Modelación numérica del comportamiento térmico de sistemas estructurales termo-activos en el contexto de túneles

Abstract

El presente trabajo de título tiene como objetivo estudiar el comportamiento térmico y el diseño de un intercambiador de calor plano dispuestos en estructuras termo-activas en el contexto de túneles, específicamente en el túnel de la Línea 4 del Metro de Santiago. Es decir, estudiar el comportamiento de tubos por el que circula un refrigerante, los cuales se introducen en la estructura de concreto (estructura termo-activa) que sostiene el túnel en el momento de su construcción. La gran ventaja de este sistema es que no se tienen costos de perforación o construcción de la estructura termo-activa ya que los tubos se instalan antes de que sea vertido el concreto y luego es el mismo concreto el que le da soporte a los tubos. Y al mismo tiempo la estructura de concreto, que está rodeada de alguna fuente de calor, transmite esa energía al fluido refrigerante que circula por el tubo. En el caso del presente estudio se modela un serpentín de tubos en zig-zag embebido en la estructura de concreto que le da soporte al túnel de la línea 4 del Metro de Santiago, específicamente en el tramo comprendido entre la estación Tobalaba y la estación Grecia. Por lo tanto el modelo tiene las dimensiones de dicho túnel, considera las condiciones ambientales dentro del túnel y las características propias del suelo donde se encuentra ubicado. El estudio considera solo absorción de calor, por lo que solo sirve para calefacción. Esto debido a que la temperatura promedio del aire al interior del túnel es de 20°C en invierno y 30°C en verano. Por lo tanto el líquido refrigerante que circula por los tubos embebidos, en este caso agua, absorbe calor desde dos fuentes, el suelo que rodea la estructura de concreto por el exterior y la otra fuente es el aire caliente que circula dentro del túnel. Al analizar los resultados obtenidos de la modelaciones se puede observar la importancia de la separación con que se instalan los tubos y la velocidad de flujo del refrigerante. La separación de tubos incide directamente con la cantidad de metros de tubo instalado y por consiguiente la cantidad de área de transferencia. Para velocidades altas de flujo de refrigerante aumenta la transferencia por convección debido a dos cosas, el aumento de flujo másico y el aumento de la turbulencia. Como resultado final se obtiene que con 10 metros de túnel, en invierno se puede llegar a absorber 6.900 [W] y en verano 10.300 [W], de los cuales en promedio el 75% provienen del aire caliente del túnel. Además se obtiene que en un kilómetro de túnel se puede llegar a reducir la temperatura del aire 5°C en invierno y 8°C en verano.