Aumento de la transferencia de calor con generadores de vórtices longitudinales en intercambiador de calor de tubos ovalados y aletas

Abstract

El presente trabajo consiste en simular, mediante Ansys Fluent, el fenómeno de transferencia de calor entre un flujo de aire y la superficie externa de un intercambiador de calor con aletas (ICA) y generadores de vórtices longitudinales (GVL). Los GVL, al aumentar la transferencia de calor, permiten disminuir costos a través de ahorro de material o consumo energético. El objetivo de este trabajo es evaluar térmicamente un flujo de aire externo en un ICA con y sin GVL mediante un modelo computacional. Para esto, el trabajo se divide en 5 etapas sucesivas: (1) definición del modelo a estudiar, (2) validación del modelo e independencia del mallado, (3) simulación de 8 casos en un ICA variando la geometría y posición del GVL para los Reynolds 180, 360, 540 y 720, (4) análisis de los resultados de las simulaciones y (5) conclusiones. Los 8 casos tienen el nombre según la geometría del GVL: Delta, Rectangular, Cucharón, Elipse 1, 2, 3, 4 y 5. A partir de los resultados, se confirma la validación del mallado: las simulaciones con respecto al estudio previo, muestran diferencias máximas de 5 y 6% en f y Nu respectivamente. Se concreta la independencia del mallado, el mallado medio con respecto al mallado fino tiene diferencias de 1 y 0,2% en j y f respectivamente. En todos los casos con GVL, excepto en el caso Cucharón, la principal característica del flujo es la presencia de un vórtice longitudinal (VL) que se propaga en dirección del flujo principal. En el caso Cucharón se observan dos VL no simétricos con baja intensidad. Los VL en todos los casos afectan el comportamiento térmico principalmente de dos maneras: mayor mezcla del flujo y adelgazamiento de la capa térmica, ambas provocando un aumento en la transferencia de calor. El mayor aumento de calor comparado con el caso Base para un mismo Redh se da con el caso Delta con un aumento del 14% para Redh 720. El mayor aumento de caída de presión en comparación con el caso Base para mismo Redh se da con el caso Elipse 1 con un aumento del 20% para Redh 720. La mayor transferencia de calor, comparando los casos bajo una misma potencia de flujo, se da para el caso Delta, para un Redh mayor a 360. Para un Redh menor a 360 los resultados en la transferencia de calor son similares entre todos los casos. Se concluye que el caso Delta tiene el mejor desempeño en términos de transferencia de calor que el resto de los casos, considerando además sus ventajas en su manufacturación (simpleza en su geometría de GVL y posibilidad de troquelado). Para los Reynolds de estudio, el aumento de transferencia de calor global tiene concordancia con la intensidad del VL; mayor intensidad indica mayor calor. La intensidad del VL se relaciona a la vez con el área frontal del GVL; al aumentar el área frontal, manteniendo constante la geometría del GVL, la intensidad del VL aumenta. La geometría del GVL también juega un rol importante en el la formación del VL y por lo tanto, en el aumento de calor.