Modelar con precisión la transferencia de calor en los sistemas de tuberías es fundamental para diseñar sistemas que funcionen de manera fiable en condiciones reales. En los sistemas de fluidos en los que la temperatura afecta a la seguridad, la eficiencia o el rendimiento, como en el procesamiento químico, la generación de energía o la climatización, los intercambiadores de calor suelen desempeñar un papel fundamental. Por eso los ingenieros recurren a herramientas de simulación avanzadas para acertar en el diseño térmico de sus diseños.
Con el lanzamiento de Fathom 14 y Arrow 11, Datacor Pipe Flow Modeling introduce una mejora importante: capacidades ampliadas de modelado de intercambiadores de calor que permiten a los usuarios representar cómo cambia el rendimiento de la transferencia de calor con el caudal. Estas nuevas opciones proporcionan una forma más realista y flexible de simular el comportamiento térmico, sin necesidad de que el usuario proporcione una gran cantidad de datos.
Una mirada al enfoque tradicional
Históricamente, Fathom y Arrow admitían una amplia gama de modelos de intercambiadores de calor utilizando dos métodos generales:
- NTU-Effectiveness Models: Incluye configuraciones de flujo a contracorriente, flujo paralelo, carcasa y tubos, y diversas configuraciones de flujo cruzado..
- Direct Specification Models: Donde las propiedades térmicas, como el ratio de calor o la temperatura de salida, eran introducidas directamente por el usuario.
El método NTU-Effectiveness es un enfoque ampliamente utilizado y fiable cuando se desconocen las temperaturas de entrada y de salida. Estos modelos determinan la transferencia de calor calculando la eficacia del intercambiador, es decir, la relación entre la transferencia de calor real y la máxima posible en función de las condiciones del fluido. Sin embargo, requiere que los usuarios introduzcan un valor constante para el coeficiente global de transferencia de calor (U), que no varía con el caudal.
Sin embargo, en los sistemas del mundo real, el rendimiento de la transferencia de calor rara vez es constante. Depende de muchos factores, especialmente del caudal, que influye en los coeficientes de convección tanto en el lado del fluido primario como en el secundario. Los ingenieros a menudo tenían que basarse en aproximaciones o suposiciones excesivamente simplificadas para tener en cuenta este factor.
Novedades en Fathom 14 y Arrow 11
Las nuevas herramientas mejoradas del modelado de intercambiadores de calor solucionan esta limitación al ofrecer dos nuevas opciones específicas para los modelos de eficacia NTU:
1. Estimated Overall Heat Transfer Coefficient
Esta opción calcula dinámicamente el coeficiente de transferencia de calor basándose en un único punto de funcionamiento. Los usuarios especifican U a un caudal de referencia, junto con un exponente (N) que refleja la geometría del intercambiador de calor.
En multitarea, el software utiliza la relación conocida entre el flujo (concretamente, el número de Reynolds) y la convección para estimar cómo variará U en diferentes condiciones de flujo.
Por ejemplo:
- N = 0.8 para flujo turbulento en tubos lisos
- N = 0.4–0.8 para intercambiadores de carcasa y tubos, dependiendo de la disposición de los deflectores y del flujo
Este método es ideal cuando no se dispone de datos detallados sobre las curvas, pero se desea conocer cómo varía el rendimiento de la transferencia de calor en diferentes condiciones de funcionamiento.
Además, el método Estimated U es compatible con la función Thermal Link, tanto si lo utiliza para conectar dos intercambiadores de calor dentro del mismo modelo como para acoplar Fathom y Arrow en una configuración de aplicación cruzada. Dado que los coeficientes de convección tanto en el lado del fluido primario como en el secundario se ajustan en función del caudal, el acoplamiento de ambas funciones permite un cálculo más preciso y detallado del coeficiente global de transferencia de calor.
2. Variación del coeficiente global de transferencia de calor con el flujo
Esta segunda opción proporciona una forma directa de definir cómo varía U con el caudal introduciendo una curva de U en relación al caudal. De forma similar a la introducción de curvas de bomba o resistencia, los usuarios pueden especificar una serie de puntos de datos y ajustar un polinomio o aplicar una interpolación lineal. Esto proporciona a los ingenieros un control preciso sobre cómo responde U a los cambios en el caudal.
Esta opción no es compatible con Thermal Link, que asume una U constante o requiere cálculos a partir de coeficientes de convección estimados dinámicamente en ambos lados. Sin embargo, es una herramienta muy útil cuando se dispone de datos empíricos sobre U y se desea definir directamente el comportamiento térmico no lineal.
Propiedades del intercambiador de calor con modelado optimizado
Por qué son importantes estas actualizaciones
Estos dos nuevos enfoques de modelado ofrecen ventajas sustanciales a los ingenieros que trabajan con intercambiadores de calor en sistemas complejos o de flujo variable:
- Mayor realismo – modela con precisión cómo cambia la transferencia de calor con las condiciones de funcionamiento.
- Mayor precisión – evita suposiciones simplificadas que podrían dar lugar a errores de diseño o a la pérdida de oportunidades de optimización.
- Flujo de trabajo optimizado – utiliza menos iteraciones manuales al modelar intercambiadores de calor en múltiples escenarios.
- Mayor integración – al utilizar U estimada en combinación con Thermal Link, ambos lados de convección del intercambiador de calor responden dinámicamente a los cambios de flujo, lo que permite que el modelo refleje el acoplamiento físico entre los fluidos primario y secundario.
Dado que la transferencia de calor depende no solo de la convección en cada lado sino también de la conducción entre ambos, esta interacción permite una representación más completa y matizada del comportamiento térmico.
Ya sea que esté diseñando un circuito de refrigeración, evaluando el rendimiento de una planta de procesamiento o modelando una interacción transitoria entre gases y líquidos, estas herramientas le ayudan a crear simulaciones que reflejan la realidad con mayor precisión, lo que en última instancia conduce a decisiones más inteligentes y sistemas con un mejor rendimiento.
Primeros pasos
Para emplear estas funciones:
- Abra la pestaña Thermal data (datos térmicos) del intercambiador de calor.
- Escoja entre Estimated U (U estimada) o Vary With Flow (variación con el flujo) de las opciones de modelado.
- Introduzca sus valores de referencia o datos de la curva.
Fathom 14 y Arrow 11 continúan ampliando los límites de lo posible en el modelado del flujo en tuberías. Con el modelado de intercambiadores de calor recientemente mejorado, ahora puede simular el rendimiento térmico con más flexibilidad, precisión y confianza que nunca.
Este artículo es una traducción del artículo de Matt Ashmore titulado “Smarter Thermal Modeling: Enhanced Heat Exchanger Options” publicado en la página web de AFT.
Puede consultar toda la información de Fathom en nuestra sección, y si quiere más información sobre Arrow puede visitar nuestra sección.