Estudio numérico del aumento de la transferencia de calor en intercambiadores de calor con tubos y aletas usando combinaciones de métodos

Abstract

Los intercambiadores de calor son dispositivos diseñados para proporcionar una transfe- rencia de calor eficiente entre dos fluidos a diferentes temperaturas. Un tipo en particular ampliamente utilizado es el de tubos y aletas. A medida que pasan los años, cada vez se necesita que estos tengan un mayor rendimiento termohidráulico. Las mejoras más comunes consisten en técnicas pasivas que modifican la forma de las aletas: generadores de vórtices longitudinales (GVL), protuberancias y aletas corrugadas.

Actualmente existe una amplia referencia de estudios sobre el efecto de estas tres modifi- caciones. Sin embargo los estudios sobre como se comportan al ser aplicadas al mismo tiempo son más escasos. De esta manera, el objetivo general de este trabajo es estudiar, mediante simulación, el efecto sobre la transferencia de calor y caída de presión, del uso combinado de GVL, protuberancias y aletas corrugadas, en un intercambiador de calor de tubos y aletas.

A partir de estudios previos, se propusieron tres aletas modificadas compatibles entre sí. En base a estas, se diseñaron siete casos distintos: (i) GVL, (ii) protuberancias, (iii) corrugaciones, (iv) GVL más protuberancias, (v) GVL más corrugaciones, (vi) protuberancias más corrugaciones, (vii) GVL más protuberancias más corrugaciones.

Luego de corroborar que los resultados son independientes del mallado y validar numé- ricamente el modelo del intercambiador base con resultados experimentales, se evaluó el desempeño de los siete casos realizando simulaciones en Ansys Fluent, en estado transiente, con números de Reynolds entre 3000 a 8000. Los resultados fueron comparados en base al factor de Colburn, de fricción, y factor JF. Además, se obtuvo contornos de temperatura, perfiles de velocidad y líneas de flujo.

Todos los casos mostraron ser una mejora con respecto al caso base, demostrando la factibilidad de aplicar las modificaciones diseñadas. El mejor resultado se obtuvo al usar GVL más corrugaciones, con una mejora de un 68 % en el factor de Colburn y un 38 % en el factor JF, lo que demuestra que son altamente compatibles de ser utilizadas al mismo tiempo. Al comparar con estudios similares, se encontró que el diseño realizado es ligeramente superior. Se propone continuar con el estudio de este caso, probando diferentes ángulos de corrugación, junto con el ángulo, posición y cantidad de GVL usados.