Estudio paramétrico de generadores de vórtices aplicados en un intercambiador de calor de aletas y tubos

Abstract

Se pretende que los intercambiadores de calor sean lo más eficientes, baratos, ligeros y pequeños posible. Por este motivo, la adición de dispositivos de control de flujo para la mejora del calor intercambiado en los intercambiadores de calor se ha vuelto un tema de investigación muy popular. En este trabajo, se ha estudiado la influencia que tiene la implementación de Generadores de Vórtices (GVs) en un intercambiador de calor de aletas y tubos. Con este objetivo, se han lanzado múltiples simulaciones mediante herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, Computational Fluid Dynamics), considerando diferentes números de Reynolds (Re) y ángulos de ataque (α) de los GVs, con el fin de analizar el comportamiento térmico e hidráulico del intercambiador de calor bajo diferentes condiciones. Adicionalmente, se han analizado los vórtices generados y los campos de presión, velocidad y temperatura; con el objetivo de obtener una mejor comprensión del comportamiento del flujo dentro del intercambiador de calor. Los resultados muestran que la implementación de GVs, en comparación con el caso base sin GVs, mejora el rendimiento térmico en todos los casos estudiados, pero también empeora el rendimiento hidráulico. Considerando tanto el rendimiento hidráulico como el térmico, los resultados muestran que los mejores rendimientos globales se obtienen con los ángulos de ataque más bajos.

Bero-trukagailuak ahalik eta bezain efiziente, merke, arin eta txiki izatea saiatzen da. Hori dela eta, fluxu kontrol-gailuen eranstea bero-trukagailuetan bero trukaketa hobetzeko ikerketa gai hedatu bat bilakatu da. Lan honetan, Bortize Sortzaileen eransketa hegal eta tutuko bero-trukagailu batean duen eragina aztertu da. Helburu honekin, hainbat simulazio desberdin burutu dira Fluidoen Dinamika Konputazionaleko (CFD, Computational Fluid Dynamics) erremintak erabiliz, Reynolds zenbaki (Re) eta Bortize Sortzaileen atake-angelu (α) desberdinak kontsideratuz, bero-trukagailuaren errendimendu termikoa eta hidraulikoa lan baldintza desberdinetan aztertzeko helburuarekin. Gainera, sortutako bortizeak eta presio-, abiadura- eta tenperatura-eremuak aztertu dira; fluxuak bero-trukagailuaren barruan duen portaera hobeto ezagutzeko. Emaitzek erakusten dute Bortize Sortzaileen inplementazioak, Bortize Sortzaile gabeko kasuarekin konparatuz, errendimendu termikoa hobetzen duela aztertutako kasu guztietan, baina errendimendu hidraulikoa okerragotzen du. Errendimendu termikoa eta hidraulikoa kontsideratuz, emaitzek erakusten dute errendimendu orokor hoberenak eraso-angelu txikienekin lortzen direla.

Heat exchangers are intended to be as efficient, inexpensive, lightweight and small as possible. For this reason, the addition of flow control devices to increase the exchanged heat in heat exchangers has become a popular research topic. In this work, the influence of the implementation of vane-type Vortex Generators (VGs) in a fin-and-tube heat exchanger is investigated. For this purpose, several simulations by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) tools are performed, considering different Reynolds numbers (Re) and angles of attack (α) of the VGs, in order to evaluate the hydraulic and thermal performance of the heat exchanger under different conditions. In addition, the generated vortexes and the pressure, velocity and temperature fields are analyzed; in order to achieve a better understanding of the flow behavior inside the heat exchanger. The results show that the implementation of VGs, in comparison with the baseline case without VGs, improves thermal performance in all the studied cases, but it also reduces hydraulic performance. Considering both hydraulic and thermal performance, the results show that the greatest performance improvements are obtained with the lowest angles of attack.