Análisis de transferencia térmica de tubos con superficies extendidas con diseño fractal

Thermal transfer analysis of tubes with extended surface with fractal design

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].