Estudio mediante CFD de la transferencia de calor y pérdida de carga de un nanofluido como fluido de trabajo en un microcanal tridimensional con generadores de vórtices

Abstract

El desarrollo de la nanotecnología, con componentes eléctricos de alta potencia y reducido tamaño han originado nuevas exigencias en cuanto a refrigeración, donde se requieren sistemas de enfriamiento eficientes y eficaces parea absorber calor en pequeñas superficies. Esto motiva el estudio de la transferencia de calor y pérdida de carga en microcanales con generadores de vórtices y utilizando nanofluidos como fluido de trabajo, dos mecanismos que buscan aumentar la eficiencia en el intercambio de calor. El objetivo en este trabajo de título es estudiar numéricamente mediante CFD la transferencia de calor y pérdida de carga de un nanofluido en un microcanal tridimensional con generadores de vórtices. Comparando el desempeño del nanofluido con respecto al agua como fluido de trabajo y el efecto del tipo y la distancia entre generadores de vórtices sobre la transferencia de calor y pérdida de carga. Lo anterior, considerando las dimensiones y condiciones de operación acorde a disipadores comerciales. Se estudia un nanofluido compuesto de nanopartículas de alúmina con concentración volumétrica del 2$\%$. Para realizar este estudio, se diseña un modelo computacional de validación, con el cual se prueba la independencia de la malla y de validan los modelos de ambos fluidos. Luego, se diseñan los casos de estudio con y sin generadores de vórtices. Posteriormente, se realizan las simulaciones correspondientes en ANSYS Fluent. Finalmente, se analizan los resultados y se concluye. De los resultados obtenidos, se encuentra que, en promedio, el nanofluido aumenta en un $13\%$ el número de Nusselt, en un $37,5\%$ la pérdida de carga y, en definitiva, presenta un rendimiento de 1,13 con respecto al agua. Por otro lado, el rendimiento máximo con respecto al caso base se obtiene utilizando generadores de vórtices longitudinales (LVG) y es igual a 1,71. También, todos los casos estudiados con LVG presentan mayor rendimiento que el caso con generadores de vórtices transversales (TVG). Se analiza el campo vectorial de velocidad y el campo escalar de temperatura, caracterizando los vórtices generados y observando los mecanismos por el que los vórtices mejoran la transferencia de calor. Se encuentra directa relación entre zonas de mayor velocidad y recirculación de fluido con mayor y eficiente transferencia de calor y zonas de baja velocidad y mezcla que producen puntos de alta temperatura en la pared enfriada. Finalmente, se concluye que bajo las condiciones estudiadas, el uso de LVG produce el mismo aumento en la transferencia de calor que con TVG, pero a un costo de pérdida de carga notablemente menor. También, que el nanofluido produce prácticamente el mismo aumento de rendimiento independiente del caso de estudio.