Dispositivo de determinación de coeficiente de intercambio térmico y procedimiento asociado.

Dispositivo de determinación de coeficiente de intercambio térmico entre un fluido (F) y una pared (P) en un puntoPN de una superficie de la pared (P) en contacto con el fluido (F),

caracterizado porque comprende:

- un dispositivo (DT) de medición de la temperatura que comprende:

. dos sensores (D1, D2) de temperatura de la pared, un primer sensor (D1) de temperatura que mide un primer valor TC1 de temperatura de la pared en un punto P1 situado a una distancia d1 de la superficie de la paredsustancialmente comprendida entre 10 μm y 3 mm, y un segundo sensor (D2) de temperatura que mide un segundovalor TC2 de temperatura de la pared en un punto P2 sustancialmente alineado con el punto P1, según una rectanormal a la superficie en el punto PN, situándose el punto P2 a una distancia d2 de la superficie de la paredsustancialmente comprendida entre 300 μm y 1 cm, siendo superior la distancia d2 a la distancia d1, y

. un sensor (DF) de temperatura del fluido colocado en un punto PF del fluido, sustancialmente alineado con lospuntos P1 y P2, situándose el punto PF a una distancia df de la superficie de la pared sustancialmente comprendidaentre 10 μm y 1 cm, y

- una computadora (C) que comprende:

. unos primeros medios para calcular, a partir de los valores TC1 y TC2 de temperatura, un valor TP de temperatura dela pared y un flujo F térmico que viene dado por la ecuación:

F = λ grad (TC1 - TC2),

donde l es la conductividad térmica de la pared, y

. unos segundos medios para calcular, a partir de la temperatura TF del fluido, la temperatura TP y el flujo F térmico,el coeficiente h de intercambio térmico en forma de:

h = φ / (TF - TP).

Dispositivo de determinación de coeficiente de intercambio térmico y procedimiento asociado Campo técnico y técnica anterior

La invención se refiere a un dispositivo de determinación de coeficiente de intercambio técnico y el procedimiento asociado.

Conocer el coeficiente de intercambio térmico entre un fluido que fluye por una tubería y la pared de la tubería es un dato esencial, en el ámbito de la física, para calcular los intercambios de calor entre el fluido y la pared.

En el ámbito industrial, el coeficiente de intercambio térmico se utiliza normalmente, en el diseño, para dimensionar las superficies de los intercambiadores térmicos y para calcular las potencias térmicas transmitidas por un fluido. En la detección, el conocimiento del coeficiente de intercambio térmico puede caracterizar un mal funcionamiento tal como, por ejemplo, la aparición de un desecado, la aparición de cavitaciones o la presencia de gases no condensables.

El coeficiente de intercambio térmico no se mide directamente usando un sensor. Para determinarlo, se utilizan unos 20 modelos matemáticos de correlación de intercambio (modelo de Colburn, de Dittus-Bolter o de Rosenbow) que necesitan conocer ciertas características del fluido, tales como la velocidad, la viscosidad, la temperatura, etc.

La dificultad, incluso la imposibilidad, que existe para obtener un coeficiente de intercambio térmico usando unos modelos de correlación se muestra en numerosas aplicaciones industriales como, por ejemplo, las mezclas de fluidos turbulentos con grandes diferencias de temperatura (fatiga térmica) , la presencia de gases no condensables, la presencia de singularidades, por ejemplo, cuando una pared se enfrenta a remolinos de fluido que pueden llevar al desecado.

El dispositivo de medición del coeficiente de intercambio térmico de la invención y el procedimiento asociado 30 responden de forma particularmente ventajosa a la necesidad de las aplicaciones industriales en las que los modelos de correlación de intercambio son inadecuados.

También se conocen unos sistemas de medición de flujos de calor que utilizan una tubería por la que fluye un fluido en el segundo plano tecnológico general de la invención. Sin embargo, no se trata de sistemas de determinación de 35 coeficiente de intercambio térmico.

La solicitud de patente francesa FR 2 266 869, denominada “Aparato de medición de la obstrucción de una superficie metálica de corriente líquida”, divulga un sistema de este tipo. La pieza metálica cuya obstrucción de la superficie se quiere medir, se inserta en la pared de una tubería, la superficie metálica obstruida está en contacto 40 con el líquido que circula por la tubería y la superficie metálica situada en el lado opuesto de la superficie obstruida está en contacto con una resistencia calefactora que calienta la pieza. Se colocan dos sensores de temperatura en la pieza metálica, uno cerca de la resistencia calefactora y el otro cerca del líquido, un tercer sensor se coloca en el líquido, cerca de la superficie. Los dos sensores de temperatura que se colocan en la pieza metálica miden la diferencia de temperatura que existe en todo el grosor de la pieza metálica, caracterizando de este modo la energía 45 térmica aportada por la resistencia calefactora. El sensor de temperatura colocado en el líquido, mide la temperatura del líquido cerca de la superficie metálica. La resistencia térmica de la obstrucción y, por consiguiente, la propia obstrucción se deducen a partir de la diferencia en las medidas de temperatura entre la pieza metálica y el fluido.

Un dispositivo de este tipo no es un dispositivo del coeficiente de intercambio térmico. De hecho, un coeficiente de 50 intercambio térmico se mide de forma pasiva, es decir, sin ningún aporte exterior de calor que perturbe la medición.

Por otro lado, la medición efectuada se refiere a la obstrucción de toda la superficie de la pieza metálica. Por lo tanto, es una medición integrada en la superficie entera de la pieza metálica la que se obtiene y no una medición local.

En un sistema de medición de este tipo, el experto en la materia comprende que, en lo que se refiere a la posición de los diferentes sensores, es importante:

a) que los dos sensores de medición que se colocan en la pieza metálica estén lo más lejos posible según un eje 60 paralelo al grosor de la pieza metálica (ya que uno debe estar cerca de la resistencia calefactora y el otro cerca de la superficie obstruida) , y

b) que el sensor de medición colocado en el líquido esté cerca de la superficie obstruida.

La medida que se obtiene no es, por lo tanto, una medida puntual local, sino una medida integrada.

Exposición de la invención La invención se refiere a un dispositivo de determinación de coeficiente de intercambio térmico entre un fluido y una pared en un punto PN de una superficie de la pared en contacto con el fluido, caracterizado porque comprende:

- un dispositivo de medición de la temperatura que comprende:

. dos sensores de temperatura de la pared, un primer sensor de temperatura que mide un primer valor TC1 de temperatura de la pared en un punto P1 y un segundo sensor de temperatura que mide un segundo valor TC2 de temperatura de la pared en un punto P2 sustancialmente alineado con el punto P1, según una recta normal a la superficie en el punto PN, siendo el punto P1 el más cercano a la superficie de la pared, y

. un sensor de temperatura del fluido que mide un valor TF de temperatura del fluido en un punto PF del fluido sustancialmente alineado con los puntos P1 y P2, y

- una computadora que comprende:

. unos primeros medios para calcular, a partir de los valores TC1 y TC2 de temperatura, un valor TP de temperatura de la pared y un flujo Φ térmico que viene dado por la ecuación:

Φ = – λ grad (TC1 –TC2) ,

en la que λ es la conductividad térmica de la pared,

. y unos segundos medios para calcular, a partir de la temperatura TF del fluido, la temperatura TP y el flujo Φ térmico, el coeficiente h de intercambio térmico en forma de:

h = Φ / (TF – TP) .

La temperatura TP se calcula, por ejemplo, de acuerdo con un método inverso basado en la explotación del flujo determinado en cada instante. Este método se presenta en el documento titulado “THERMAL LOAD DETERMINATION IN THE MIXING TEE IMPACTED BY A TURBULENT FLOW GENERATED BY TWO FLUIDS AT LARGE GAP OF TEMPERATURE” (Olivier Braillard, Yvon Jarny, Guillaume Balmigere; 13th International Conference on Nuclear Engineering; Pekín, China, 16-20 de mayo de 2005; ICONE 13-50361) .

De acuerdo con una característica adicional de la invención, el dispositivo de medición de la temperatura comprende un tercer sensor de temperatura de la pared que mide una tercera temperatura TC3 de la pared en un punto P3 sustancialmente alineado con los puntos P1, P2 y PF, estando el punto P3 más alejado del punto PN que el punto P2.

La invención también se refiere a un procedimiento de determinación del coeficiente de intercambio térmico entre un fluido y una pared en un punto PN de una superficie de la pared en contacto con el fluido, caracterizado porque comprende:

- una medición de un primer valor TC1 de la temperatura de la pared en un punto P1,

- una medición de un segundo valor TC2 de la temperatura de la pared en un punto P2 sustancialmente alineado con el punto P1, según una recta normal a la superficie en el punto PN, siendo el punto P1 el más cercano a la superficie de la pared,

- una medición de un valor TF de la temperatura del fluido en un punto PF del fluido, sustancialmente alineado con los puntos P1 y P2,

- un cálculo de una temperatura TP de la pared a partir de los valores TC1 y TC2 de temperatura,

- un cálculo de flujo térmico Φ, tal que: Φ = – λ grad (TC1 –TC2) , en el que λ es la conductividad térmica de la pared, y

- un cálculo del coeficiente h de intercambio térmico, tal que: h = Φ / (TF – TP) . De acuerdo con una característica adicional del procedimiento de la invención, se efectúa una tercera medición de la

temperatura TC3 de la pared en un punto P3 sustancialmente alineado con los puntos P1, P2 y PF, estando el punto P3 más alejado del punto PN que el punto P2, siendo la temperatura TC3 un valor de temperatura utilizado como condición de frontera para el cálculo del coeficiente de intercambio térmico.

La invención se basa en mediciones locales precisas de temperatura en una pared y en un fluido a través de un sensor original asociado a un... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de determinación de coeficiente de intercambio térmico entre un fluido (F) y una pared (P) en un punto PN de una superficie de la pared (P) en contacto con el fluido (F) , caracterizado porque comprende:

- un dispositivo (DT) de medición de la temperatura que comprende:

. dos sensores (D1, D2) de temperatura de la pared, un primer sensor (D1) de temperatura que mide un primer valor TC1 de temperatura de la pared en un punto P1 situado a una distancia d1 de la superficie de la pared sustancialmente comprendida entre 10 μm y 3 mm, y un segundo sensor (D2) de temperatura que mide un segundo valor TC2 de temperatura de la pared en un punto P2 sustancialmente alineado con el punto P1, según una recta normal a la superficie en el punto PN, situándose el punto P2 a una distancia d2 de la superficie de la pared sustancialmente comprendida entre 300 μm y 1 cm, siendo superior la distancia d2 a la distancia d1, y

. un sensor (DF) de temperatura del fluido colocado en un punto PF del fluido, sustancialmente alineado con los puntos P1 y P2, situándose el punto PF a una distancia df de la superficie de la pared sustancialmente comprendida entre 10 μm y 1 cm, y

- una computadora (C) que comprende:

. unos primeros medios para calcular, a partir de los valores TC1 y TC2 de temperatura, un valor TP de temperatura de la pared y un flujo Φ térmico que viene dado por la ecuación:

Φ = – λ grad (TC1 –TC2) ,

donde λ es la conductividad térmica de la pared, y

. unos segundos medios para calcular, a partir de la temperatura TF del fluido, la temperatura TP y el flujo Φ térmico, el coeficiente h de intercambio térmico en forma de:

h = ϕ / (TF – TP) .

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el dispositivo de medición de la temperatura comprende un tercer sensor (D3) de temperatura de la pared que mide una tercera temperatura TC3 de la pared en un punto P3 sustancialmente alineado con los puntos P1, P2 y PF, situándose el punto P3 a una distancia d3 de la superficie de la pared sustancialmente comprendida entre 1 mm y 3 cm, siendo la distancia d3 superior a la distancia d2.

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la computadora (C) comprende unos terceros medios para calcular, a partir de los valores TC2 y TC3 de temperatura, un flujo ϕa térmico adicional que viene dado por la ecuación:

Φa = – λ grad (TC2 –TC3) .

4. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada sensor de temperatura es un termopar.

5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, en el que los termopares se colocan en una estructura en forma de cilindro recto formada mediante el ensamblado de dos medias lunas (L1, L2) , siendo la recta normal a la superficie de la pared en el punto PN un eje central del cilindro recto, aflorando una cara del cilindro recto en contacto con el fluido (F) a la superficie de la pared.

6. Procedimiento de determinación de coeficiente de intercambio térmico entre un fluido (F) y una pared (P) en un punto PN de una superficie de la pared (P) en contacto con el fluido (F) , caracterizado porque comprende:

- una medición de un primer valor TC1 de temperatura de la pared en un punto P1 situado a una distancia d1 de la superficie de la pared sustancialmente comprendida entre 10 μm y 3 mm,

- una medición de un segundo valor TC2 de temperatura de la pared en un punto P2, sustancialmente alineado con el punto P1 según una recta normal a la superficie en el punto PN, situándose el punto P2 a una distancia d2 de la superficie de la pared sustancialmente comprendida entre 300 μm y 1 cm, siendo la distancia d2 superior a la distancia d1,

- una medición de un valor TF de temperatura del fluido en un punto PF del fluido sustancialmente alineado con los puntos P1 y P2, situándose el punto PF a una distancia df de la superficie sustancialmente comprendida entre 10 μm y 1 cm,

- un cálculo de una temperatura TP media de la pared a partir de los valores TC1 y Tc2 de temperatura,

- un cálculo del flujo Φ térmico, tal que: 5 Φ = – λ grad (TC1 –TC2) , donde λ es la conductividad térmica de la pared, y

- un cálculo del coeficiente h de intercambio térmico, tal que: h = Φ / (TF – TP) .

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la temperatura TP se calcula mediante el método de 15 Beck.

8. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, en el que una tercera medición TC3 de temperatura de la pared se efectúa en un punto P3 sustancialmente alineado con los puntos P1, P2 y PF, situándose el punto P3 a una distancia d3 de la superficie de la pared sustancialmente comprendida entre 1 mm y 3 cm, siendo la distancia d3 superior a la distancia d2, la temperatura TC3 es un valor de temperatura utilizado como condición de frontera para el cálculo del coeficiente de intercambio térmico.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la temperatura TC3 se utiliza para un cálculo del flujo Φa, tal que:

Φa = – λ grad (TC2 –TC3) .

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 a 9, en el que se calcula una función de coherencia que estima una incertidumbre del valor calculado del coeficiente de intercambio térmico.