Resumen

Los intercambiadores de calor están conformados por tubos con superficies extendidas, con el propósito de mejorar  la  transferencia  de  calor  entre  dos  medios,  que  pueden  ser  un  sólido  y  un  líquido  en  movimiento.  En  el presente trabajo se expone el diseño que se llevó a cabo de un tubo de superficie extendida con geometría fractal, correspondiente al copo de Koch y la curva de Cesaro, con la herramienta computacional CAD, para luego realizar el análisis por elementos finitos CAE y verificar el comportamiento térmico del tubo diseñado. Se logró obtener como resultado reducir el tiempo de transferencia de calor y aumentar el flujo de calor en el sistema del modo siguiente: para tubo liso, 250 W/m2; para superficie de Koch, 500 W/m2; para seis aletas, 1450 W/m2, y, finalmente, para curva de Cesaro, 3600 W/m2. Todo ello, permitió evidenciar los límites del diseño y las ventajas que pueden llegar a tener respecto a su implementación en maquinarias como condensadores, intercambiadores de calor y calderas.

I. INTRODUCCIÓN

El diseño de tubos con superficie extendida ha sido importante debido a la necesidad de enfriar dispositivos electrónicos y/o motores por convección libre ^[1,2,3], y manejar reacciones de oxidación basadas en la transferencia de calor en vehículos híbridos ^[4]. La investigación en esta área ha permitido evitar problemas de calentamiento, y los consiguientes fallos potenciales o problemas mecánicos ^[1]. Estas investigaciones se basan en el análisis de elementos finitos, para estudiar el comportamiento termo-mecánico, a través de simulaciones de variaciones térmicas continuas y de absorción de energía ^[5,6]. Asimismo, se han utilizado redes neuronales artificiales para observar los tiempos en procesos de convección en tubos lisos pero de pequeño diámetro ^[7].

El análisis de elementos finitos requiere conocer los materiales utilizados para la construcción de los tubos, como el grafito y el carbono utilizados para los nanotubos de diferentes diámetros ^[1,8], el latón ^[6] y sus aleaciones ^[9], la fibra plástica reforzada ^[5], que tiene buenas propiedades térmicas y resistencia mecánica, y las aleaciones de hierro con cromo ^[10]. Por lo tanto, las relaciones entre los materiales y el diseño de las piezas mecánicas han mejorado el rendimiento en los mecanismos industriales ^[4,11,12]; por ejemplo, se han creado nuevos diseños estructurales, como los tubos finos de origami, para mejorar la absorción de energía ^[6] y la transferencia de calor (por ejemplo, los tubos Vipertex) ^[13], y para optimizar las superficies extendidas que reducen los costes y mejoran el flujo de calor ^[9].

• Materias:Transferencia de energía Método de elementos finitos Diseño de máquinas Intercambio de calor
• Subjects:Energy transfer Finite element method Machinery design Heat transfer
• Palabras claves:Calderas, Curva de Cesaro, Elementos finitos, Diseño fractal, Transferencia de calor, Copo de nieve Koch, Tubos con superficie extendida
• Keywords:Boilers, Cesaro curve, Finite elements, Fractal design, Heat transfer, Koch Snowflake, Tubes with extended surface