Aumento de la transferencia de calor mediante generadores de vórtices longitudinales en intercambiadores de calor compacto

Abstract

Existen diversos estudios de intercambiadores de calor de tubos planos, con diferentes tipos de aletas, se destacan las investigaciones con el posicionamiento de generadores de vórtices, sin embargo todos estos estudios realizados consideran un numero constante de GVL, modificando otros parámetros de la geometría, como la posición y la geometría de los generadores, sin embargo no hay estudios con un mayor numero de GVL y que busque posicionarlos en los lugares con menor transferencia de calor local. El objetivo principal de este trabajo corresponde a obtener una configuración de GVL en las aletas de un intercambiador de tubos planos que presente el máximo desempeño dentro de las geometrías estudiadas. Para completar este objetivo en primer lugar se deben definir un modelo base, luego de validado el modelo con el estudio correspondiente, se realiza la independencia de mallado de la geometría, para finalmente simular cinco configuraciones de GVL con el objetivo de aumentar el coeficiente de transferencia local y analizar su desempeño con respecto al modelo base. Luego de estudiar los resultados se observa el aumento del numero de nusselt para las diferentes geometrías, la geometría con 9 generadores de vórtices presenta un aumento del 30 % del numero de Nusselt hasta la geometría 5 con 36 generadores presenta un aumento del numero de nusselt del 102 %, en todos los casos se observa una modificación de la capa limite que permite este aumento en el intercambio térmico. Al analizar los campos vectoriales y lineas de flujo de se observa la correcta formación de los vórtices longitudinales, que facilitan el intercambio térmico, sin embargo al tener todos los vórtices un mismo sentido de rotación, se provoca una diferencia de velocidades en la interface de los vórtices generando una disminución en el tamaño de estos, esto también provoca un vórtice que engloba a los más pequeños. Al analizar el desempeño de las diferentes geometrías se observa que la geometría con nueve GVL, presenta un aumento del 18 % del factor de rendimiento de volumen, con respecto a la geometría de aletas planas, por otro lado la geometría 5 con 36 generadores de vórtices presenta un aumento del 52 % de rendimiento. Cabe destacar la diferencia de rendimiento entre los dos modelos con 18 generadores, ya que el modelo con los generadores alineados presenta un rendimiento 10 % más bajo. El mejor rendimiento térmico corresponde a la geometría 5 con 36 generadores de vórtices, que presentan un aumento del 52 % del factor de rendimiento de volumen, lo que implica que se puede extraer un 50 % extra de calor con la misma potencia de bombeo. Otra geometría que destaca corresponde al modelo con 18 GVL que posee el 91 % de rendimiento con respecto a la geometría 5 y solo un 75 % de la perdida de carga, por lo tanto puede ser seleccionada como alternativa de diseño en el caso de que se priorice disminuir la perdida de carga.