Estudio de la geometría de generadores de vórtices longitudinales en intercambiadores de calor de doble tubo.

Abstract

El estudio de los intercambiadores de calor es esencial en numerosas aplicaciones indus- triales y domésticas, desde la calefacción y refrigeración hasta la generación de energía. Con el objetivo de mejorar la eficiencia térmica, en este trabajo se analizó el uso de generadores de vórtices longitudinales (GVL) en un intercambiador de calor de doble tubo, evaluando distintas configuraciones geométricas, disposición de filas y altura, en términos de transfe- rencia de calor y resistencia al flujo.

Se realizaron simulaciones numéricas en ANSYS Fluent para estudiar el comportamien- to térmico y del flujo. Se evaluaron parámetros como la tasa de transferencia de calor, el coeficiente global de transferencia de calor, el factor de mejora térmica (TEF), la potencia de bombeo y el factor de fricción. Además, se extrajeron contornos de temperatura, presión, vorticidad y flujo de calor en distintos planos y posiciones a lo largo del intercambiador para un análisis detallado.

Los resultados mostraron que la incorporación de los generadores mejora la transferencia de calor en comparación con el caso base sin generadores. En particular, la geometría trape- zoidal presentó los valores más altos de TEF, lo que indica que es la más eficiente en términos de disipación térmica. En los casos 1, 2 y 3 se observaron los mejores desempeños, destacando el caso 3 por una leve mejora respecto al caso 1, atribuida a la optimización en la disposición de los generadores en filas. Por otro lado, la disposición helicoidal mostró menores valores de TEF, sugiriendo que, aunque estabiliza el flujo y la distribución de vorticidad, no siempre se traduce en una mayor transferencia de calor. A partir del caso 5, correspondiente a esta geometría, se evidenció una disminución progresiva del TEF, siendo el caso 8 el de menor valor, lo que demuestra que un mayor número de vueltas y altura incrementan la resistencia al flujo más que la eficiencia térmica.

Se observó que aumentar la altura de los generadores incrementa la resistencia al flujo y la potencia de bombeo, lo que sugiere la necesidad de un compromiso entre la mejora térmica y el costo energético. Finalmente, se encontró que modificar la disposición de las filas en la geometría trapezoidal puede optimizar el desempeño térmico sin incrementar significativa- mente la resistencia al flujo.

Estos resultados proporcionan información relevante para el diseño y optimización de intercambiadores de calor, estableciendo una base para la selección de configuraciones de generadores de vórtices según los requerimientos de eficiencia térmica y consumo energético del sistema.