Estudio termodinámico en la variación de altura y configuración de generadores de vórtices longitudinales planos en la transferencia de calor al interior de tubos

Abstract

Han sido variados los estudios llevados a cabo con la intención de buscar formas de optimizar la transferencia de calor en tubos, habiendo, en su gran mayoría, estudios basados en el uso de generadores de vórtices (GVs), haciendo variar las geometrías de estos, las distancias entre pares de GVs, distancias entre juegos de GVs, entre otras. Para realizar la comparación de estos casos, se hace uso de los números de Nusselt, factor de fricción y factor de mejora térmica (TEF), siendo este último un coeficiente entre las otras dos magnitudes mencionadas.

Los estudios llevados a cabo a día de hoy llegan en su gran mayoría a conclusiones bastante positivas con respecto a mejoras en la eficiencia de estos, destacando en particular el buen rendimiento de los GVs de tipo delta-winglet con respecto a los demás. Aún así, en el presente trabajo se busca estudiar una aproximación distinta usando este mismo tipo de GV. Este estudio se lleva a cabo mediante simulación de fluidodinámica, utilizando un tubo de 1000 [mm] de largo y 50 [mm] de diámetro, en el que se realizan cuatro pruebas basadas en modificaciones a los GVs delta-winglet: prueba de altura, donde se variaron la altura de los GVs entre 2.5 [mm] y 7.5 [mm]; prueba de orientación, donde se buscó estudiar el efecto de orientar todos los GVs hacia un mismo lado en orientaciones derecha e izquierda; prueba de inclinación, donde se inclinaron los GVs con respecto a la normal del tubo y en el sentido del flujo entre los 0 y 45º; prueba de orificios en aletas, donde fueron propuestos cuatro modelos en los que se realizaron perforaciones de 5[mm] y 2.5 [mm] a los GVs.

Los resultados de la prueba de altura arrojaron que el mejor tamaño de estos GVs sería de 7.5 [mm]; la prueba de orientación mostró, por una parte, tener mejores resultados con respecto al modelo de validación, mientras que por otra parte arrojó resultados similares en sus orientaciones, aunque siendo estos levemente mejores en el caso de orientación izquierda para valores de Reynolds más bajos, mientras que para valores más alto fue lo contrario; la prueba de inclinación mostró que, para este caso en particular, la inclinación óptima de los GVs era de 0º; la prueba de orificios en las aletas arrojó que el modelo de 3 agujeros fue el que generó la menor caída de presión en el sistema, mientras que la mayor transferencia de calor se logró bajo el modelo de 2 agujeros mixtos, siendo también este último el que obtuvo un mayor TEF con respecto a los demás con 1.87 en su caso de orientación derecha y 1.88 en su caso de orientación izquierda, ambos para un número de Reynolds de 10000.