Optimization of Heat Transfer in a Finned Cylindrical Segment with Vortex Generators

Esta tesis de maestría se centra en la optimización térmica de un generador de un sistema de refrigeración por absorción agua-amoniaco, utilizando simulaciones numéricas para analizar el impacto de diferentes parámetros geométricos en la transferencia de calor. El trabajo se divide en dos partes principales: análisis geométrico y aplicación de generadores de vórtice. En la primera parte, se evalúan distintos arreglos geométricos, incluyendo modificaciones en el diseño de aletas, para determinar su influencia en el coeficiente de transferencia de calor y el número de Nusselt promedio. Se busca identificar configuraciones que permitan mejorar la mezcla del flujo y, por lo tanto, la transferencia de calor. En la segunda parte, se analiza la incorporación de generadores de vórtice (VG) como un método pasivo para aumentar la turbulencia del flujo y mejorar la transferencia de calor. Se evalúan diferentes tipos de VG y se comparan sus resultados con la geometría sin VG. El objetivo es encontrar un diseño que optimice la transferencia de calor mientras se minimizan las fuerzas de fricción y la caída de presión.

El documento explora conceptos esenciales relacionados con la transferencia de calor, la dinámica de fluidos y el funcionamiento de los generadores de vórtice. Se abordan temas como la capa límite, la transferencia de calor por convección forzada, el número de Nusselt, la resistencia térmica, los tipos de flujo (laminar y turbulento) y la influencia de la turbulencia en la transferencia de calor. Se incluyen diagramas y esquemas para ilustrar los conceptos clave y se proporciona una descripción detallada del sistema de refrigeración por absorción agua-amoniaco, incluyendo la función del generador dentro de este sistema. Se analiza la teoría detrás de los generadores de vórtice y su capacidad para generar vórtices que aumentan la turbulencia y la transferencia de calor. Se explican los principios de diseño y funcionamiento de los VG, así como sus ventajas e inconvenientes.

En esta sección, se describe en detalle el proceso de simulación utilizado para analizar el rendimiento térmico de las diferentes geometrías. Se utiliza el software ANSYS Fluent para llevar a cabo las simulaciones, y se define un conjunto de condiciones estándar para comparar los resultados de las diferentes configuraciones. Se describe la construcción y los parámetros geométricos del generador, incluyendo el diseño de las aletas y los VG. Se detallan los pasos del proceso de simulación, desde la creación de la geometría y la definición de la malla hasta la configuración de las condiciones de contorno y la resolución de las ecuaciones de conservación. Se describen las variables de entrada y salida de las simulaciones, como la velocidad del flujo, la temperatura, el coeficiente de transferencia de calor y la caída de presión. Se explica cómo se obtuvieron los resultados de las simulaciones y cómo se procesaron para obtener conclusiones relevantes.

Se presentan los resultados obtenidos de las simulaciones, incluyendo las variaciones en el coeficiente de transferencia de calor, el número de Nusselt y la caída de presión para diferentes geometrías. Se analizan los resultados de las variaciones geométricas del generador, como la longitud y el ángulo de las aletas, la distancia entre las aletas y la forma de las aletas. Se comparan los resultados de las diferentes configuraciones con la geometría base y se identifican las configuraciones que presentan la mayor mejora en la transferencia de calor. Se discuten las ventajas e inconvenientes de cada configuración, considerando el equilibrio entre la transferencia de calor y la caída de presión. Se analizan los resultados de las simulaciones con la incorporación de VG, incluyendo la ubicación, la forma y la orientación de los VG. Se comparan los resultados con la geometría sin VG y se observa un aumento significativo en la transferencia de calor, aunque también se produce una mayor caída de presión. Se discuten las implicaciones de estos resultados en términos de optimización del diseño del generador y la búsqueda de un equilibrio entre la transferencia de calor y la eficiencia energética.