Simulaciones

OBJETIVO CFD

DOMINIO Y COND. DE CONTORNO

MALLADO

VALIDACIÓN EXPERIMENTAL

RESULTADOS

OPTIMIZACIÓN

OBJETIVO CFD

Para el diseño del sistema de pre-enfriamiento mediante generador de gotas por utrasonidos se emplean herramientas de simulación numérica CFD (Fluent ANSYS ). El modelo contempla las ecuaciones fundamentales que gobiernan los procesos de transferencia de calor y masa que en ellos tienen lugar. El modelo numérico sirve para plantear diferentes soluciones geométricas y realizar estudios parámétricos en funciones de las variables fundamentales del problema: velocidad del aire de entrada, flujo másico de agua, longitud húmeda, eficiencia y uniformidad del enfriamiento, etc.

SOFTWARE

Ansys Fluent | Fluid Simulation Software

MODELO: FASE CONTINUA

Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)

MODELO TURBULENCIA

standard k-ϵ

MODELO FASE DISCRETA

Lagrangiano

DOMINIO Y CONDICIONES DE CONTORNO

DOMINIO

El dominio de estudio para la simulación numérica es el referido al túnel del viento con las siguientes dimensiones: longitud 2.5 m, altura 0.712 m y anchura 0.492 m (L×h×b) En la zona izquierda se sitúan los atomizadores en forma matricial. A lo largo del túnel se localizan los sensores de temperatura, humedad relativa y velocidad.

CONDICIONES DE CONTORNO

Las condiciones de contorno quedan definidas por Velocity Inlet en la cara de entrada del aire, Walls para describir las paredes del túnel y Pressure Outle a la salida

MALLADO

En el análisis se consideraron seis mallas diferentes. Todas ellas fueron generadas con ANSYS MESHING. Se estudiaron las temperaturas predichas por el modelo en los planos de medición (5 puntos). El máximo error en la solución de malla empleada finalmente para estas magnitudes es 0,267%. Este pequeño valor muestra una dependencia insignificante de los resultados en el tamaño de la malla. La malla seleccionada no es estructurada y tiene 770317 celdas poliédricas. Esta será la misma para todos los cálculos. Se empleó el algoritmo SIMPLE para resolver el acoplamiento entre las ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento a través de la presión. Todos los cálculos se realizaron usando discretización proporcionando una precisión de segundo orden. El criterio de convergencia en cada caso fue |φ(i+1) – φ(i)|/ φ(i))<10^4, donde i denota el número de iteración y φ puede representar cualquiera de las variables dependientes.

VALIDACIÓN EXPERIMENTAL

VALIDACIÓN

Para validar el modelo se han realizado diversos ensayos experimentales, que se resumen en este apartado. Se realizaron un total de 12 ensayos, en los que se modificaron dos variables: el número y distribución de los atomizadores y la velocidad de entrada del aire. A modo de ejemplo, la configuración denominada como 5 x 5 se refiere a una distribución donde se encuentran activos los atomizadores ultrasónicos de 5 filas (los atomizadores de una columna funcionan de forma simultánea). El resto de configuraciones se eligen activando sólo 1 ó 3 de las filas respectivamente, siempre respetando que todos los atomizadores estén ubicados en un cuadrado de 0,35 x 0,35 m^2 en el centro de la sección de entrada. En esta sección se presenta la validación de 6 de los 12 casos. A modo de ejemplo, se ilustra una representación comparativa de las distribuciones de temperatura y humedad en la sección longitudinal.

ERRORES

Más allá de las desviaciones observadas en algunos casos entre los resultados simulados y los previstos, la realidad es que las predicciones son fiables ya que la mayor parte de la nube de puntos está dentro del 5%. Las desviaciones medias están en torno a ±1,2ºC y ±0,7 gv/kgah. Estos resultados corresponden a diferencias medias entre los resultados numéricos y experimentales del 4,6% y 5,7%, respectivamente. Por tanto, a la vista de estos resultados, el modelo puede considerarse validado, ya que, en todos los casos validados, los resultados están por debajo del 6% de media

RESULTADOS

Contornos de temperatura, contornos de humedad, y la evolución de las gotas de agua a lo largo del dominio para dos casos. Como se puede observar, dado que las inyecciones se distribuyen uniformemente en la sección de entrada, la evolución de los contornos de temperatura también es bastante uniforme en todo el dominio y la sección de salida del túnel, una vez evaporadas todas las gotas.

OPTIMIZACIÓN

EFICIENCIA EVAPORATIVA

La eficiencia evaporativa proporciona una representación general de los procesos de enfriamiento que tienen lugar en el dominio, ya que se refiere a la temperatura media. Sin embargo, esta magnitud no es capaz de representar ciertos efectos locales. Por ejemplo, podría haber áreas donde el aire se enfríe por debajo de la temperatura promedio establecida por la eficiencia evaporativa y otras donde esté por encima. Para tener en cuenta la uniformidad de los contornos de temperaturas en diferentes secciones transversales del túnel, se definió la variable A_T^x, que representa la porción del área transversal total del túnel donde la temperatura es menor que esa temperatura específica (T) a una distancia de la entrada específica (x). Por ejemplo, A_25ºC^L = 1 significa que toda el área en la salida del dominio (x=L) está por debajo de los 25ºC.

En ese sentido, la Figura muestra la variación de A_T^L en función de la temperatura del aire para un caso representativo con el sistema de atomizadores de ultrasónicos y otro de condiciones similares con el nebulizador ultrasónico definido en Ruiz et al. (2020). Con el propósito de describir los resultados relacionados con esta magnitud, se ha adoptado la siguiente nomenclatura. Una curva de forma cóncava se define cada vez que A_T^L cae drásticamente para temperaturas del aire relativamente altas, ~25ºC (obsérvese que T_∞ = 25ºC). Esto significa que el área enfriada se concentra en una pequeña porción del área transversal total. Como se puede observar, el sistema de atomizadores ultrasónicos permite una mayor versatilidad, ya que se puede distribuir uniformemente en la sección de entrada y esto se refleja en un penacho más uniforme. Por tanto, este sistema proporciona una mejora tangible en comparación con el nebulizador ultrasónico ya que la inyección de agua se concentró en un solo punto, proporcionando un penacho mucho más pequeño y uniforme que dificulta mucho el proceso de evaporación y aumenta la vida útil de las gotas.

LONGITUD HÚMEDA

El último indicador discutido en esta sección es la longitud húmeda, L_w. La longitud húmeda es la distancia desde la sección de inyección de gotas hasta que las gotas de agua se evaporan por completo. Este fenómeno puede causar corrosión y ensuciamiento en los haces de tubos del intercambiador de calor del condensador si la corriente de aire transporta gotas de agua que no se han evaporado completamente.

La longitud húmeda (o su forma adimensional, L_w/L) es mayor que la unidad (existen gotas sin evaporar en la sección de salida del túnel) para la mayoría de los casos simulados a medida que aumenta la ratio de flujos agua-aire. Sólo para aquellos casos donde la ratio de flujos agua-aire es pequeña, su valor es inferior a la unidad. Estos resultados se muestran en la Figura. El comportamiento descrito anteriormente es lógico, ya que aumentar la ratio de flujos agua-aire para una misma velocidad media en el túnel implica que el gasto másico de agua aumenta. Por otro lado, como era de esperar, valores bajos de humedad reducen la longitud húmeda, ya que la fuerza motriz para la evaporación es mayor. Esto también sucede para temperaturas más altas, pero en menor medida.

OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO SOLAR ACCIONADO MEDIANTE
ENERGÍA FOTOVOLTAICA CON PRE-ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO DEL AIRE DE ENTRADA AL
CONDENSADOR USANDO TÉCNICAS DE ULTRASONIDOS