Medida experimental y simulación numérica del flujo turbulento en intercambiadores de calor mejorados con discos rascadores

Abstract

Este trabajo presenta un estudio de visualización en intercambiadores de calor con elementos insertados dinámicos. Estos dispositivos son utilizados para la generación de hielo líquido. Mediante la técnica de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV) se obtiene el patrón de flujo turbulento en el intercambiador. El dispositivo insertado consta de varios elementos circulares con seis orificios distribuidos radialmente en los mismos, que están montados sobre un eje a una distancia de 5D entre ellos. El conjunto se mueve alternativamente mediante un cilindro hidráulico. En el estudio, se analizará el aumento de la turbulencia derivado del uso de esta técnica y se relacionará con el aumento de transferencia de calor. Mediante la técnica de PIV y agua como fluido de trabajo, se ha obtenido el campo bidimensional de velocidades en los dos planos de simetría: en el centro de los orificios y entre dos orificios consecutivos. Los resultados permiten establecer el patrón de flujo a lo largo del dispositivo. En condiciones estáticas, se han identificado las características de flujo, así como su evolución para un rango del número de Reynolds entre 4000 y 6300. En condiciones dinámicas se ha analizado el flujo para Re=7400, variando la velocidad de rascado en relación de 0,5 respecto a la velocidad media del fluido. Se han estudiado las características del flujo para una etapa del ciclo de rascado, revelando los efectos del movimiento de rascado en el comportamiento del fluido. Como parte final del trabajo, se ha realizado una simulación numérica del flujo utilizando el código comercial Ansys Fluent con diferentes dominios discretizados, condiciones de contorno y modelos de turbulencia. El objetivo de este estudio ha sido encontrar el modelo numérico que mejor se adapta a esta tipología de intercambiadores, por lo que se ha evaluado el comportamiento de estos modelos de turbulencia comparando las predicciones numéricas con los datos experimentales obtenidos en el laboratorio.