Water evaporation in vertical tubes: an analytical approach for the subcooled flow boiling region and development of a method for evaluation and sizing evaporators = Evaporación de agua en tubos verticales: análisis de la región de ebullición subenfriada y desarrollo de un método de evaluación y Dimensionado de evaporadores

Resumen

The present thesis analyses in detail the process of water evaporation for convective upward flows in vertical tubes, used in industrial applications. Both, the heat transfer process and the pressure drop mechanism, are considered. However, special attention has been put on the heat transfer process in the transition from pure liquid to two-phase flow, known as subcooled flow boiling region. The empirical correlations for the heat transfer coefficient on the water side for subcooled flow boiling region, provided by the usual bibliography, do not ensure continuity between this region and the pure liquid and two-phase flow regions. This is, in fact, opposite to the physics of the phenomenon. In order to get continuity between the subcooled flow boiling region and its extremes, ensuring consequently physical coherence, this thesis proposes to use an analytical correlation of elliptical type for the water heat transfer coefficient in the subcooled flow boiling region. Using this correlation in the transition region for the water heat transfer coefficient together with other empirical correlations commonly used for pure liquid and two-phase flow, has allowed developing a method of calculation for a single tube. Similar methods or correlations for the pressure drop determination in each of the regions have been used. At the same time, to extend the method developed for a single tube to a bank of tubes has allowed to develop an engineering tool valid for performance analyses and/or sizing of industrial evaporators. The tool here developed has several advantages when it is compared to the ones used commonly in the industry, the ε-NTU methods. The first advantage is the fact itself of being able to analyse evaporators where phase change occurs inside them, determining dynamically where each region begins and ends (pure liquid, subcooled flow boiling region and two-phase flow region). The second advantage is that this tool allows a local analysis of the heat exchanger instead of a global one, as usual. It is possible then for the designer a better evaluation of the evaporator under study.La tesis presente lleva a cabo un estudio detallado del proceso de evaporación de agua para flujos convectivos ascendentes en tubos verticales, empleados en aplicaciones industriales. Este estudio aborda tanto el fenómeno de transferencia de calor como el de pérdida de presión, si bien se ha prestado especial atención a la transferencia de calor en la región de transición líquido puro – flujo bifásico, conocida como región de ebullición subenfriada. Las correlaciones empíricas del coeficiente de transferencia de calor del agua para la región de ebullición subenfriada proporcionadas por la bibliografía de referencia no consiguen asegurar la continuidad entre esta región y las de líquido puro y flujo bifásico. Este hecho en sí mismo contradice la física del fenómeno. Para conseguir la continuidad de la región de ebullición subenfriada con sus extremos y guardar por tanto coherencia con la física del fenómeno, esta tesis propone utilizar una correlación analítica de tipo elíptico para el coeficiente de transferencia de calor del agua en la región de ebullición subenfriada. La elección de esta correlación analítica para la determinación del coeficiente de transferencia de calor del agua en la zona de transición, junto con otras empíricas comúnmente aceptadas para líquido puro y flujo bifásico, así como la elección también de métodos o correlaciones para el cálculo de pérdida de presión en cada una de las regiones, ha permitido el desarrollo de un método de cálculo para un único tubo. A su vez, el método desarrollado para un único tubo ha sido extendido a un banco de tubos, permitiendo el desarrollo de una herramienta válida para el análisis de actuaciones y/o dimensionado de evaporadores de uso industrial. La herramienta aquí desarrollada presenta varias ventajas frente a las habitualmente usadas en la industria, métodos ε-NTU. La primera de ellas reside en el mismo hecho de ser capaz de analizar evaporadores en cuyo seno ocurre el cambio de fase, determinando dinámicamente el inicio y fin de cada uno de las regiones (líquido puro, ebullición subenfriada y flujo bifásico). La segunda es que este análisis no se aborda de una forma global, sino de forma local, permitiendo al diseñador y/o analista una mejor evaluación del evaporador bajo estudio.