ESTIMACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN REACTOR DE CHAROLAS PARA FERMENTACIÓN EN MEDIO SÓLIDO USANDO UN SOPORTE INERTE (original) (raw)
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RESUMEN El cálculo de coeficientes de transferencia térmica sobre superficies en el interior de un local a partir de expresiones deducidas para medios semiinfinitos o medidos experimentalmente en locales caracterizados por una temperatura única puede producir resultados apartados de lo real en cálculos de simulación térmica de edificios. A partir de los resultados obtenidos en experiencias de visualización de flujos y algunas medidas térmicas realizadas en modelos a pequeña escala se analizan algunas de las dificultades que pueden presentarse si se emplea una temperatura única para caracterizar el comportamiento térmico de un local. Se concluye que es necesario un conocimiento más profundo de la circulación y la distribución espacial de temperatura en el interior de los locales cuyo comportamiento se quiere analizar. INTRODUCCIÓN La transferencia de energía por convección natural en el interior de una habitación es un problema complejo tanto desde el punto de vista térmico como fluidodinámico. En programas de simulación numérica del comportamiento térmico de edificios se realizan modelos simplificados que permitan estimar su comportamiento, para lo cual se suele asignar una temperatura característica a cada local y se emplean coeficientes de transferencia térmica sobre superficies calculados a partir de relaciones que están deducidas para transferencia desde una superficie hacia un medio semiinfinito, valores cuya validez es relativa (Bohm, 1985). El comportamiento térmico-fluidodinámico del aire en el interior de una habitación es mucho más complejo que lo que esta descripción permite y se requiere mayor información experimental acerca de la distribución de temperaturas en el interior para mejorar los modelo en los que se basan las simulaciones. El empleo de modelos a pequeña escala que emplean agua como elemento convectivo es una técnica que se aplica hace tiempo al estudio de los procesos de transferencia térmica en recintos cerrados (. En el presente trabajo se emplearon los resultados obtenidos en la experimentación con una cavidad cúbica de 0.10 m de lado, tomada como referencia, calentada desde una superficie, con las restantes caras en contacto con el ambiente, para analizar las dificultades que pueden surgir en el cálculo de los coeficientes térmicos de transferencia sobre las superficies internas, cuando éste se realiza a partir de la caracterización del local por una única temperatura, ya sea medida en un único punto u obtenida como promedio sobre otras medidas realizadas en el local. PLANTEO DEL PROBLEMA Se considera una cavidad cúbica, sometida a calentamiento a potencia constante desde una pared denominada " cara1 " ; las restantes caras, el piso y el techo están en contacto con el ambiente a temperatura constante Ta. Suponiendo el sistema en equilibrio, el flujo de energía es el siguiente (Figura 1): el calor entra por conducción a través de la cara 1 y se transmite por convección natural hacia el interior del local. La energía térmica del local se transmite por convección hacia las paredes, piso y techo, y se pierde por conducción a través de las paredes hacia el exterior a temperatura ambiente. Las ecuaciones que rigen el proceso son las siguientes (McAdams, 1978): Conducción: qi = (k/e)i * Ai * (T' i – T i) Convección: qi = hi * Ai * (T i – T m) El índice i caracteriza la i-ésima superficie, A es el área, (k/e) es el cociente entre la conductividad y el espesor de la superficie, T es la temperatura interna, T' es la temperatura externa y T m es la temperatura media única que caracteriza el local. En equilibrio, debe cumplirse: qi = (k/e)i * Ai * (T'i – Ti) = hi * Ai * (Ti – Tm) # Instituto UNSa-CONICET
"In this paper we developed a mathematical model for predicting temperature and moisture content profiles in the bed of a tray bioreactor for solid-state fermentation (SSF). For this purpose we developed heat and mass (water) balances which considered the mainmechanisms of heat and mass transfer in the fermentation bed. These balances were used to estimate the heat and mass (water) transfer coefficients. Bioreaction was also proposed for substrate consumption, biomass generation, CO2 and water. Stoichiometric balances were carried out to describe the growth of microorganisms. We used two strains, Aspergillus niger AT for fermentations (runs) on substrate support (70%, wheat bran; 30%, soybean meal) and Aspergillus niger C28B25 for fermentations on inert support (perlite). In the runs on substrate-support, CO2 production and fermentation bed temperature (no data storage) were on-line measured and initial and final moisture content of fermentation bed, water activity, pH and enzyme activity phytase were off-line measured. In the runs on inert support, CO2 production and fermentation bed temperature (both data storage), were measured and at regular time intervals, moisture, water activity, pH, enzymatic activity of invertase, biomass concentration, substrate concentration were off-line measured. The online measurement of CO2 production in the process was important because from these data, we estimated metabolic water generation, biomass and metabolic heat generation using the proposed bioreactions. Ordinary differential equations obtained from the water and energy balances allowed predictions of temperature and moisture content profiles in the fermentation bed of tray bioreactor. The system of ordinary differential equations was solved using the algorithm "Runge-Kutta.Fehlberg" (RKF56) Polymath ® software version 6.0. Integral mass and energy balances made possible to estimate the coefficients of heat and mass transfer (water) during the growth of microorganisms, which were used later in the mathematical model proposed.The profiles predictions obtained with the model for temperature and moisture content in fermentation bed, showed good fit compared with the experimental data for different operating conditions in the tray bioreactor. As a strategy for removing metabolic heat from the bed of fermentation the use of a fan system is proposed to change the air flow conditions in the bioreactor headspace (air space within the bioreactor that is not within the matrix of the substrate), the variations caused by internal forced air circulation were defined by the Reynolds number (NRe). The effect of the NRe and fermentation bed height (operation variables) on the variables described above were evaluated. This study was conducted in both support-substrate as inert support. In the studies with substrate support and inert support carried out was found that the increase in bed height leads to higher accumulation of heat in the fermentation bed affecting negatively to the enzyme activities. The increase in the NRe had a positive effect in heat removal, improving the enzyme activities, however, must be found an optimum value, since the use of high values of NRe causes drying of fermentation bed that affect adversely the enzyme activities."
INFORME: INTERCAMBIADORES DE CALOR-TUBOS CONCENTRICOS
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado por la industria en diversos procesos en los que, ya sea para favorecer una reacción, disminuir la cantidad de energía necesaria para realizar un proceso o simplemente para cumplir requerimientos de transporte y/o almacenaje, es necesario transferir calor entre dos medios. Se pueden encontrar diferentes configuraciones de intercambiadores de calor, cada una ajustada a determinados procesos o finalidad. De todas estas configuraciones la de tubos concéntricos suele ser la más común, debido a su sencillez. Dichos intercambiadores están constituidos por dos tubos concéntricos de diferentes diámetros, es decir uno dentro del otro. A través de estos se hace pasar dos fluidos, uno de ellos circula a través del tubo de menor diámetro mientras que el otro lo hace a través del espacio entre ambos conductos. En el presente informe se describe un experimento llevado a cabo con tubos concéntricos por los que se hizo pasar agua y aceite a diferentes temperaturas, y en diferentes disposiciones: en paralelo y contracorriente. Después de llevado a cabo el experimento se observa que al disponer el flujo de los fluidos a contra corriente la transferencia de calor se lleva acabo de forma más eficiente que al estar en paralelo. A heat exchanger is an equipment used by the industry in various processes in which, either to promote a reaction, decrease the amount of energy required to process or simply to meet transport and / or storage requirements, is necessary to transfer heat between two means. You can be found different configurations of heat exchangers, each tailored to specific processes or purpose. In all these configurations the concentric tubes is usually the most common because of its simplicity. Such exchangers are constituted by two concentric tubes of different diameters, in other words: one inside the other. Through these is passed two fluids, one of which flows through the smaller diameter tube while the other does through the space between the two ducts. In this report is described an experiment carried out with concentric tubes which was passed water and oil at different temperatures and different arrangements: parallel and countercurrent. The completion of the experiment shows that by providing the flow of fluids countercurrent heat transfer is carried out more efficiently than being in parallel.