Transient actuations in heat exchangers

Heat exchangers are used in many industrial applications, for example, solar thermal facilities, power plants, refrigeration, and air conditioning systems to mention a few. The study and/or analysis of heat exchangers using numerical procedures provides many benefits due its flexibility and reduced cost compared with experimental procedures. This is the reason why it can be used to carry parametric study in order the design better and more efficient devices. Recently, increased attention is put on transient heat exchanger analysis, and from a numerical perspective, the use of one dimensional (1-D) models seems desirable, due to its low computational cost and high level of accuracy. Under the distributed parameter approach, the modeling of these systems is made through a partial differential set. Due to its mathematical complexity, it is not possible to obtain an analytical or exact solution. Therefore, the solution has to be approximated numerically. To do this, the equations have to be discretized in space and time as well. In that sense, to approximate the solution many researchers tend to use the classic Euler backward or forward methods to handle the temporal terms. This thesis is focused on providing an alternative numerical methodology to cope with fast phase change processes applied to heat exchanger research. The proposed methodology is able to increase the accuracy of the solution by using high order temporal schemes. It consists in a finite volume staggered grid discretization of the governing equations. The transient terms are treated with the explicit first stage singly diagonally implicit Runge-Kutta (ESDIRK) method. The convective terms are approximated with a 1st order UPWID method. And, the coupling of velocity (mass flow) and pressure is done with the semi-implicit pressure linked equations (SIMPLE) algorithm. This methodology is suitable for dealing with the stiff equations, present in instant boiling or condensation processes. It also handles accurately typical transient effects like fluctuations around an operation point, starting and stopping operations, variations inherent to some heating sources like solar radiation, etc. The different aspects of the numerical procedure are discussed; this work offers a complete set of verification and validation experiments using experimental and numerical published data available in the open literature. In this way, the numerical procedure is validated under steady-state and transient-state conditions, highlighting its potential. Additionally, a novel heat exchanger layout devised for a two-phase stratified gravity-driven regime is studied. The mathematical model consists of 1-D balance equations for mass and momentum for both fluids and energy for both fluids and the wall of the pipe that absorbs solar radiation. The model is characterized by the fact that the area (or height) of the liquid layer is treated as a dependent variable forming part of the solution. In order to couple both phases a mass-transfer based algorithm is proposed. This increases the field of applications of the high order temporal scheme already developed.Los intercambiadores de calor se emplean en muchas aplicaciones industriales, tales como instalaciones solares térmicas, plantas de energía, sistemas de refrigeración y/o aire acondicionado, solo por mencionar algunos. El estudio y/o análisis numérico de de intercambiadores nos proporciona muchas ventajas debido a su flexibilidad y reducido coste asociado, en comparación con los métodos experimentales usuales. Por ello, se pueden utilizar para llevar a cabo estudios paramétricos con el fin de diseñar mejores intercambiadores, de una forma rápida y económica. Recientemente, por parte de la comunidad científica se ha prestado mayor atención al análisis transitorio de intercambiadores de calor. En este ámbito, desde un punto de vista numérico el empleo de modelos unidimensionales (1-D) parece razonable, debido a su bajo costo Bajo un enfoque de parámetros distribuidos, el modelado de estos sistemas se realiza a través de un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales. Debido a su complejidad matemática no es posible hallar una solución analítica o exacta, por lo tanto, se recurre a su aproximación numérica. Por lo tanto, las ecuaciones deben ser discretizadas tanto en espacio como en tiempo. En ese sentido, muchos investigadores tienden a usar los métodos clásicos de Euler (hacia adelante o hacia atrás) para tratar los términos temporales. Esta tesis se centra en proporcionar una metodología numérica alternativa para hacer frente a los procedimientos de cambio fase súbitos que ocurren en un intercambiador de calor. La metodología propuesta aumenta la precisión de la solución mediante el uso de esquemas temporales de alto orden. Consiste en la discretización en una malla desplazada usando el método de los volúmenes finitos. Los términos transitorios se tratan con el método explícito de primera etapa diagonalmente implícito de Runge-Kutta (ESDIRK). Los términos convectivos se aproximan con un método UPWID de primer orden. Y, el acoplamiento de la velocidad (flujo másico) y la presión se realiza con el algoritmo SIMPLE. Esta metodología es adecuada para los problemas numéricamente rígidos, presentes en procesos instantáneos de ebullición o condensación. También permite manejar con precisión los efectos transitorios típicos como fluctuaciones alrededor de un punto de operación, operaciones de inicio y parada, variaciones inherentes a algunas fuentes de calor como la radiación solar, etc. Los distintos aspectos de este método alternativos se comentan extensamente. El trabajo ofrece una exhaustiva verificación y validation mediante un conjunto de experimentos, usando datos tanto experimentales como numéricos publicados en la literatura abierta sobre el tema. De esta manera, el procedimiento numérico se valida en condiciones de estado estacionario y transitorio, destacando su potencial. Además, se estudia un nuevo diseño de intercambiador de calor orientado a régimen estratificado de flujo bifásico. El modelo matemático consiste en plantear el problema 1-D usando las ecuaciones de conservación de masa y de cantidad de movimiento para ambos fluidos y la ecuación de conservación de energía para ambos fluidos y la pared de la tubería, que absorbe la radiación solar. El modelo se caracteriza por el hecho de que el área (o altura) de la película de líquido se trata como una variable dependiente. Para acoplar ambas fases, se propone un algoritmo de transferencia de masa. Esto aumenta el campo de aplicación del esquema temporal de alto orden previamente desarrollado.Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Jacobo Porteiro Fresco - Secretario: José Alfonso Artero Guerrero - Vocal: Jesús Fernández Rech