Estudio numérico de la transferencia de calor en un canal plano mediante generadores de vórtices longitudinales tipo delta de Winglet perforados: variación de parámetros y correlaciones en Ansys Fluent

Abstract

Los intercambiadores de calor son dispositivos muy utilizados hoy en día. Su presencia puede estar en aplicaciones sencillas, como por ejemplo el sistema de aire acondicionado en un hogar, así como en entornos más complejos e industriales como por ejemplo en el sistema de recuperación de calor residual en una central térmica. Es por lo mismo que la búsqueda de mejorar el rendimiento de estos equipos es de suma importancia.

Actualmente existen una infinidad de estudios sobre los generadores de vórtices (GV), esto en particular por la facilidad de implementar en un sistema y, también, por la gran mejora en cuanto a eficiencia térmica que generan. Este trabajo se va a encargar de contribuir al conocimiento sobre intercambiadores de calor con generadores de vórtices longitudinales.

En el siguiente trabajo se va a estudiar el impacto que tiene a nivel de transferencia de calor y pérdidas de carga, los cambios geométricos y de disposición de GV en un intercambiador de calor de placas planas. Para esto se van a realizar cuarenta simulaciones, donde se cambiarán parámetros como; la altura, distancia entre ellos, separación de las filas y número de GV. Con esto se obtendrán valores para el número de Nusselt, factor de fricción y, por último, el factor de mejora térmica.

El modelo computacional utilizado incluye la realización de casos de validación, tanto para el canal plano como para un estudio experimental con GV tipo Delta de Winglet no perforados. Se obtienen valores de error de alrededor del 7 % para el canal plano y del 13 % para el experimental. Además de esto, se realiza un estudio de independencia de mallas obteniendo como resultado una malla de 2,9 millones de elementos la cuál cumple con los criterios de calidad adecuados.

Este trabajo se realiza en el programa Ansys Fluent y se limita a realizar las simulaciones con un número de Reynolds fijo de Re = 5000.

Los resultados obtenidos demuestran que en la totalidad de los cuarenta casos simulados ocurre una mejora en el desempeño térmico con respecto al canal sin generadores de vórtices. Se logran obtener incrementos de eficiencia del 17,2 % en el caso de utilizar generadores de vórtice tipo Delta Winglet perforados con una altura de 7 [mm]. Se logra demostrar también la importancia de diseñar un sistema de intercambiador donde el factor de fricción sea lo suficientemente pequeño para no opacar un posible aumento en la transferencia de calor.