Efecto de generadores de vórtices longitudinales en intercambiadores de calor de tubos planos y aletas en régimen turbulento

Abstract

Los intercambiadores de calor son equipos utilizados en una amplia variedad de aplicaciones, como por ejemplo: industrias, refrigeración y transporte. Dentro de las aplicaciones de transporte, son usados como radiadores de automóviles, los cuales requieren energía para bombear aire a través de ellos. Por lo tanto, es necesario encontrar mejoras al rendimiento de estos equipos con el fin de poder mejorar su eficiencia energética. Actualmente los radiadores de automóviles se diseñan como intercambiadores de calor de tubos planos y aletas con persianas.\\ Este trabajo tiene como objetivo estudiar posibles mejoras en la eficiencia radiadores de automóviles, mediante el uso de generadores de vórtices longitudinales (GVL) troquelados en las aletas del radiador. Para lograr este objetivo, es necesario realizar un análisis detallado del comportamiento térmico e hidráulico al interior del intercambiador de calor, y analizar el efecto sobre el rendimiento que tiene la adición de filas de 2 GVL. Este estudio se realiza en el software CFD Ansys Fluent.\\ El análisis de la estructura del flujo permite observar que cada GVL genera 2 vórtices longitudinales, que persisten a lo largo de gran parte del dominio del intercambiador de calor. Estos vórtices modifican la capa límite y permiten aumentar el mezclado de las porciones frías y calientes del fluido, aumentando la transferencia de calor por convección.\\ Se añadieron filas de GVL a las aletas del intercambiador según el comportamiento térmico logrado para cada configuración. Cada fila se añade en una posición tal que el efecto de la fila anterior en el aumento del flujo de calor disminuye. Así, este estudio permite optimizar el posicionamiento de los GVL con el fin de obtener una configuración competitiva en términos del factor JF.\\ En base a los resultados, la configuración con 5 filas de GVL troquelados desde la superficie de la aleta tiene el mejor rendimiento al usar GVL. Esta configuración obtiene un factor JF de 1,69 para un número de Reynolds de 2000.\\ Al comparar la configuración desarrollada en este estudio con una geometría de radiador de automóvil (intercambiador de calor con aletas con persianas) en un rango de $Re_{d_{h}}$ que va de 2000 a 8000, se concluye que el rendimiento de la configuración con 5 filas de GVL aumenta con respecto al uso de aletas con persianas para $Re_{d_{h}}$ mayores o iguales a 4000.