Efectos de los generadores de vórtices longitudinales en el rendimiento térmico de intercambiadores de calor compactos de tubos planos y aletas planas u onduladas

Abstract

El presente estudio tiene como objetivo analizar los efectos de los generadores de vórtices tipo delta winglet (GVL) sobre la transferencia de calor, la caída de presión y el rendimiento térmico (TEF) en intercambiadores de calor compactos de tubos planos y aletas planas u onduladas, en régimen laminar entre números de Reynolds de 160 a 1580. Este trabajo surge de la necesidad de mejorar la eficiencia energética en sistemas térmicos, buscando soluciones que permitan optimizar la transferencia de calor y reducir el consumo energético, lo que contribuye a minimizar el impacto ambiental asociado a estos procesos. Para ello, se estudiaron seis configuraciones distintas: un caso base con aletas planas, un segundo caso con aletas onduladas, y cuatro casos con aletas planas y GVL distribuidos de manera específica, variando su orientación hacia el centro del intercambiador o hacia los tubos. Los casos fueron realizados en el software Autodesk Inventor y las simulaciones numéricas se realizaron en el software ANSYS Fluent, evaluando el número de Nusselt, la caída de presión y el TEF para seis números de Reynolds, lo que permitió comparar el desempeño de cada configuración. Los principales resultados muestran que el caso número 2 con GVL, con una orientación alternada de los GVL (primeras filas hacia el centro y las últimas hacia los tubos), alcanzó el mayor rendimiento térmico (TEF = 1,16). A pesar de que el caso con aletas onduladas mejoró la transferencia de calor en un 48 %, presentó un aumento significativo de la caída de presión (160 %). En contraste, el caso número 2 con GVL logró un aumento del 34 % en el número de Nusselt con una caída de presión más moderada del 53 %, mostrando un balance más eficiente entre ambos parámetros. Se concluye que la incorporación de GVL en intercambiadores de calor compactos mejora significativamente la transferencia de calor con incrementos controlados en la caída de presión. También se concluye que el ordenamiento de los GVL varía los resultados obtenidos, obteniendo mejor rendimiento al alternar la orientación de estos a lo largo del intercambiador. Esto representa una alternativa eficiente y sostenible para optimizar sistemas de intercambio térmico, reduciendo el consumo energético y, por ende, su impacto ambiental. Como proyección futura, se sugiere investigar variaciones en la altura y ángulo de ataque de los GVL para continuar mejorando la eficiencia de estos sistemas.