Aumento de la transferencia de calor en agua y fluidos no-newtonianos con generador de vórtices longitudinales en canal rectangular

Abstract

En este trabajo se estudia el efecto del aumento de la transferencia de calor por medio del uso de generadores de vórtices longitudinales al utilizar como fluido de trabajo fluidos nonewtonianos, representados por ley de potencia, y comparar sus resultados al aumento de la transferencia de calor al utilizar un fluido newtoniano. Los fluidos de trabajo considerados son el agua como fluido newtoniano y solución de agua con carmelosa (CMC) a distintas concentraciones que actuan como el fluido no-newtoniano. Para esto se realizan varias simulaciones computacionales utilizando el software Ansys Fluent. Se separa el trabajo en etapas consecutivas. Primero, se realiza un análisis bibliográfico para decidir el canal a utilizar. A continuación, se crea el modelo computacional para su posterior validación e independencia del mallado. Para cada canal considerado se simulan 4 fluidos con Reynolds de 100, 200, 400, 700 y 1000. Posteriormente se analizan los resultados y se realiza la comparación entre los casos para obtener conclusiones en base a los resultados. El modelo utilizado consiste en un canal rectangular considerando 3 casos: Caso base, caso con un par de generadores y caso con cuatro pares de generadores. Se valida el modelo computacional comparandolo con el estudio de donde se seleccionó, siendo sus mayores diferencias 4.28% y 4.39% para el Nu/Nu0 y f respectivamente. El mallado seleccionado obtiene diferencias porcentuales de 0.12% y 1.29% con respecto a una malla asumida como muy fina. Como resultado se obtiene que a mayor concentración de CMC aumenta el Nusselt obtenido en la simulación, pero este conlleva también una gran caída de presión, resultando en altas potencias de bombeo necesarias. Mientras que para el aumento de calor todos los fluidos de CMC presentan un mayor aumento en el calor transferido exceptuando el flujo de CMC500 en el caso de un par de generadores. Al momento de trasladar los resultados y compararlos en base a su velocidad y su potencia, los flujos de CMC apenas comparten un rango con el agua, donde mayoritariamente es esta la que presenta mejores resultados exceptuando el caso de Re=100 para el agua y al comparar entre los resultados de la solución de CMC estos no presentan una tendencia según el aumento de concentración en estos. En conclusión el uso de fluidos no-newtonianos como la solución de CMC aumenta considerablemente la transferencia de calor con un rendimiento general bajo, obteniendo resultados mixtos entre estos. Además, comparar en términos de Reynolds no basta para establecer una tendencia entre los fluidos, pero sí existen mejoras en la transferencia de calor para ciertos rangos, por lo que es de interés generar más estudios en otras condiciones para contrastar sus resultados y obtener una respuesta clara a si utilizar fluidos no newtonianos es mejor que utilizar un fluido newtoniano.