización de los intercambiadores de calor de tubo y coraza poseen un problema de optimización discreta a gran escala. Señala además que los Algoritmos Genéticos es una técnica de optimización no convencional que sobresale sobre otras técnicas convencionales y que debido a eso se usó en su trabajo. Los autores lograron aplicar los Algoritmos genéticos al diseño óptimo de intercambiadores de calor para minimizar el área de transferencia de calor.
M. Serna-González y A. Jiménez-Gutiérrez [72] presentan un algoritmo de área mínima de redes de intercambio de calor, que considera como variables de diseño a las caídas de presión permisibles de las corrientes en vez de valores supuestos de los coeficientes de transferencia de calor de película. Para una ?T dada, el área mínima se obtiene mediante la resolución secuencial iterativa del modelo de transferencia de calor vertical y de las relaciones de caídas de presión de las corrientes basadas en el método Kern. Este procedimiento involucra la actualización sucesiva de los coeficientes de las corrientes hasta que el objetivo de área converge. El algoritmo propuesto proporciona el balance correcto del binomio inversión – consumo de energía, en virtud de que toma en cuenta las caídas de presión permisibles de las corrientes de una forma similar a la que se usa en la etapa del diseño detallado de los intercambiadores de calor de las redes.
Juliana P. Silva, André L. H. Costa, Márcio L. L. Paredes y Eduardo M. Queiroz [73] del Instituto de Química de La Universidad estadual de Rio de Janeiro desarrollaron un estudio sobre intercambiadores de calor de tubo y coraza con cambio de fase. El trabajo está encaminado AL uso de estos equipos en refinerías de petróleo. Como aspecto novedoso del trabajo se presenta un algoritmo para realizar el cálculo de estos equipos usando el método de la temperatura media logarítmica. Como resultado de las corridas realizadas se presentan los parámetros básicos de comportamiento de estos equipos.
Gerson Balbueno Bicca, Argimiro Resende Secchi y Keiko Wada [74] en su trabajo "Modelagem de trocadores de calor casco e tubos", señalan que a pesar de la gran aplicabilidad de los intercambiadores de calor de tubo y coraza, su diseño no presenta de acuerdo a los fluidos, a las condiciones de trabajo y a los métodos empleados la precisión deseada. Usando el simulador EMSO (Enviroment for Modeling, Simulation and Optimization) para el análisis de intercambiadores, el trabajo desarrolla procedimientos de cálculo para los parámetros de diseño y evaluación de intercambiadores de calor de tubo y coraza con una precisión adecuada sin excesivo tiempo ni dificultad de ejecución, lo que facilita la optimización de los diseños. Los modelos creados fueron incorporados a la biblioteca de modelos del simulador EMSO de acuerdo a la designación de las normas TEMA. Para determinar los parámetros en el lado de la coraza se usó el Método de Bell-Delaware.
Huadong Li y Volker Kottke [75] desarrollaron experimentos para determinar la respuesta de la caída de presión y de la transferencia de calor local en el lado de la coraza en un intercambiador de tubo y coraza. Se demostró que la fuga entre los bafles y la concha pueden reducir grandemente la caída de presión y el coeficiente de transferencia de calor pre compartimentado.
Por su parte Roetzel W. y Lee D [76] también desarrollaron experimentos para investigar las fugas en intercambiadores de calor de tubo y coraza con bafles segmentados. En el trabajo investigan el comportamiento de este tipo de intercambiadores teniendo en cuenta cinco variables: dirección de la corriente de flujo, tasa de flujo en el lado de la coraza, tasa de flujo en el lado de los tubos, holgura entre los bafles y la coraza y distancia entre los bafles. Se aplicó un modelo de dispersión axial para predecir adecuadamente el comportamiento térmico real en el intercambiador. Se determinó que loa dispersión del número de Peclet depende solamente de la holgura entre los bafles y la coraza y de la distancia entre bafles, mientras que se pueden usar en todos los casos las mismas correlaciones de transferencia de calor.
El indú Rajiv Mukherjee [77], señala que para hacer un buen software para el diseño de intercambiadores de calor de tubo y coraza, se necesita entender la clasificación de estos equipos, sus componentes, la disposición de los bafles y de los tubos, la caída de presión y la diferencia media de temperaturas. En su artículo explica los fundamentos del diseño térmico de estos intercambiadores, desarrollando aspectos tales como: componentes del intercambiador, clasificación de según la construcción y según el servicio; datos necesarios para el diseño térmico; diseño del lado del tubo; diseño del lado de la coraza, incluyendo la disposición de los tubos y de los bafles, la caída de presión en el lado de la coraza; y la diferencia de temperatura media. Las ecuaciones básicas para la transferencia de calor del lado del tubo y de la coraza y la caída de presión son bien conocidas; el su artículo el autor se centra en el uso de estas correlaciones para el diseño óptimo de intercambiadores de calor.
Uno de los aspectos más importantes en el diseño de los intercambiadores de calor de tubo y coraza es el cálculo del coste de los mismos. Dentro de los múltiples trabajos revisados, uno de los más completos en este sentido es el desarrollado por G. P. Purohit [78]. En el mismo se hace un análisis pormenorizado de todos y cada uno de los aspectos que intervienen en el coste de un intercambiador de calor de tubo y coraza. La principal deficiencia de este trabajo es que casi todos los cálculos se basan en relaciones empíricas y en nomogramas. Eric B. Ratts de la Universidad de Michigan [79] señala que la optimización termodinámica de los intercambiadores de calor a través de la minimización de la generación de entropía es un método útil en determinar el diseño más eficiente para unas restricciones termodinámicas dadas. Señalan que el diseño más eficiente termodinámicamente puede no ser el más deseable, ya que la producción del diseño más eficiente termodinámicamente puede ser no costeable desde el punto de vista económico y que por tanto deben ser tenidos en cuenta todos los costos. Se argumenta que la eficiencia termodinámica tiene un importante papel en las consideraciones económicas. En su estudio optimizan el intercambiador con dos funciones objetivos por separado: la minimización de la generación de entropía y la minimización del costo. Posteriormente comparan los dos diseños óptimos y realizan una solución de compromiso.
Un software para el diseño térmico e hidráulico de intercambiadores de calor de tubo y coraza fue desarrollado por K. C. Leong y K. C. Toh [80] . EL Software se desarrolló en un ambiente de programación basado en el ambiente de Delphi para Windows. Su formato de uso fácil para los datos de entrada y las características de los gráficos con excelentes colores le hacen una herramienta excelente para la enseñanza, el aprendizaje y el diseño preliminar de intercambiadores de calor de tubo y coraza. La metodología de diseño se basa en el método de Bell Delaware de la literatura clásica.
Una mejor definición de la eficiencia térmica de los intercambiadores de calor basada en la segunda ley de la termodinámica es proporcionada por Ahmad Fakheri [81]. Se demuestra que correspondiendo con cada intercambiador de calor real, hay un intercambiador de calor ideal que es un intercambiador de calor equilibrado de flujo contracorriente. El intercambiador de calor ideal tiene el mismo valor de UA, la misma diferencia de la temperatura media aritmética, y la misma relación de fluido frío al caliente en la entrada. Las tasas de capacidad de de calor del intercambiador ideal son iguales a las tasas de calor mínima del intercambiador real. El intercambiador de calor ideal transfiere la máxima cantidad de calor, igual al producto UA y la diferencia de temperatura media aritmética, y genera la cantidad mínima de entropía, haciendo al intercambiador más eficiente y menos irreversible. La eficiencia del intercambiador de calor se define como la relación entre el calor transferido en el intercambiador de calor real y el calor que sería transferido en el intercambiador de calor ideal. El concepto de eficiencia del intercambiador de calor proporciona una nueva vía para el diseño y el análisis de los intercambiadores de calor y de redes de intercambiadores de calor.
Uday C. Kapale y Satish Chand [82] desarrollaron un modelo para evaluar la caída de presión en el lado de la coraza. Este modelo incorpora la caída de presión en las boquillas de entrada y salida del fluido con las pérdidas en los segmentos creados por los bafles. Los resultados del modelo concuerdan muy bien con los resultados disponibles en la literatura para números de Reynolds entre 105 and 103 y de una manera más precisa si se comparan con otros modelos analíticos desarrollados por otros investigadores para diferentes configuraciones de intercambiadores de calor.
Un intento para mejorar el comportamiento y la simplicidad de fabricación de los intercambiadores de calor de tubo y coraza con bafles helicoidales continuos y múltiples pasadas por el tubo y la coraza (CMSP-STHX) fue realizado por Qiuwang Wang , Qiuyang Chen, Guidong Chen y Min Zeng [83]. Se compara este tipo de intercambiadores con los intercambiadores de calor convencionales con bafles segmentados (SG-STHX). Para realizar la comparación usaron métodos de la Dinámica Computacional de los Fluidos (CFD). Los resultados numéricos muestran que para el mismo flujo másico M y la misma tasa de transferencia de calor total Qm, la caída de presión promedio ?pm del intercambiador CMSP-STHX es menor que en el intercambiador convencional SG-STHX como promedio en un 13%. Bajo la misma caída de presión total ?pm en el lado de la coraza, la tasa de transferencia de calor total Qm del intercambiador CMSP-STHX es mayor en un 5,6 % con respeto a la del intercambiador SG-STHX y la tasa de flujo másico en el intercambiador CMSP-STHX es un 6,6 % superior que en el intercambiador SG-STHX. Finalmente los autores concluyen que los intercambiadores CMSP-STHX pueden ser usados para reemplazar los intercambiadores SG-STHX en aplicaciones industriales para ahorrar energía, reducir costes y prolongar la vida de servicio.
Otro de los trabajos relacionados con la simulación numérica fue realizado por Yue-Tzu Yang y Ming-Lu Hwang [84] En el mismo los autores realizan simulaciones numéricas para investigar el aumento de la transferencia de calor mediante el incremento de la turbulencia en tubos rellenados con un medio poroso. Usan simulaciones numéricas en dos dimensiones a través del modelo turbulento k – e para calcular las características de flujo y de transferencia de calor. Los parámetros estudiados fueron el número de Reynolds (Re = 500 – 15000), el número de Darcy (Da = 10-1 a 10-6) y una relación de porosidad e = 0,0 – 1,0. Los resultados numéricos muestran que el campo de flujo puede ser ajustado y el espesor de la capa límite puede ser disminuido mediante la inserción de un medio poroso de tal manera que se pueda aumentarla transferencia de calor en los tubos. Las distribuciones locales del número de Nusselt a lo largo de la dirección del flujo se incrementa con el incremento del número de Reynolds y el espesor de la capa porosa, pero se incrementa con la disminución del número de Darcy. Para una relación de porosidad menor de 0.6, el efecto del número de Darcy en la caída de presión no es tan significativo. La relación óptima de porosidad está alrededor de 0,8, lo que puede aumentar la transferencia de calor en los intercambiadores.
Uno de los pocos software utilizados para la optimización de intercambiadores de calor de tubo y coraza es el OSTHEx, Versión 1.0 desarrollado en la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo [85]. Realmente es un software sencillo de usar escrito en C++ en ambiente de Windows. No obstante lo único que optimiza son los costos. El método de cálculo utilizado para el diseño del intercambiador es el de Bell-Delaware
En el trabajo "Optimization of high-pressure shell-and-tube heat exchanger for syngas cooling in an IGCC" [86] se investiga las características del campo de flujo y de la transferencia de calor de un Intercambiador de calor de tubo y coraza para el enfriamiento de un gas sintetizado en una planta de potencia de un ciclo integrado combinado de gasificación de carbón (IGCC). Se aplica el método de los volúmenes finitos usando el FLUENT. Se adoptó el modelo RNG k –e para modelar el flujo turbulento. La tasa de porosidad, la distribución de la resistencia y la distribución de la fuente de calor se introdujeron en el FLUENT a través de funciones definidas a tal efecto. Se estudiaron la caída de presión, la distribución de temperaturas y la variación de la transferencia de calor local bajo los efectos del componente del gas sintetizado y la presión de operación, así como de la disposición de los bafles. Los resultados muestran una mayor presión de operación puede mejorar la transferencia de calor, sin embargo acarrea una mayor caída de presión. Los componentes del gas sintetizado afectan significativamente la caída de presión y la transferencia de calor. La disposición de los bafles influye en el flujo del fluido.
David Palaus [87] del Instituto de Ingeniería en Energía en la Universidad Técnica de Berlín para entender la relación entre los costes de capital y el índice del coste de destrucción de la exergía en los intercambiadores de calor explora estos aspectos en una central eléctrica de ciclo combinado (CCPP), a través del diseño óptimo económico de un intercambiador de calor considerado como solo componente. Desarrolla expresiones para índices de tiempo de beneficio usando ganancias específicas de exergía y costos.
Estas expresiones son adimensionales y se usan sus derivadas para encontrar la eficacia óptima de los intercambiadores de calor. Este óptimo demuestra ser una función de varios grupos adimensionales. Tres de las variables contenidas dentro de estos grupos son tanto las temperaturas de entrada de la corriente como la temperatura de referencia. Los resultados de la optimización numérica de los intercambiadores de calor confirman la validez de los grupos adimensionales.
Dentro del empleo de los métodos numéricos está también el trabajo "Perfomance evaluation of crossflow compact heat exchangers using finite elements" [88]. En el mismo se realiza un análisis de un intercambiador de calor compacto de flujo cruzado usando el método de los elementos finitos. Los resultados obtenidos concuerdan con las soluciones analíticas disponibles en la literatura para casos con coeficientes de transferencia de calor constante. Los autores extienden el análisis a casos con coeficientes de transferencia de calor variables. Se calcula además la caída de presión para todos los casos.
Otra técnica empleada en la evaluación de Intercambiadores de Calor de Tubo y Coraza ha sido la Técnica de Modelado Electro Químico de Transferencia de masa [89]. Mediante esta técnica en Inglaterra se determinaron en el año 1976 los coeficientes de transferencia de calor local en el lado de la coraza en un modelo de intercambiador con bafles. La exactitud y validez del método se demostró comparando los resultados obtenidos por otros métodos.
Un modelo usando la Dinámica de los Fluidos Computacional (CFD) se desarrolló para simular y analizar térmica e hidráulicamente en el lado de la coraza una caldera recalentadora [90] . Se usaron dos modelos diferentes de flujo de dos fases, un modelo mezclado y dos modelos de fluidos. Los resultados obtenidos que mejor concuerdan con los datos experimentales son los obtenidos con el modelo de dos fluidos.
El análisis térmico de un intercambiador con flujo dividido con un número arbitrario de pasadas por el lado del tubo fue realizado por Y. Xuan, B. Spang y W. Roetzel [91]. Se obtuvieron las correspondientes ecuaciones de temperatura y por medio de las mimas se calcularon la efectividad térmica, el factor de corrección de la diferencia de temperatura media y la temperatura en una localización de la superficie del intercambiador. También se analiza en el artículo la localización óptima de la entrada del flujo en la coraza y la influencia de la división del flujo en el lado de la concha sobre las pérdidas de presión.
En el número 29 de la Revista Applied Thermal Engineering del año 2009 [92] aparece un artículo muy similar de Ponce et al al publicado en la revista Chemical Engineering. En el mismo se presenta una metodología basada en los Algoritmos Genéticos para el diseño óptimo de intercambiadores de calor de tubo y coraza. Utiliza el método de Bell–Delaware sin simplificaciones para la descripción del flujo por el lado de la coraza.
El procedimiento de optimización contempla la selección de la selección de los parámetros geométricos principales tales como el número de pases por el tubo, tipo de cabezal, los diámetros internos y externos estándares de los tubos, disposición y paso entre los tubos, localización del fluido frío y del fluido caliente, número de sellos, espaciamiento entre bafles y caída de presión en el lado del tubo y de la coraza. La metodología toma en cuenta las restricciones geométricas y operacionales recomendadas por las normas y códigos de diseño. Los ejemplos analizados muestran que los Algoritmos Genéticos proveen una valiosa herramienta para el diseño óptimo de intercambiadores de calor.
Sin lugar a dudas la minimización de la entropía como una herramienta para la modelación de los intercambiadores de calor es muy utilizada en la actualidad. Varun Singh, Vikrant Aute y Reinhard Radermacher de la Universidad de Maryland [93] realizaron un trabajo donde señalan que un Intercambiador de calor se caracteriza por lo general por dos tipos de pérdidas termodinámicas. La primera de esas dos pérdidas está asociada con la transferencia de calor a través de una diferencia de temperaturas finita y la segunda es debido a la caída de presión a causa de la fricción en el intercambiador
La pérdida asociada a la transferencia de calor a través de una diferencia finita de la temperatura puede ser atenuada aumentando el área de transferencia y reduciendo la diferencia de la temperatura local. Sin embargo, el aumento del área de transferencia puede llevar a una mayor pérdida friccional total y a una caída de presión más alta.
Esto demuestra que las dos pérdidas están mutuamente en conflicto, que apunta a la existencia de un diseño "óptimo" del intercambiador de calor donde se reducen al mínimo estas dos pérdidas. Las dos pérdidas se pueden cuantificar por un único número que es la entropía total generada en el intercambiador de calor. La generación total de la entropía debe ser reducida al mínimo para llegar un diseño óptimo del intercambiador de calor.
Zainuddin Abdul Manan y Foo Sheek Hian [94] de Malasia combinan el análisis exergético y la tecnología Pinch para el mejoramiento de procesos químicos en general y para el caso particular de los intercambiadores de calor. Hacen una comparación entre estas dos tecnologías y destacan los beneficios que pueden tener la combinación de las mismas.
S. Murali and Y. Bhaskar Rao [95] realizan un programa en Autolisp que provee dibujos de la disposición de los tubos de acuerdo a los estándares y no estándares en un ambiente de AutoCAD. El programa calcula el número óptimo de tubos, pero no pasa de ser una simple ayuda al dibujo.
Douglas Bressan Riffel, Francisco Antônio Belo, y Antonio Pralon Ferreira Leite [96] de Brasil realizan la simulación de un intercambiador de calor de tubo y coraza como el componente principal (adsorbente) de una unidad central de aire acondicionado de 20 kilovatios, que funciona principalmente con energía solar, con un calor complementario proporcionado por gas. El sistema propuesto se compone básicamente de un tanque de almacenaje de agua fría producida por un refrigerador de adsorción de carbón activado -metanol, un tanque de almacenaje de agua caliente y un intercambiador de calor entre el agua fría y el aire que se va a acondicionar. Las influencias de varios parámetros operacionales de diseño importantes sobre el funcionamiento del sistema también se estudian.
Optimización multicriterial de los ICs
Las formulaciones con varios objetivos son modelos reales para muchos problemas complejos de la optimización en ingeniería. En muchos problemas de la vida real, los objetivos que se analizan entran en conflictos unos con otros, y optimizando una solución particular con respecto a un solo objetivo puede dar lugar a resultados inaceptables con respecto a los otros objetivos. Una solución razonable a un problema con varios objetivos es investigar un grupo de soluciones, las cuales satisfacen los objetivos en un nivel aceptable sin ser dominados por cualquier otra solución [97]. La necesidad de seleccionar múltiples variables, tanto de diseño como de operación de los ICs buscando una función objetivo con vistas a la minimización de su costo total conduce a la optimización multicriterial de estos equipos. Shah, et al [98] destacan el hecho de que ningún método de optimización puede solucionar todos los problemas de los intercambiadores de calor, lo cual hace necesaria metodologías más completas donde pudieran lograrse resultados abarcando más de un solo criterio. Este aspecto también es destacado por José M. Ponce-Ortega, Medardo Serna-González y Arturo Jiménez-Gutiérrez [99] en el trabajo Optimal design of shell-and-tube heat exchangers using genetic algorithms. En el trabajo los autores insisten en el uso el uso de "algoritmos genéticos" para el diseño óptimo de Intercambiadores de tubo y coraza. El estudio utiliza el método de Bell-Delaware para la modelación del flujo lado coraza sin simplificaciones. El procedimiento de la optimización implica la selección de los parámetros geométricos principales tales como el número de pases en los tubos, los diámetros internos y externos estandarizados de los tubos, disposición de los tubos y distancias entre centros entre tubos adyacentes (tube pitch), tipo de cabezal (head), asignación de los fluidos en tubos y coraza, número de fajas de sello (sealing strips), espaciamiento del bafle de entrada y de salida, caídas de presión en la coraza y en los tubos. La metodología tiene en cuenta algunas restricciones geométricas y de operación recomendadas típicamente por códigos del diseño. Los ejemplos analizados muestran que los algoritmos genéticos proporcionan una herramienta valiosa para el diseño óptimo de cambiadores de calor. En el análisis hay una carencia de elementos mecánicos estructurales.
G.N. Xie, B. Sunden y Q.W. Wang [100] también han trabajado la optimización de intercambiadores de calor usando métodos de la inteligencia artificial. No obstante su trabajo está enmarcado a los intercambiadores de calor, de tipo compacto de placas aleteados (CHE). En este artículo, los autores desarrollan un estudio para la optimización de dichos intercambiadores. El método de optimización utilizado es el llamado algoritmo genético (GA) teniendo la función de buscar, combinar y optimizar los tamaños de la estructura del CHE. El volumen total mínimo y/o el costo anual total del CHE se toman como funciones objetivas para el GA. Las geometrías de las aletas permanecen fijas mientras que se varían tres parámetros de forma para los objetivos de la optimización con o sin la caída de presión como restricción, respectivamente. El funcionamiento del CHE se evalúa según las condiciones de los tamaños de la estructura que el GA ha generado, y se calculan el volumen y el costo correspondientes. El estudio muestra que, teniendo como restricción a la caída de presión en el CHE optimizado arroja como resultado, un volumen más bajo del cerca de 30% o un costo anual más bajo de alrededor del 15%; mientras que sin esta restricción, el CHE optimizado proporciona un volumen más bajo del cerca de 49% o un costo anual más bajo de alrededor del16% de los casos analizados en la literatura. El trabajo resulta muy interesante por la disminución de costos y volúmenes con o sin restricción pero, carece de un enfoque mecánico estructural ya que no hace referencia a propiedades mecánicas con las cuales se garantice la operación adecuada del equipo.
Jiangfeng Guo, Lin Cheng y Mingtian Xu [101] señalan que uno de los criterios para calificar el funcionamiento de equipos de intercambio de calor es el conocido como generación de entropía, el cual se ha utilizado en el diseño de los intercambiadores de calor de tubo y coraza. En este trabajo, los autores desarrollan un nueva propuesta de optimización del diseño de estos equipos, al relacionar el factor adimensional de generación de entropía, la generación de entropía como tal, la tasa de transferencia de calor y la temperatura de entrada del fluido frío, logrando con lo anterior una función objetivo. Además son tomados como variables de diseño algunos parámetros geométricos y es utilizado el algoritmo genético para resolver el problema asociado de optimización. Los autores destacan que al utilizar su método, se eleva la efectividad del equipo significativamente y al mismo tiempo, se logra una disminución dramática en el requerimiento de potencia en el bombeo. Además, se recalca el hecho de que si se tiene un área de transferencia fija, el beneficio de incrementar la efectividad del intercambiador, es mucho mayor que el incremento en el costo de bombeo. No obstante, en el trabajo no se analiza algún parámetro de resistencia mecánica del equipo, siendo éste de vital importancia al momento realizar la construcción del mismo.
M. Reppich y J. Kohoutek [102] en el trabajo Optimal design of shell-and-tube heat exchangers desarrollan un nuevo método para el diseño óptimo de este tipo de intercambiadores, pero enfocado solamente a intercambiadores de tubo y coraza con bafles. Desarrollan además un programa de computación denominado HEATDESIGN, pero enfocan la optimización solamente teniendo en cuenta aspectos térmicos sobre la base de la estimación de la caída de presión óptima considerando los costos mínimos.
R. Hosseini, A. Hosseini-Ghaffar y M. Soltani [103] desarrollan un trabajo experimental para determinar el coeficiente de transferencia de calor y de caída de presión lado coraza para un intercambiador de calor de tubo y coraza con tres diferentes haces de tubos. Debido a la naturaleza de los fluidos presentes en los intercambiadores de calor de tubo y coraza, se hace necesaria la utilización de diferentes tipos de tubos. Lo anterior es con el objeto de aumentar el área de transferencia sin aumentar en demasía el volumen de la misma. En este artículo, los autores se enfocan en el estudio del coeficiente de transferencia de calor y la caída de presión en el fluido alojado en el lado de la coraza, utilizando experimentalmente tres diferentes tipos de superficie de tubos de cobre (liso, corrugado y con micro-aletas). Además, los datos experimentales se comparan con datos teóricos disponibles. El trabajo analiza los efectos que tiene el uso de diferentes superficies de tubo sobre el rendimiento, pero no menciona los efectos mecánicos estructurales que se pudieran tener al utilizar cada variante de tubo.
Susan W. Stewart, Sam V. Shelton y Kristinn A. Aspelund [104] ofrecen una Metodología de optimización de intercambiadores de calor de tubos con superficies aleteadas. Estos autores plantean que debido a la naturaleza antagonista de transferencia de calor y caída de presión, presente en los intercambiadores de calor, siempre debe ser tomado en cuenta este aspecto al momento de optimizar un diseño de estos equipos. En este trabajo, los autores toman para su análisis un condensador de tubos aleteados usado en sistemas residenciales de aire acondicionado.
A.G. Kanaris, A.A. Mouza y S.V. Paras [105]. Sugieren un método general para el diseño óptimo de un cambiador de calor de placas (PHE) con las superficies onduladas que cumpla con los principios de sosteniblidad. Se utiliza un código previamente validado por CFD para predecir la cantidad de calor a transferir, así como la caída de presión en este tipo de equipo. El modelo computacional es un canal estrecho tridimensional teniendo como variables de diseño al coeficiente del bloqueo, relación de aspecto del canal, relación de aspecto de la corrugación, ángulo de ataque y número de Reynolds propias de este tipo. Los resultados concuerdan bastante bien con datos publicados. Finalmente, las especificaciones del diseño óptimo se sugieren para una gama de números de Reynolds y dos valores del factor de ponderación. Como se observa, el trabajo se apoya en resultados obtenidos por el uso del CFD, lo cual da lugar al empleo de este tipo de software para robustecer las metodologías de optimización. Por otra parte es uno de los pocos trabajos encontrados que habla de los principios de sostenibilidad.
H. J. Fontein and J. Groot Wassink [106] Plantean que los métodos tradicionales para el diseño de intercambiadores de calor ya apuntaban hacia la optimización desde el punto de vista económico; de ahí que los autores hayan propuesto un nuevo método para diseñar estos equipos basados en estudios realizados por Kays y London. No obstante, el trabajo sólo aborda parámetros energéticos pero no mecánicos estructurales, siendo además el criterio de optimización puramente económico.
Zhenyu Liu y Huier Cheng [107] muestran un nuevo método de optimización para un recuperador de superficie primaria (PSR) desde el punto de vista del rendimiento (performance) en la transferencia de calor, peso del equipo y pérdida de presión. Se discuten los factores de relevancia en la estructura del PSR, la transferencia de calor y flujos involucrados para determinar las variables independientes de diseño. Fue establecido un modelo de optimización multi-objetivo para el diseño de estos equipos y las expresiones específicas para cada objetivo fueron deducidas. El resultado del ejemplo tomado para la optimización muestra que los factores subjetivos pueden ser evitados al elegir ciertos tamaños geométricos de hojas acanaladas. El autor enfatiza la importancia de la metodología expuesta al obtener un beneficio económico alto, al mismo tiempo que se logra un mejor funcionamiento del sistema donde está insertado el intercambiador. Por lo anterior, se visualiza el gran potencial de desarrollar una herramienta de optimización de carácter multicriterial teniendo en cuenta también, aspectos de parámetros de diseño mecánico para lograr una metodología más completa.
Yong-Gang Lei, Ya-Ling He, Rui Li y Ya-Fu Gao [108]. Analizan los efectos del ángulo de inclinación de los bafles en la transferencia de flujo y de calor de un intercambiador de calor con bafles helicoidales. Señalan que diversos autores han enfatizado el uso de herramientas computacionales de simulación numérica, como una vía alterna para el estudio de intercambiadores de calor. Los resultados de la simulación muestran que los bafles helicoidales continuos pueden reducir o aún eliminar regiones con pocas posibilidades de transferencia de calor por parte del fluido contenido en la coraza, al variar el ángulo de inclinación de dichos bafles. Además se resalta la variación de la caída de presión de una forma acentuada al variar el ángulo mencionado. También se menciona que haciendo una comparación con equipos de bafles segmentarios y equipos con los bafles helicoidales continuos, estos últimos tienen coeficientes de transferencia de calor más altos para una misma caída de presión. Los autores sugieren una investigación más profunda para este tipo de intercambiadores pero no menciona una extensión del estudio para parámetros de índole mecánico estructural.
B. Farajollahi, S.Gh. Etemad y M. Hojjat [109] en uno de los trabajos más recientes encontrados en la literatura revisada señalan que debido al desarrollo de la nanotecnología, se hace necesaria la investigación en equipos de transferencia incorporados en dicho ambiente. Los autores analizan soluciones como Al2O3/agua y TiO2/ agua y su repercusión en el funcionamiento de intercambiadores de calor de tubo y coraza, bajo el régimen de flujo turbulento tomando en cuenta la concentración de nanopartículas suspendidas. Sin embargo, los autores no mencionan algunos aspectos de diseño mecánico que pudiera complementar el trabajo en el ambiente de nanoequipos.
Prabhat Kumar Gupta, P.K. Kush y Ashesh Tiwari [110] mencionan que la eficacia de los sistemas criogénicos dependen en gran medida de del buen funcionamiento los intercambiadores de calor utilizados. Como es sabido, la transferencia de calor y la caída de presión de estos equipos, son factores de vital importancia. Enfatizan el hecho de que una mejora considerable en el funcionamiento del intercambiador se logra al elegir una configuración geométrica apropiada para un para una transferencia de calor dada. En el trabajo se aborda un aspecto de construcción del equipo, al tomar en cuenta los ciertos espacios necesarios para realizar dicha tarea; de ahí que, configuraciones optimizadas hayan sido encontradas. Los resultados muestran la posibilidad de variar el funcionamiento térmico y de la caída de presión, así como variar las dimensiones de los espacios en estudio. No obstante, los autores no abordan otros posibles parámetros de construcción los cuales son necesarios para garantizar la resistencia mecánica del equipo.
G.N. Xie, Q.W. Wang, M. Zeng y L.Q. Luo [111] toman como herramienta principal, la utilización de redes neuronales artificiales (ANN) para el análisis de la transferencia de calor en intercambiadores de tubo y coraza con bafles segmentarios o bafles helicoidales continuos. Tres intercambiadores de calor fueron investigados experimentalmente. Los autores recomiendan el uso de las redes neurales artificiales para predecir el comportamiento de sistemas térmicos en usos de la ingeniería, tales como modelado de los intercambiadores de calor para estudiar su comportamiento.
Hedderich, Conrad P [112] en su tesis de maestría titulada Heat Exchanger Optimization desarrolla un código computacional para el análisis de los intercambiadores de calor enfriados por aire siendo acoplado con otro código de una función a minimizar restringida, para dar origen a un programa de optmización. Esta tesis en realidad aporta muy poco a la optimización de intercambiadores de calor.
P. Bahadorani, G. F. Naterer, S. B. Nokleby [113] Analizan la configuración y los parámetros de funcionamiento óptimos de un intercambiador de calor en un sistema geotérmico de la calefacción urbana. Presentan un algoritmo de optimización para que el obligado problema no lineal maximice el beneficio neto anual para un sistema de intercambiadores de calor de contracorriente. Varios parámetros que afectan al beneficio neto se examinan, incluyendo los flujos totales del área de los fluidos operantes y del traspaso térmico, ya que ambos directamente afectan a las temperaturas salientes. El funcionamiento del cambiador de calor y las economías de combustible reduciendo el consumo de combustible para generar calor se modelan dentro de la formulación del problema. También, la entrada de potencia a la bomba para la circulación fluida es incluida. Formulando estos parámetros múltiples sobre una amplia gama de condiciones del diseño, el algoritmo presenta una nueva herramienta de diseño útil para la mejora de las redes de intercambiadores de calor en sistemas geotérmicos.
Salah Hewidi [114] en su Tesis de Maestria "Optimization of shell and tube heat exchanger" Hace un analisis muy pormenorizado de la optimizaciçon de estos equipos en la parte introductoria de la tesis, sin embargo dedica la misma solamente a la optimizacion de las aletas de los tubos, profundizando en ese detalle. El Kakac [115] y la Wolverine Heat Transfer Data Book [116] son, respectivamente, un libro y una publicación sobre selección, valoración y diseño térmico de intercambiadores de calor donde aparece una estructura lógica-básica del procedimiento de diseño para un intercambiador de calor en aplicaciones de procesos, Figura 2, Esta estructura es una tentativa de flujograma donde aparece una secuencia lógica para el procedimiento del diseño de un intercambiador de calor, partiendo de la identificación del problema y después va a una selección del intercambiador básico, pasando posteriormente a un conjunto de elementos de cálculo que pueden efectuarse tanto manualmente como asistido por una computadora donde se encuentra la selección de un conjunto de parámetros tentativos del diseño del intercambiador y una valoración de ese diseño, considerando tanto al funcionamiento térmico como la caída de presión, llegando a una valoración de la evaluación del diseño: si no se acepta, se modifican los parámetros del diseño y se vuelven a valorar; si se acepta, se pasa finalmente al diseño mecánico y al cálculo de costos. Esta estructura podría desarrollarse de manera que las variables de decisión de una función objetivo del costo total pudieran formar parte del conjunto de parámetros tentativos del diseño óptimo o mejorado del intercambiador. En esta figura el diseño mecánico es un apéndice en lugar de formar parte del proceso de optimización.
Figura 2. Estructura lógica-básica del procedimiento de diseño para un intercambiador de calor de procesos. (Fte: Fig. 2.21, Wolverine Heat Transfer Data Book).
Esta metodología quedaría más completa si se le añade un módulo de optimización iterativa, de la cual pudieran obtener valores óptimos o mejorados de parámetros de diseño y operación que intervienen en cálculo de los equipos en estudio. Otras metodologías, más completas, para la optimización de un intercambiador de calor aparecen en el Shah-Sekulic [117]. A través de esta metodología es considerada cada posible geometría de la superficie y tipo de construcción como una alternativa; así lo indica el bloque superior izquierdo en el recuadro denominado Formulación del Problema. Para comparar, legítimamente, esas alternativas, cada diseño debe ser optimizado para una aplicación dada. De esta manera, pueden surgir varias soluciones perfeccionadas independientes que satisfagan los requisitos del problema. Luego, se hace un análisis de ingeniería, una comparación de los valores de la función objetivo y concluye con una selección de la solución óptima final para su implementación. Su problema fundamental reside en que apunta a un uso exclusivo de los fabricantes, lo que hace su disponibilidad muy limitada, por otra parte la optimización la realiza siempre en función de obtener la menor área posible.
Figura 3. Metodología para la optimización de un intercambiador de calor (Fte: Fig. 9.5 pág. 665 Shah-Sekulic)
En la propia obra citada, más adelante, aparece la optimización termodinámica de un intercambiador de calor, incluyendo el desarrollo de los factores de intercambio entre las irreversibilidades individuales y los costos de energía y capacidad, ver Figura 4.
Figura 4. Optimización termodinámica de un intercambiador de calor, incluyendo el desarrollo de los factores de intercambio (Fte: Fig. 11.14 pág. 793 Shah-Sekulic)
Diseño Mecánico de Intercambiadores de Calor de tubo y Coraza
Con respecto al diseño Mecánico de los equipos de transferencia de calor se han podido encontrar muy pocos artículos relacionados con el tema, fundamentalmente normas y libros de texto. Sin lugar a dudas las normas más prestigiosas para el diseño mecánico de intercambiadores de calor son las normas TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) [118]. En las mismas se detalla todo el procedimiento para el diseño mecánico de los Intercambiadores de Calor de Tubo y Coraza. También Brasil dispone de una norma propia para el diseño de intercambiadores de calor de tubo y coraza [119], la cual es algo más simple que la norma TEMA. Algunas transnacionales como la HRS tienen sus normas propias [120]
En el año 1960 A. J. Gram [121] planteaba de una manera categórica que debido a la amplia variedad de configuraciones de los intercambiadores de calor de tubo y coraza, así como la gran variedad de fluidos y los amplios rangos de temperatura y presión, el diseño mecánico de los mismos se tornaba una tarea compleja no solo desde el punto de vista técnico, sino también económico.
Muchos de los libros y Manuales clásicos para el Diseño de Intercambiadores de calor contemplan en alguno de sus capítulos el diseño mecánico de Intercambiadores de calor de tubo y coraza, mientras que otros se dedican por entero al diseño mecánico de estos equipos. Entre ellos el hindú T. Kuppan [122] en su libro Heat Exchanger Design Handbook, refleja sus experiencias prácticas de muchos años en la industria, en su obra, discute la construcción, las normas, los fundamentos termo-hidráulicos, diseño térmico, etc. Ramesh K. Shah y Dusan P. Sekulic [123] de La universidad de Kentucky en su libro Fundamentals of Heat Exchanger Design, en un libro de 941 páginas no dedican ni tan solo un epígrafe al diseño mecánico de los intercambiadores de calor de tubo y coraza; algo similar ocurre con Sadik Kakaç y Hongtan Liu [124] de la Universidad de la Florida en su libro Heat Exchangers. Selection, Rating and Thermal Design, donde se hace un profundo análisis de los Intercambiadores de calor de tubo y coraza desde el punto de vista térmico, pero no incluyen nada del diseño mecánico. Los alemanes M. Podhorsky y H. Krips [125] desarrollaron tal vez el libro más completo encontrado en la revisión bibliográfica sobre el Diseño Mecánico de Intercambiadores de Calor, en el mismo aparecen fórmula, métodos, recomendaciones, etc. para el cálculo mecánico de estos euipos, en particular para los de tubo y coraza.
Uno de los textos más asequibles desde el punto de vista técnico es el del también Hindú J. P. Gupta [126] titulado "Working with Heat Exchangers: Questions and Answers". En este texto el autor le da muchos criterios al lector sobre el trabajo con los Intercambiadores de calor de tubo y coraza. En el texto dedica dos capítulos a la parte mecánica, uno de ellos a los aspectos relacionados con el análisis de las tensiones y las fallas mecánicas y otro a la soldadura y selección de materiales.
Uno de los libros clásicos en el área de los equipos para plantas químicas es el libro Plant Desing and Economics for Chemical Engineers de Max S. Peters y Klaus D. Timmerhaus [127]. En este texto uno de los aspectos más interesantes es que en el capítulo 14 los autores hacen una comparación de tres métodos para el diseño de Intercambiadores de Calor de Tubo y Coraza, destacando la gran diferencia entre los resultados obtenidos por cada método en cuanto a coeficiente global de transferencia de calor y caída de presión se refiere. En el texto también vienen aspectos importantes acerca del costo de estos equipos. De la parte Mecánica no viene nada.
El "Heat Transfer Research Institute de Texas [128] tiene un manual muy completo para el diseño de Intercambiadores de calor, particularmente para los de tubo y coraza. En este manual se trata con detalle la vibración inducida en los tubos. Mukherjee [129], también de la India trata los aspectos relacionados con las vibraciones mecánicas en su libro "Practical Thermal Design of Shell and Tube Heat Exchangers, destacando que las mismas tienen una gran influencia en la rotura de los tubos.
k. P. Singh y Soler A. I. [130] en su libro Mechanical Design of heat exchangers and pressure vesel components, dedican un capítulo al diseño mecánico de los Intercambiadores de Calor de Tubo y Coraza y plantean la necesidad del uso de la computación. También insisten en la importancia de las vibraciones y en los efectos sísmicos.
Existe un sitio en Internet denominado Termopedia [131] Morris, M [132] ofrece una información muy rudimentaria del diseño mecánico de los intercambiadores de calor de tubo y coraza.
Uno de los autores clásicos de textos referidos por casi todos los investigadores es Hewitt, Geoffrey F [133] en el año 2008 publicó, entre sus numerosos textos el Heat Exchanger Handbook 2008. En el mismo dedica el Volumen IV de la colección al diseño mecánico de los intercambiadores de calor. En este volumen se discuten aspectos tales como: Principios básicos de mecánica, materiales de construcción, códigos de diseño, prueba e inspección, costo, uniones de las bridas y los tubos, etc. También se analizan y se clasifican los materiales para las juntas. Este sin lugar a dudas es uno de los textos básicos de intercambiadores de calor en este momento.
K. Behseta y S. Schindker [134] en el año 2006 publicaron un trabajo acerca del diseño de la placa de tubos y de la unión de la placa de tubo a la coraza para un intercambiador de calor de placa de tubos fijos. En el trabajo los autores señalan que para el diseño mecánico de un intercambiador de calor con placa de tubos fija de un reactor de hidrogenación en una planta petroquímica no eran apropiadas las normas ASME y TEMA y acuden entonces al método de los elementos finitos para determinar las tensiones en el intercambiador.
D.S. Weaver, J.A. Fitzpatrick [135] plantean que las vibraciones inducidas por el flujo son ampliamente reconocidas como una de las principales preocupaciones en el diseño de los modernos intercambiadores de calor de tubo y con cáscara. Las fallas del tubo originadas por las vibraciones excesivas son relativamente comunes y a menudo muy costosas de reparar. Si bien se han hecho considerables esfuerzos en el desarrollo de herramientas de predicción, todavía quedan muchas incertidumbres.
Tendencias actuales en la evaluación del desempeño de los intercambiadores de calor
Los criterios de evaluación del desempeño de los intercambiadores de calor generalmente se clasifican en dos grupos: el primero se basa en la primera ley de la termodinámica, y el segundo se basa en la combinación de la primera y la segunda ley de la termodinámica. La transferencia de calor en los intercambiadores de calor por lo general implica la conducción de calor bajo una diferencia de temperatura finita, la fricción del fluido bajo una caída de presión finita y mezclas de fluidos. Estos procesos son caracterizados como procesos irreversibles de no equilibrio termodinámico
Por lo tanto, en las últimas décadas el estudio del segundo grupo ha atraído mucha atención [136]. Inspirado en el principio de producción de entropía mínima adelantado por Prigogine [137], Bejan [138, 139] desarrolló el enfoque de minimización de generación de entropía (EGM) para la optimización del diseño de Intercambiadores de calor. En este enfoque, Bejan tuvo en cuenta dos tipos de irreversibilidades en el intercambiador de calor, a saber, la conducción de calor de corriente-a-corriente bajo una diferencia de temperatura y la caída de presión por fricción que acompaña a la circulación de fluido a través del equipo.
Por lo tanto, la tasa total de producción de entropía denotada por 
es la suma de las producciones de entropía asociadas con la conducción de calor y la fricción del fluido. Sin embargo, entre todos los principios variacionales de la termodinámica, el principio de generación de entropía mínima de Prigogine sigue siendo el más debatido [140].
En consecuencia, el enfoque de minimización de la generación de entropía, ampliamente aplicado a la modelización y la optimización de los sistemas térmicos que deben su imperfección termodinámica a las irreversibilidades de la transferencia de calor, la transferencia de masa, y del flujo de fluido, muestra algunas inconsistencias y paradojas en aplicaciones de diseños de intercambiadores de calor [141]. Esto es debido a que el enfoque del método de minimización de la generación de entropía se basa en los procesos de conversión de calor en trabajo, mientras que en el diseño de intercambiadores de calor lo más importante es la velocidad y la eficiencia de la transferencia de calor.
Por analogía con la conducción eléctrica, Guo et al. [142, 143] definieron un nuevo concepto físico denominado entransía, que describe la capacidad de transferencia de calor de un cuerpo. Este concepto es ideal para definir la eficiencia de un intercambiador de calor y para realizar la optimización del mismo. Se ha encontrado que en los procesos irreversibles se disipa la entransía y disminuye por tanto la capacidad de transmitir calor [144]. Mientras mayor sea la disipación de entransía, mayor será el grado de irreversibilidad en el proceso de transferencia de calor.
Por lo tanto la disipación de entransía puede servir como un factor de calidad para evaluar el desempeño del intercambiador de calor.
Mucho esfuerzo se ha dedicado al estudio de la teoría de la disipación de entransía. Wang et al. [145] obtuvieron una ecuación de transferencia de entransía para describir los procesos de transferencia de entransía de un fluido viscoso multi – componente sometido a transferencia de calor por conducción y convección, difusión de masa y reacciones químicas.
Chen y Ren [146] definieron una relación de diferencia de temperatura para el flujo de calor como la resistencia térmica generalizada de los procesos de transferencia de calor por convección, y desarrollaron la teoría de la resistencia térmica mínima para la optimización de la transferencia de calor por convección, se encontró que el principio de mínima resistencia térmica es equivalente al principio extremo de disipación de entransía
Chen et al. [147] optimizaron el proceso de transferencia de calor por convección en una cavidad cuadrada mediante el principio de minimización de generación de entropía y el principio de disipación extrema de entransía, y los resultados indican que el primero produjo la mayor conversión de calor en trabajo, mientras el último hizo máxima la eficiencia de la transferencia de calor por convección. Xia et al. [148] estudiaron las distribuciones de los parámetros óptimos de un intercambiador de calor de dos fluidos mediante el uso de la teoría de control óptimo bajo la condición de carga de calor fija y tomando la minimización de la disipación de entransía como el objetivo de la optimización
Guo et al. [149] encontraron que la tasa total de disipación de entransía alcanza el mínimo cuando la tasa local de disipación de entransía se distribuye uniformemente a lo largo del intercambiador de calor, lo que se denomina el principio de equipartición de la disipación de entransía.
Liu et al. [150] investigaron la aplicabilidad de los principios de extremos de generación de entropía y de disipación de entransía para la optimización de los intercambiadores de calor, y encontraron que el primero es mejor para la optimización de los intercambiador de calor cuando funciona en el ciclo Brayton, mientras que el último da los mejores resultados cuando el intercambiador de calor es sólo para el propósito de calentar o enfriar fluidos.
Recientemente se investigó la influencia de la disipación viscosa durante el calentamiento en la entransía en intercambiadores de calor de dos fluidos [151], y la disipación de principio de disipación extrema de la entransía y se extendió a la transferencia de calor por radiación en la referencia [62][62][152] y la optimización de las redes de transporte en [63][63] [153].
Xu et al. [154, 155] derivaron las expresiones de disipación de entransía debida a la conducción del calor y a la fricción del fluido en los intercambiadores de calor. Cuando la disipación de entransía es aplicada a la evaluación del rendimiento y la optimización del diseño de los intercambiadores de calor, es necesario que sea adimensional.
En [66][66][156], se introduce un método adimensional para la disipación de entransía en los intercambiador es de calor y se introduce entonces el concepto de número de disipación de entransía, el cual puede ser utilizado para evaluar el rendimiento de los intercambiadores de calor.
1. La mayoría de los trabajos más actuales relacionados con los intercambiadores de calor de tubo y coraza tiene que ver con la parte térmica, existiendo muy pocos artículos que tratan la parte mecánica.
2. El Diseño Mecánico que se hace de los intercambiadores de calor es a través de fórmulas tradicionales, usándose muy poco métodos modernos como son los métodos numéricos.
3. Existen múltiples trabajos relacionados con la optimización de intercambiadores de calor de tubo y coraza, la mayoría encaminados a disminuir los costos.
4. Los métodos actuales más utilizados para la optimización son los algoritmos genéticos, los números sinérgicos, el enjambre de partículas y el recocido simulado. Aun no se ha usado el método de la colonia de hormigas para este propósito.
5. Los pocos trabajos encontrados de optimización multicriterial de intercambiadores de calor de tubo y coraza usan como funciones objetivo el costo total y la efectividad
6. Cuando se realiza la optimización multicriterial en la bibliografía analizada, no se tienen en cuenta las restricciones mecánicas, lo que provoca que luego al realizar el diseño mecánico por las normas TEMA u otras, se pierda parte de la optimización realizada.
7. A partir del año 2007 se crea una nueva propiedad termodinámica llamada "Entransy", equivalente a "Entransía" en español (definición de la autora). Este parámetro ha revolucionado los conceptos y métodos de la transferencia de calor
8. Para un flujo de calor en una frontera fija, el proceso de conducción es óptimo cuando se reduce al mínimo la disipación de entransía.
9. La disipación de entransía puede ser empleada para cuantificar las irreversibilidades. Aplicando dicha teoría y el método de los algoritmos genéticos se puede realizar la optimización del diseño de intercambiadores de calor utilizando como función objetivo la disipación de entransía.
10. Otra vertiente apunta a la existencia de un diseño "óptimo" del intercambiador de calor cuando la generación total de la entropía se reduce al mínimo.
11. Parece ser que aún no existe un método exacto para el diseño térmico de intercambiadores de calor debido a las diferencias entre los coeficientes globales de transferencia de calor y la caída de presión obtenida por los diferentes métodos. Esto será objeto de análisis en el capítulo siguiente.
12. Existen muy pocos trabajos en la bibliografía analizada que aplique nos métodos numéricos al diseño de Intercambiadores de calor.
13. Existe una preferencia por los autores que han realizado trabajos de optimización por el uso del método de Bell Delaware
14. Existen muy pocos trabajos relacionados con el Diseño Mecánico, la mayoría por expresiones tradicionales y antiguas y aisladas del cálculo térmico. Ningún trabajo de los analizados combina las dos cosas, esto no solamente se pone de manifiesto en los trabajos de diseño, sino también en los de optimización.
15. Desde el punto de vista mecánico uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta son las vibraciones en los tubos
1. Szargut, J., Exergy Method, Technical and Ecological Applications, WIT Press, Southampton; Boston, 2005, ISBN: 1-85312-753-1.
2. Szargut, J. Stanek Wojciech., Influence of the Pro-ecological Tax on the Market process of fuels and electricity, ECOS 2006, Crete, 11-14 July, 2006.
3. Arreola, G., "PDVSA abre operaciones en Cuba; buscará crudo en el Golfo de México", La Jornada, México, viernes 29 de abril del 2005, DEMOS, Desarrollo de Medios, S.A. de C.V.
4. Programa Nacional Científico Técnico., "Desarrollo energético sostenible", Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente, CITMA, La Habana, 1995.
5. http://thermex.co.uk/Shell-and-Tube-Heat-Exchangers-1. Consultado el 27 de marzo de 2013.
6. http://www.southwestthermal.com/shell-tube-exchanger.html. Consultado el 27 de marzo de 2013.
7. Perry, Robert H. and Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th Edition ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
8. Sadik Kakaç and Hongtan Liu (2002). Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design (2nd Edition ed.). CRC Press. ISBN 0-8493-0902-6
9. Lienhardt IV, J.H y col., A Heat Transfer Textbook, Third Edition, Phlogiston Press, Cambridge, Massachusetts, USA, 2002.
10. Shah, R.K and Sekulic, D.P., Fundamentals of Heat Exchanger Design, John Wiley & Sons, Inc., 2003, ISBN: 0-471-32171-0.
11. Wolverine Heat Transfer Data Book, Preliminary Design of Shell and Tube Heat Exchangers, Doc. Pdf (ch02_5.pdf), http://www.wlv.com/products/databook/databook.pdf . Consultado el 27 de marzo de 2013
12. http://www.htri.net/. Consultado el 28 de Marzo de 2012.
13. http://htfs.aspentech.com/software/. Consultado el 28 de Marzo de 2012.
14. Mezura, E., "Uso de la técnica multiobjetivo NPGA para el manejo de restricciones en algoritmos genéticos", Tesis MSc., Maestría en Inteligencia Artificial, Universidad Veracruzana, Septiembre 2001.
15. Gabriel Eduardo Rocha Camino Dimensionamiento de Intercambiadores de calor de coraza y tubos, con ayuda de computador. Revista Ingeniería e Investigación. Volumen 3 Nº 4. Trimestre 4-1985. Pág. 43-52
16. Yusuf Ali Kara y Özbilen Güraras. A computer program for designing of shell-and-tube heat exchangers. Applied Thermal Engineering Nº 24 Año 2004 paginas 1797 a 1805. Editorial Elsevier.
17. Goldberg, D.E. (1998). "Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning". Addison-Wesley, Reading, Massachusetts.
18. Stadler, W. (1984). "A Survey of Multi-criteria Optimization or the Vector Maximum Problem, Part I: 1776-1960". Journal of Optimization Theory and Applications 29, 1(sep), 1-52.
19. Charnes, A. and Cooper, W.W (1961). "Management Models and Industrial Applications of Linear programming". Vol 1. John Wiley, New York.
20. J.D. Bagley, The behavior of adaptive systems which employ genetic and correlation algorithms, Ph.D. thesis, University of Michigan, Ann Arbor, 1967.
21. J.H. Holland, Adaptation in Natural and Artificial Systems, University of Michigan Press, Ann Arbor, 1975.
1. K.A. De Jong, An analysis of the behavior of a class of genetic adaptive systems, Dissertation Abstracts International, vol. 36, no. 10, 1975, 5140B. (University Microfilms No. 76-9381).
2. J.J. Grefenstette, Optimization of control parameters for genetic algorithms, IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics (1986) 122–128.
3. J.E. Baker, Reducing bias and inefficiency in the selection algorithm, in: Genetic Algorithms and Their Applications: Proc. 2nd Int. Conf. Genetic Algorithms, 1987, pp. 14–21.
4. Goldberg D.E., Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning, Addison-Wesley Publishing Co. Inc., MA, 1989.
5. T. Bäck, U. Hammel, H.P. Schwefel, Evolutionary computation: comments on the history and current state, IEEE Transactions on Evolutionary Computation 1 (1997) 3–17.
6. N. Queipo, R. Devarakonda, J.A.C. Humphrey, Genetic algorithms for thermosciences research – application to the optimized cooling of electronic components, International Journal of Heat and Mass Transfer 37 (6) (1994) 893–908.
7. K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal, T. Meyarivan, A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II, IEEE Transactions on Evolutionary Computation 6 (2) (2002) 182–197.
8. H. Tamaki, H. Kita, S. Kobayashi, Multi-objective optimization by genetic algorithms: a review, in: Proc. IEEE Int. Conf. Evolutionary Computation (ICEC"96), Piscataway, NJ, 1996, pp. 517–522.
9. C.M. Fonseca, P.J. Fleming, An overview of evolutionary algorithms in multiobjective optimization, Evolutionary Computation 3 (l) (1995) 1–16.
10. K. Deb, Multiobjective Optimization Using Evolutionary Algorithms, Wiley, Chichester, UK, 2001
11. D.A.V. Veldhuizen, G.B. Lamont, Multiobjective evolutionary algorithms: analyzing the state-of-the-art, Evolutionary Computation 8 (2) (2000) 125–147.
12. Zahid H. Ayub. A new chart method for evaluating single-phase shell side heat transfer coefficient in a single segmental shell and tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering Nº 25 (2005) pags. 2412–2420
13. F. Vera-García, J.R. García-Cascales, J. Gonzálvez-Maciá, R. Cabello, R. Llopis, D. Sánchez, E. Torrella. A simplified model for shell-and-tubes heat exchangers: Practical application. Applied Thermal Engineering Nº 30 (2010) pags 1231–1241
14. Simin Wang, Jian Wen*, Yanzhong Li. An experimental investigation of heat transfer enhancement for a shell-and-tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering Nº 29 (2009) pags 2433–2438
15. Jiangfeng Guo, Mingtian Xu *, Lin Cheng. The application of field synergy number in shell-and-tube heat exchanger optimization design Applied Energy Nº 86 (2009) pags. 2079–2087
16. Butterworth David. Design of shell-and-tube heat exchangers when the fouling depends on local temperature and velocity Applied Thermal Engineering Nº 22 (2002) pags 789–801
17. M. Fesanghary, E. Damangir e I. Soleimani. Design optimization of shell and tube heat exchangers using global sensitivity analysis and harmony search algorithm. Applied Thermal Engineering Nº 29 (2009) pags. 1026–1031
18. V.K. Patel y R.V. Rao. Design optimization of shell-and-tube heat exchanger using particle swarm optimization technique. Applied Thermal Engineering 30 (2010) 1417 e1425
19. Andre´ L.H. Costa y Eduardo M. Queiroz. Design optimization of shell-and-tube heat exchangers. Applied Thermal Engineering Nº 28 (2008) pags. 1798–1805
20. Chang H. Oh y Eung S. Kim. Design option of heat exchanger for the next generation nuclear plant. Proceedings of the 4th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology HTR2008. September 28-October 1, 2008, Washington, DC USA
21. Zeng-Yuan Guo, Hong-Ye Zhu y Xin-Gang Liang. Entransy—A physical quantity describing heat transfer ability. International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 2545–2556
22. Jiangfeng Guo, Mengxun Li, Mingtian Xu y Lin Cheng. The application of Entransy Dissipation Theory in optimization design of heat exchanger. Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference IHTC14 August 8-13, 2010, Washington D. C., USA
23. Philippe Wildi Tremblay and Louis Gosselin Minimizing shell-and-tube heat exchanger cost with genetic algorithms and considering maintenance. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH Int. J. Energy Res. 2007; 31 :867 – 885 Published online 10 November 2006 in Wiley Inter Science (www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/er.1272
24. Sepehr Sanaye y Hassan Hajabdollahi. Multi-objective optimization of shell and tube heat exchangers. Applied Thermal Engi neering Nº 30 (2010) pags. 1937-1945
25. R. Storn, K. Price, Differential evolution – a simple and efficient adaptive scheme for global optimization over continuous spaces, Technical Report TR-95-012, ICSI, 1995.
26. F. Xue, A.C. Sanderson, R.J. Graves, Pareto-based multi-objective differential evolution, Proc. 2003 Congress on Evolutionary Computation, vol. 2, IEEE Press, Canberra, Australia, 2003.
27. S. Kirkpatrick, C.D. Gelatt Jr., M.P. Vecchi, Optimization by simulated annealing, Science 220 (4598) (1983) 671–680.
28. Benoît Allen and Louis Gosselin. Optimal geometry and flow arrangement for minimizing the cost of shell-and-tube condensers. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH Int. J. Energy Res. 2008; 32:958 – 969 Published online 1 February 2008 in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/er.1398
29. R. Selbas, O. Kizilkan, M. Reppich, A new design approach for shell-and-tube heat exchangers using genetic algorithms from economic point of view, Chemical Engineering and Processing 45 (4) (2006) 268–275.
30. B.V. Babu, S.A. Munawar, Differential evolution strategies for optimal design of shell-and-tube heat exchangers, Chemical Engineering Science 62 (14) (2007) 3720–3739.
31. A.C. Caputo, P.M. Pelagagge, P. Salini, Heat exchanger design based on economic optimisation, Applied Thermal Engineering 28 (10) (2008) 1151–1159.
32. Y. Ozcelik, Exergetic optimization of shell and tube heat exchangers using a genetic based algorithm, Applied Thermal Engineering 27 (11–12) (2007) 1849–1856.
33. Webb, R.L., 1981, "Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger design", International Journal of Mass and Heat Transfer, vol. 24, no. 4, pp. 715-726.
34. Bejan, A., General criteria for rating heat exchanger performance", International Journal of Mass and Heat Transfer, vol. 21 1978, pp 655-658.,
35. Bejan, A., Entropy generation minimization: The new thermodynamics of finite-size devices and finite-time processes." Journal of Applied Physics, vol. 79 no. 3, 1 Feb, 1996 pp 1191-1218.
36. Bejan, A., The concept of irreversibility in heat exchanger design: counterflow heat exchangers for gas-to-gas applications", Journal of Heat Transfer, vol. 99, August, 1977, pp. 375-380.
37. Bejan, A., A study of entropy generation in fundamental convective heat transfer", Journal of Heat Transfer, vol. 101, November, 1979 pp. 718-725.
38. Poulikakos, D. and Bejan, A., , "Fin geometry for minimum entropy generation in forced convection.", Transactions of the ASME, vol. 104, November 1982, pp. 616-623.
39. Grazzini, G. and Gori, F., 1988, "Entropy parameters for heat exchanger design", International Journal of Mass and Heat Transfer, vol. 31, no. 12, pp. 2547-2554.
40. Sekulic, D.P., 1990, "The second law quality of energy transformation in a heat exchanger", Journal of Heat Transfer, vol. 112, May, pp. 295-300.
41. Drost, M.K. and White, M.D., 1991, "Numerical prediction of local entropy generation in an impinging jet", Journal of Heat Transfer, vol. 113, November, pp. 823-829.
42. Wilcoxon, R.K. and Moutsoglou, A., 1991, "Second law analysis in assessing constant power input systems", Journal of Heat Transfer, May, vol. 113, pp. 321-328.
43. Zubair, S.M., Kadaba, P.V. and Evans, R.B., 1987, "Second-law-based thermoeconomics optimisation of two-phase heat exchangers", Journal of Heat Transfer vol. 109, May, pp. 287-294.
44. Witte, L.C., 1988, "The influence of availability costs on optimal heat exchanger design", Journal of Heat Transfer, vol. 110, November, pp. 830-835.
45. Jian-Fei Zhang, Ya-Ling He, Wen-Quan Tao. 3D numerical simulation on shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baf?es and continuous baf?es – Part I: Numerical model and results of whole heat exchanger with middle-overlapped helical baf?es. International Journal of Heat and Mass Transfer 52 (2009) 5371–5380
46. Jian-Fei Zhang, Ya-Ling He, Wen-Quan Tao. 3D numerical simulation on shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baf?es and continuous baf?es – Part II: Simulation results of periodic model and comparison between continuous and noncontinuous helical baf?es. *International Journal of Heat and Mass Transfer 52 (2009) 5381–5389
47. Jian-Fei Zhang, Ya-Ling He, and Wen-Quan Tao A Design and Rating Method for Shell-and-Tube Heat Exchangers With Helical Baffles J. Heat Transfer — May 2010 –Volume 132, Issue 5, 051802 (8 pages)
48. Liljana Markovska, Vera Mesko, Radmila Kiprijanova y Alexander Grizo. Bulletin of the Chemists and Technologists of Macedonia. Vol15. Nº 1. pags. 39 – 44 (1996). ISSN 350 – 0136
49. M. Saffar – Avval y E. Damangir en su trabajo: "A general correlation for determining optimum baffle spacing for all types of shell and tuve exchangers. International Journal of Heat and mass transfer. Vol 38. Nº 13. pags. 2501-2506. Año 195.
Autor:
Maida Bárbara Reyes Rodríguez. Jorge Laureano Moya Rodríguez. Oscar Miguel Cruz Fonticiella.
Centro de Estudios de Energía y Tecnologías ambientales (CEETA) Facultad de Ingeniería Mecánica Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas. Santa Clara. Villa Clara. Cuba
| Página siguiente |