Contribuciones al estudio de formación de depósitos hidrocarbonados en intercambiadores de calor del sistema egrdesarrollo de modelo y validación experimental

Resumo

Este proyecto de tesis, el cual se presenta bajo la modalidad de compendio de artículos de investigación, ahonda en el estudio de la formación de depósitos hidrocarbonados sobre las superficies de intercambio de calor de los enfriadores del sistema de recirculación de gases de escape. Estas investigaciones contribuyen al análisis de los procesos de formación de las capas de suciedad generadas por la deposición de la materia particulada y los hidrocarburos presentes en la corriente de gases de escape, profundizando en el estudio de los fenómenos que participan en este proceso, los efectos causados por la aparición de los depósitos, así como en la estimación de las propiedades de las capas generadas. En este trabajo se analizan los diferentes modelos numéricos y técnicas de simulación que han sido propuestos para el estudio de los depósitos de suciedad que aparecen en este tipo de dispositivos. Se lleva a cabo la concreción y determinación de las características de cada uno de ellos, consiguiendo obtener una visión del alcance y capacidad de cálculo de las diferentes técnicas existentes. Con el fin de obtener una herramienta de simulación que estime el grado de ensuciamiento de los enfriadores de los sistemas de recirculación de gases de escape, se realiza el desarrollo de un modelo tridimensional que permite predecir la formación y crecimiento de los depósitos generados sobre las superficies de intercambio térmico de estos dispositivos. Esta herramienta basa su funcionamiento en software de dinámica de fluidos computacional que, mediante un modelo de malla dinámica, recrea el crecimiento y la morfología de las capas de suciedad teniendo en cuenta las condiciones de operación y los parámetros locales de la corriente de gases de escape. Los resultados generados por este modelo permiten estimar el espesor del depósito en las diferentes regiones de la pared del intercambiador, la pérdida de carga ocasionada por el crecimiento de la capa o la degradación de la eficiencia térmica del dispositivo, proporcionando información del cambio gradual de la capa de suciedad durante el proceso de generación del depósito. Para corroborar la validez de los datos aportados por la herramienta de simulación, se ha efectuado la validación experimental de los resultados obtenidos por el modelo en la estimación de la formación de depósitos de fouling seco, constituidos en su mayoría debido a la acumulación de materia particulada. Para ello se ha hecho uso de un banco experimental de ensayos, en el cual se han recreado las condiciones de ensuciamiento y se han efectuado las mediciones de los parámetros del intercambiador. Mediante perfilometría óptica se ha llevado a cabo la captura de la topografía de los depósitos reales, pudiendo evaluar el espesor y las características de la capa de suciedad. Los resultados ofrecidos por el modelo y las mediciones efectuadas en los ensayos experimentales han sido comparados, permitiendo verificar la capacidad del modelo para recrear la morfología irregular de los depósitos en los diferentes estados de formación de la capa de suciedad. Conjuntamente, con el deseo de analizar los efectos producidos por la condensación de las especies de hidrocarburos en la formación de los depósitos, se ha estudiado mediante técnicas experimentales la generación de fouling ante altas concentraciones de hidrocarburo en la corriente de gases de escape. Para ello se han llevado a cabo ensayos experimentales en los que se ha analizado el crecimiento de la capa de suciedad ante diferentes concentraciones de hidrocarburo, pudiendo examinar las derivaciones ocasionadas debido a la presencia de condensado en el depósito. Del mismo modo, se han evaluado los cambios producidos en las propiedades de la capa, como su densidad o su rugosidad superficial, logrando profundizar en el conocimiento de la formación y evolución de los depósitos de fouling húmedo.