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Desarrollo y validación experimental de un modelo fenomenológico de la transferencia de calor en intercambiadores con materiales de cambio de fase. Caso de estudio la estearina de palma hidrogenada

Resumen

Este trabajo de investigación presenta el desarrollo y validación experimental de un modelo fenomenológico de la transferencia de calor en intercambiadores de calor con estearina de palma hidrogenada como un nuevo material de cambio de fase (PCM). Este modelo fenomenológico permite estudiar el proceso de fusión de la estearina de palma hidrogenada. Adicionalmente, mediante un análisis adimensional, es posible estudiar el efecto de variables operacionales y parámetros de diseño, y consecuentemente, extrapolarlos en sistemas con dimensiones y volúmenes diferentes. El modelo fenomenológico planteado está basado en el método matemático de las capacidades caloríficas aparentes y presenta errores máximos de alrededor de 8%. El proceso de fusión de la estearina de palma hidrogenada está altamente influenciado por la convección natural mostrando una interfase sólido/líquido ovalada. La energía máxima almacenada al finalizar el proceso de fusión de la estearina de palma hidrogenada es de 303.51 kJ/kg. Además, emplear una configuración de serpentín rectangular causará una alta tasa de fusión en las zonas inferiores del sistema. El análisis adimensional es realizado mediante la variación de los números de Stefan, Reynolds, Rayleigh y Relación de difusividades térmicas. Esto demostró que el número de Reynolds y la Relación de difusividades térmicas no tienen una influencia significativa sobre el tiempo del proceso de fusión del PCM. Sin embargo, el número de Stefan y de Rayleigh causan la mayor influencia sobre el tiempo de fusión del PCM. Adicionalmente, el análisis adimensional permitió desarrollar y expresar una correlación matemática como, γ=10^(-7.54893)*Ste^(-0.99876)*Re^(-0.00098)*Ra^0.77970*φ^0.00325*Fo^0.53233. Además, esta variación adimensional permite recomendar unas mejoras para la transferencia de calor en un equipo a escala planta. Estas recomendaciones consisten en una temperatura de entrada de 95 °C, una velocidad de entrada de 1 l/min y un material de tubería de acero inoxidable con un paso de vuelta corto.