Índice de figuras - IIT - Universidad Pontificia Comillas

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
DISEÑO TÉRMICO AVANZADO DE UN
TÚNEL DE ENSAYOS AERODINÁMICOS
Autor: Ángel Pantoja Rojas
Director: Isaac Prada y Nogueira
Madrid
Mayo 2012
DISEÑO TÉRMICO AVANZADO DE UN TÚNEL DE ENSAYOS AERODINÁMICOS
Ángel
Pantoja
Rojas
A mis padres
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Agradecimientos
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El autor desea expresar su agradecimiento a Isaac Prada y Nogueira y José María
Cancer Abóitiz por la oportunidad de trabajar y aprender de ellos, por sus consejos,
esfuerzo y espíritu de superación; a todos los miembros de KeelWilt Technology &
Beyond S.L.: Pablo, Nuria, Ignacio R., Alberto, Ramón, Joaquín y en especial a Ignacio
V. por su capacidad de trabajo en equipo.
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RESUMEN
Resumen
1
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RESUMEN
El uso de túneles de viento ha ido proliferando al mismo ritmo que la
aeronáutica y otras disciplinas relacionadas con la ingeniería lo han hecho a lo largo del
s. XX. Este tipo instalaciones se emplean para estudiar el movimiento de un fluido en
torno a un cuerpo sólido. El aire es soplado o aspirado por medio de unos potentes
ventiladores con el fin de emular situaciones reales a las que se podrían enfrentar
distintos dispositivos aerodinámicos que son ensayados en estas instalaciones además
de reducir costes en el desarrollo de ensayos.
Sólo determinadas entidades como universidades, compañías automovilísticas y
aeronáuticas; así como corporaciones de defensa pueden permitirse disponer de estas
instalaciones pues requieren un elevado coste de instalación y mantenimiento.
El flujo de aire que circula por el interior del conducto genera una potencia
térmica por fricción que calienta considerablemente el aire (en nuestro caso del orden de
1-2ºC/minuto). A esa potencia hay que añadirle la generada por pérdidas en los
ventiladores. El incremento de la temperatura en el interior debido a los fenómenos
antes citados, si no se implementa una solución, altera las condiciones del ensayo y
puede que lo hagan inaceptable.
Las empresas que cuentan con estas instalaciones emplean distintos sistemas de
refrigeración por lo que la primera fase del proyecto consiste en un estudio del arte
detallado de los dispositivos empleados en la actualidad para túneles de viento; así
como un estudio riguroso de artículos científicos publicados hasta la fecha. Para este
estudio se emplean distintos motores de búsqueda de patentes y bibliotecas
especializadas. Una vez estudiada la literatura existente se procede a la identificación de
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RESUMEN
las diferentes áreas de investigación que son de interés y de las tecnologías de
refrigeración y diseños propuestos.
Este proyecto tiene por objetivo principal cuantificar la cantidad de potencia
térmica que debe evacuarse para la correcta operación de un túnel cerrado analizando
los diferentes tramos del conducto, i.e. tobera, difusores, cámaras de ensayos/vuelo, etc.
Una vez determinado el estudio térmico se analizan algunas de las propuestas de
refrigeración. Estos sistemas comprenden sistemas tanto convencionales como
innovadores.
Debido a la falta de tiempo sólo algunas de las propuestas son analizadas en este
proyecto. Con el fin de simular de manera eficiente y comparar tantas alternativas como
sea posible se precisa de una herramienta alternativa al estudio por elementos finitos.
Se ha desarrollado una interfaz entre Excel-Matlab-Simulink y se ha validado
con ANSYS-CFD para que las diferentes soluciones puedan ser modeladas y analizadas
de forma rápida, después las mejores soluciones podrán entonces ser simuladas con más
detalle en ANSYS-CFD. La diferencia de resultados entre la interfaz y ANSYS-CFD es
del orden de entre el 10 y el 20%, diferencia considerada más que suficiente para
comparar y seleccionar la mejor solución posible de los sistemas de refrigeración.
Una vez contrastados ambos resultados (los de la interfaz y los de ANSYS) se
procede a simular las propuestas de refrigeración (aquellas que se consideren más
potentes en esta etapa) para finalmente determinar si por separado estas tecnologías
solucionarían el problema o si por el contrario, una combinación de las mismas es la
solución óptima.
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RESUMEN
El presente proyecto se ha desarrollado de forma que sirva de base para el
estudio detallado de las propuestas de refrigeración que no se han simulado debido a la
falta de tiempo; así como para la futura investigación en sistemas de refrigeración para
este tipo de instalaciones.
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ABSTRACT
Abstract
1
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ABSTRACT
The use of wind tunnels has been proliferating at the same rate as aerospace, and
other engineering related disciplines throughout the 20th century. Such installations are
used for studying the movement of a fluid around a solid body. Air is blown or sucked
by powerful fans in order to emulate real life situations which may be faced by different
aerodynamic devices that are tested in these facilities also reducing costs in the
development of the tests.
Only certain institutions such as universities, automobile companies, and
aeronautics companies such as defence corporations can afford having these facilities
due to their high cost of installation and maintenance.
The air that flows within the duct generates frictional thermal heat energy that
heats the air up considerably (for our case in the order of 1-2°C/minute). Within that
same frictional thermal heat energy generated, the losses generated by the duct fans also
need to be taken into consideration. The increase of the temperature within the interior
of the tunnel is due to the phenomena mentioned above and this increase in temperature,
if no solution is implemented, alters the test conditions and may make them
unacceptable. Therefore efficient cooling systems must be introduced.
The companies that have these facilities use different cooling systems that will
be explained in the first part of this project consisting of the detailed study of the State
of the Art within the wind tunnels; as well as a rigorous review of related scientific
articles published to date. For this study, different patent search engines and specialized
libraries were used for research. Once the research has been carried out, the different
areas of research interest are presented and several cooling technologies and designs
proposed
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ABSTRACT
The objective of this project is to calculate the amount of thermal heat energy
needed to be released in the correct operation within a closed tunnel analyzing the
different sections of the duct such as the nozzle, diffuser, flight chamber, etc. Once the
thermal heat energy has been determined, a number of cooling systems will be proposed
and analyzed. These systems will comprise both conventional and innovative systems.
Due to time constraints, not all the proposed solutions have been analyzed in
this Project. In order to efficiently simulate and compare as many alternatives as
possible, an alternative tool to Finite Element Method software was needed.
An Excel-Matlab-Simulink interface was developed and validated with ANSYSCFD so that the different cooling solutions can be easily and rapidly modeled and
analyzed and then the best solutions can be simulated in more detail in ANSYS-CFD.
The difference in results for this first version of the interface, with respect to ANSYSCFD, is in the order of 10-20%, which is considered more than sufficient to compare
and select the best possible cooling systems.
Once both results are compared (interface v. ANSYS-CFD), a selection of the
proposed cooling systems (those considered to have more potential at this stage) will be
simulated to finally determine whether these technologies would separately solve the
problem or if on the contrary, a combination of both would be the optimal solution.
This project has been developed in such a way as to serve as a base for the future
study of detailed cooling proposals that have not been simulated due to time constraints.
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ABSTRACT
This can allow for future advanced research in cooling systems for these types of
facilities.
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ÍNDICE DE LA MEMORIA
Índice de la memoria
Memoria
1
Capítulo 1
Introducción.................................................................................... 3
1.1
Descripción y tipos de túneles de viento................................................................... 3
1.2
Estudio de los trabajos existentes / tecnologías existentes ...................................... 7
1.3
Motivación del proyecto ............................................................................................ 9
1.4
Objetivos ................................................................................................................... 10
1.5
Metodología / Solución desarrollada ...................................................................... 11
1.6
Recursos / herramientas empleadas ....................................................................... 12
Capítulo 2
Tecnologías de refrigeración propuestas ..................................... 15
2.1
Introducción teórica ................................................................................................ 15
2.2
Camisa de agua ........................................................................................................ 17
2.3
Geotermia ................................................................................................................. 18
2.4
Cubierta vegetal ....................................................................................................... 19
2.5
Lago ........................................................................................................................... 20
2.6
Pulverizador de agua ............................................................................................... 21
2.7
Redireccionadores de flujo ...................................................................................... 22
2.8
Intercambio pasivo de aire ...................................................................................... 23
2.9
Intercambiador de calor .......................................................................................... 24
Capítulo 3
Descripción del modelo de desarrollo .......................................... 25
3.1
Objetivos y especificación ....................................................................................... 25
3.2
Modelado unidimensional/Analogía eléctrica ....................................................... 26
I
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ÍNDICE DE LA MEMORIA
3.3
Circuitos eléctricos de las distintas propuestas ..................................................... 29
3.3.1 Túnel sin refrigeración ............................................................................................................. 29
3.3.2 Camisa de agua ........................................................................................................................ 30
3.3.3 Geotermia................................................................................................................................. 30
3.3.4 Cubierta vegetal ....................................................................................................................... 31
3.3.5 Lago ......................................................................................................................................... 32
3.3.6 Pulverizador de agua ................................................................................................................ 33
3.3.7 Redireccionadores de flujo....................................................................................................... 34
3.3.8 Intercambio pasivo de aire ....................................................................................................... 35
3.4
Hojas de cálculo ....................................................................................................... 35
3.4.1 Geometría del conducto ........................................................................................................... 38
3.4.2 Cálculos y consideraciones ...................................................................................................... 41
3.5
Interfaz Excel-Matlab-Simulink ............................................................................. 41
3.6
Ansys CFD (computer fluid dynamics) .................................................................. 44
Capítulo 4
4.1
Análisis de resultados ................................................................... 47
Simulaciones ............................................................................................................. 47
4.1.1 Difusor ..................................................................................................................................... 48
4.1.2 Tobera ...................................................................................................................................... 52
4.1.3 Túnel completo ........................................................................................................................ 56
4.2
Análisis de sensibilidad............................................................................................ 60
4.2.1 Condiciones desfavorables ....................................................................................................... 61
4.2.2 Intercambio pasivo de aire ....................................................................................................... 63
4.2.3 Intercambiador de calor ........................................................................................................... 66
Capítulo 5
Futuros desarrollos y conclusiones ............................................. 71
5.1
Conclusiones sobre la metodología ......................................................................... 71
5.2
Conclusiones sobre los resultados........................................................................... 72
5.3
Futuros estudios ....................................................................................................... 73
Bibliografía 74
II
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ÍNDICE DE FIGURAS
Índice de figuras
Figura 1. Líneas de corriente [Porsche GT2 www.boxgp.com] ....................................... 4
Figura 2. Túnel horizontal ................................................................................................ 5
Figura 3. Elementos principales de un
túnel de viento y tipos constructivos más
importantes [Prada y Nogueira, Isaac. El túnel de viento como herramienta de ensayo
aerodinámico en la Fórmula 1, 2006]. .............................................................................. 6
Figura 4. Túnel vertical, ensayo de paracaidistas [www.indoor-skydiving.com. 2012] .. 7
Figura 5.Desarrollo de la capa límite térmica [P. Incropera, Frank/ P. De Witt, David 16
Figura 6. Camisa de agua ............................................................................................... 17
Figura 7. Evolución de las temperaturas a lo largo del año [Guía Técnica de Bombas
de Calor Geotérmicas. Consejería de Economía y Hacienda, Comunidad de Madrid,
2009] ............................................................................................................................... 18
Figura 8. Cubierta vegetal CaixaForum, Madrid [www.aryse.org, 2012]...................... 20
Figura 9. Paddock, circuito internacional de Shanghai [www.crash.net]....................... 21
Figura 10. Redireccionadores de flujo. ........................................................................... 22
Figura 11. Intercambio de flujo con el exterior en una de las esquinas del túnel........... 23
Figura 12. Analogía eléctrica/Representación de cuerpos sólidos o fluidos. ................. 28
Figura 13. Túnel sin refrigeración .................................................................................. 29
Figura 14. Camisa de agua ............................................................................................. 30
Figura 15. Geotermia ...................................................................................................... 31
Figura 16. Cubierta vegetal ............................................................................................ 32
Figura 17.Lago ............................................................................................................... 32
Figura 18.Pulverizadores de agua ................................................................................... 33
III
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 19. Redireccionadores de flujo ............................................................................ 34
Figura 20. Intercambio pasivo de aire ............................................................................ 35
Figura 21. Ejemplo de hoja Excel 1 (tobera). ................................................................. 36
Figura 22. Ejemplo de hoja Excel 2. .............................................................................. 36
Figura 23. Ejemplo hoja Excel 3 (tobera)....................................................................... 37
Figura 24. Ejemplo de hoja Excel 4 (tobera). ................................................................. 37
Figura 25. Tramos del túnel............................................................................................ 39
Figura 26. Rebanada ....................................................................................................... 40
Figura 27. Interfaz Excel-Matlab ................................................................................... 42
Figura 28. Rebanadas en difusor .................................................................................... 43
Figura 29. Incremento de la temperatura en el aire en función del tiempo. Difusor ...... 48
Figura 30. Incremento de la temperatura en el conducto de acero. Difusor ................... 49
Figura 31. Primer difusor, CATIA V5 ........................................................................... 50
Figura 32. Variación de la temperatura en el primer difusor, ANSYS Fluent ............... 51
Figura 33. Incremento de la temperatura en el aire en función del tiempo. Tobera ...... 53
Figura 34. Incremento de la temperatura en el conducto de acero. Tobera .................... 53
Figura 35. Tobera. CATIA V5 ....................................................................................... 54
Figura 36. Variación de la temperatura en la tobera. ANSYS Fluent ............................ 55
Figura 37. Incremento de la temperatura del aire. Túnel................................................ 56
Figura 38. Incremento de la temperatura del acero. Túnel ............................................. 57
Figura 39. Túnel. CATIA V5 ......................................................................................... 58
Figura 40. Variación de la temperatura en el túnel. ANSYS Fluent .............................. 59
Figura 41. Incremento de la temperatura del aire. Desfavorable.................................... 62
Figura 42. Incremento de la temperatura del acero. Desfavorable¡Error! Marcador no
definido.
Figura 43. Intercambio pasivo de aire. Aire interior ...................................................... 64
Figura 44. Intercambio pasivo de aire. Acero ................ ¡Error! Marcador no definido.
Figura 45. Intercambio pasivo de aire. Aire interior ...................................................... 65
IV
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 46. Intercambio pasivo de aire. Acero ................ ¡Error! Marcador no definido.
Figura 47. Glenn L. Martin wind tunnel, University of Maryland [www.eng.umd.edu,
2012] ............................................................................................................................... 66
Figura 48. Intercambiadores de calor, flujo cruzado [Apuntes de transferencia de calor,
Universidad Pontificia Comillas, Madrid 2008]............................................................. 67
Figura 49. Intercambiador en contracorriente [Apuntes de transferencia de calor,
Universidad Pontificia Comillas, Madrid 2008]............. ¡Error! Marcador no definido.
V
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Memoria
MEMORIA
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Introducción
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Introducción
Capítulo 1 INTRODUCCIÓN
1.1 DESCRIPCIÓN Y TIPOS DE TÚNELES DE VIENTO
Descripción.
Un túnel de ensayos aerodinámicos es una herramienta de estudio para investigar
principalmente los efectos de un fluido sobre un cuerpo sólido. Con él se simulan las
condiciones que experimentarían los sólidos en situaciones reales cuando se mueven
dentro de dicho fluido. Existen otros métodos para el ensayo como las pruebas en el
exterior y métodos computacionales, pero el uso del túnel está justificado ya que con el
ensayo en el exterior se introducen problemas de repetitividad en las condiciones
ambientales pues no son las mismas una y otra vez, además del requisito de un prototipo
a escala real, y el uso de herramientas computacionales es reciente y requiere gran
experiencia del personal para interpretar los resultados debido a la complejidad de las
ecuaciones de mecánica de fluidos y a los recursos computacionales necesarios.
El modelo sólido a ensayar (que puede ser desde aeronaves, submarinos,
paracaídas, proyectiles, automóviles… hasta puentes, edificios u otras construcciones
civiles) permanece estático a la vez que se impulsa sobre él una corriente de aire
simulando la condición real deseada, lo que nos permite estudiar el movimiento relativo
entre el objeto y el aire. La información básica que se pretende obtener de estos ensayos
aerodinámicos es: el valor de los coeficientes de lift y drag (coeficiente de sustentación
y de resistencia al avance respectivamente); distribución de presiones y velocidades
sobre la superficie del modelo y la visualización del flujo a lo largo del cuerpo ensayado
para detectar por ejemplo el desprendimiento de la capa límite.
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Introducción
Figura 1. Líneas de corriente [Porsche GT2 www.boxgp.com]
Uno de los principales problemas del túnel de viento es su coste, por ello
también se emplean túneles que no ensayan objetos a tamaño real, sino reducidos, y así
hacer un análisis dimensional para determinar los resultados en el modelo real a partir
de los resultados con el modelo a escala. Fue Osborne Reynolds (1842-1912) quien
demostró que el patrón de flujo sobre un modelo a escala es el mismo para el prototipo a
escala real si ciertos parámetros del flujo coinciden en ambos casos.
Otro gran reto de los túneles de viento es el elevado consumo energético que
requieren, debido al consumo de los ventiladores que mueven el aire y debido a los
sistemas de refrigeración del flujo, que se calienta por fricción con las paredes de los
conductos.
Este proyecto se centra en la gestión térmica avanzada de túneles de viento
modernos para reducir el consumo energético de estas instalaciones y alcanzar una
eficiencia energética óptima.
-4-
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Introducción
Figura 2. Túnel horizontal
Tipos de túneles.
Existen distintos tipos dependiendo del tipo de flujo (subsónico o supersónico,
soplado o aspirado) y de su construcción (abiertos o cerrados, verticales u horizontales),
atendiendo de las necesidades de los usuarios.
Dependiendo de la disposición de los ventiladores el flujo será soplado o
aspirado (de impulsión o de succión), en función de si la cámara de ensayos se
encuentra más próxima a la zona de impulsión o a la zona de succión del sistema de
ventiladores.
La diferencia entre los túneles cerrados y abiertos es que los cerrados conectan la
salida con la entrada mediante una serie de conductos de retorno (el aire que circula es
siempre el mismo) y se controlan mejor las propiedades del aire (temperatura y presión)
además de tener menos pérdidas, pues es más eficiente mantener el movimiento del
flujo que acelerarlo hasta la velocidad deseada tomándolo del exterior, como se hace en
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Introducción
los túneles abiertos. Pero todas estas ventajas del túnel cerrado frente al abierto tienen el
inconveniente de encarecer el coste de la instalación.
Dentro de los túneles cerrados se puede optar por una sección de pruebas abierta
o cerrada. Esta elección dependerá del tamaño del modelo a ensayar; en la cámara
abierta se podrán ensayar modelos más grandes que en las cerradas con la ventaja de
que no existirá influencia de las paredes y con el inconveniente de generar más pérdidas
de carga además de la pérdida de control sobre el flujo debido al nivel de turbulencia.
Figura 3. Elementos principales de un túnel de viento y tipos constructivos más importantes. El túnel de
viento como herramienta de ensayo aerodinámico en la Fórmula 1 [PRAD, 2006].
Los túneles verticales se emplean para simular la caída libre de paracaidistas, por
lo que es importante que los objetos, en este caso paracaidistas, puedan moverse
libremente por la cámara de vuelo. En el caso de túneles horizontales los objetos están
estáticos. De ahí que en un túnel vertical a la zona de ensayos se le denomine cámara de
vuelo y en los horizontales, sección de pruebas.
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Figura 4. Túnel vertical, ensayo de paracaidistas [www.indoor-skydiving.com. 2012]
El presente escrito tratará sobre un túnel vertical para la simulación de caída
libre, de su análisis térmico y de las posibles tecnologías a emplear para mejorar la
eficiencia energética del sistema de climatización del aire que circula por el interior del
conducto.
1.2 ESTUDIO DE LOS TRABAJOS EXISTENTES / TECNOLOGÍAS
EXISTENTES
El aire que fluye por el interior del túnel genera una considerable cantidad de
calor por fricción con las paredes de los conductos. En un circuito cerrado
prácticamente toda la energía del ventilador se transforma en calor. Este calor debe ser
evacuado, de lo contrario en un corto periodo de tiempo el aire alcanzará temperaturas
elevadas que hagan inútil la simulación por falta de semejanza con la realidad.
Actualmente entidades automovilísticas, corporaciones de defensa y universidades
emplean los siguientes dispositivos de refrigeración del aire interior, o alguno de ellos:
-7-
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Introducción
•
Sistema de intercambio pasivo de aire (expulsión de aire caliente y renovación
con aire del ambiente).
•
Intercambiadores de calor en el interior (similares en arquitectura al radiador de
agua de un vehículo).
•
Refrigeración por el interior de los canalizadores (redireccionadores de flujo)
que hacen que el flujo de aire gire en las esquinas del túnel.
•
Sistemas análogos a los de aire acondicionado convencional.
La potencia térmica que hay que evacuar, considerando régimen permanente y
suponiendo aire como fluido incompresible (habitual en túneles en el rango de
velocidades del estudiado), es del entorno de los cientos de kilovatios. Para ello
diferentes empresas, tales como Skyventure e Indoor Skydiving (principales fabricantes
de túneles verticales a nivel mundial), emplean los siguientes dispositivos de
refrigeración:
Free fall simulator. (Indoor Skydiving Bottrop Nº Patente: US2011/0165545A1)
•
Elementos de recirculación de flujo (también denominados redireccionadores de
flujo o turning vanes): construirlos huecos, con materiales de alta conductividad
térmica y con un fluido refrigerante que circule por su interior. El material
refrigerante propuesto puede ser agua, pero se pueden usar otros sólidos,
líquidos o gases que tengan ventajas en la transferencia de calor por
conducción/convección.
•
Entrada de aire fresco, que conlleva un gasto adicional de energía (mediante
extractores que garanticen la aspiración de aire y así contribuyan a controlar la
temperatura del simulador).
Wind
tunnel
turning
vane
heat
exchanger
(Skyventure.
Nº
Patente:
WO2001/088426A1)
•
Consiste en evacuar calor por los canalizadores de flujo (fabricados en aluminio
extruido, si bien podrían ser de otro material con similares propiedades térmicas)
-8-
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que, al estar huecos, permiten el paso de un fluido por su interior
(intercambiando así calor con el aire del túnel).
•
El fluido seleccionado para dicho intercambio energético será: agua, freón, agua
salada, gas o gas comprimido.
Environmental wind tunnel (Sverdrup Technology, Inc. Nº Patente: 5495754)
•
•
•
Intercambiador de calor al final del difusor.
El tabique del techo se divide en dos con un sistema de aire acondicionado.
Bypass mediante persianas.
Estas tecnologías y otras que se tratarán y se describirán con detalle en el capítulo2.
1.3 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
El Proyecto consistirá en la realización de varias tareas enmarcadas en el análisis
y diseño del sistema de refrigeración de un túnel avanzado de ensayos aerodinámicos
análogo a los múltiples túneles de viento que se emplean para investigación y desarrollo
o para certificación en numerosos sectores (automoción, deportivo, eólico, etc.).
El apartado de la transferencia de calor es crítico en los túneles de viento cerrados
debido a que el aire que circula por el interior puede alcanzar temperaturas muy
elevadas (superiores a los 60 grados) en unos pocos minutos.
La motivación concreta del proyecto consiste en encontrar un sistema de
refrigeración óptimo que permita evacuar el calor en el aire del conducto y poderlo usar
con otros fines, de forma que no sólo se refrigere adecuadamente el flujo de aire, sino
que se consiga una eficiencia energética máxima de todo el sistema.
Se aprovechará este proyecto para investigar además arquitecturas novedosas de
transferencia de calor que no se han aplicado hasta la fecha a este tipo de instalaciones.
-9-
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1.4 OBJETIVOS
1. Diseño térmico óptimo del túnel de viento.
En este proyecto se plantea como objetivo claro diseñar sistemas de refrigeración
basados en los actuales y que mejoren las ineficiencias detectadas o bien sistemas
novedosos en el campo de los túneles de viento. Los sistemas irán enfocados a
conseguir el mínimo consumo energético y la máxima eficiencia energética y harán el
mayor uso posible por ejemplo de sistemas pasivos (i.e. que no consuman electricidad).
2. Desarrollo de una metodología de validación de los modelos de cálculo
mediante medidas empíricas (perfil de temperaturas, etc.).
Los resultados de los modelos de cálculo deben validarse mediante ensayos
empíricos para probar su validez. Esta validación precisa de una metodología específica
para este proyecto, por las especiales características de este túnel frente a otros y los
nuevos conceptos de diseño que se plantearán. En concreto se hará uso de la
metodología del Análisis Dimensional pero se deben desarrollar métodos de validación
propios de este proyecto para cada una de las principales magnitudes de interés
(velocidad, presión y, en especial, temperatura). En este Proyecto nos centraremos en
las variables de tipo térmico.
3. Eficiencia energética.
En la construcción del túnel de viento también se buscará optimizar la eficiencia
energética durante el diseño, construcción y operación del mismo. Esto se traducirá en
que inicialmente es muy probable que se necesite una mayor inversión de capital para la
instalación de los sistemas de gestión térmica propuestos, que posteriormente se
reflejara como un ahorro, ya que supondrán un menor consumo energético directo y una
menor pérdida de carga en el túnel, lo que proporcionará un menor coste de operación y
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mantenimiento durante el funcionamiento del edificio. Los sistemas térmicos
propuestos se integrarán con el resto de instalaciones del edificio (climatización, agua
caliente sanitaria, etc.) para asegurar una máxima eficiencia energética global.
1.5 METODOLOGÍA / SOLUCIÓN DESARROLLADA
Como herramientas se emplearan CATIA (diseño asistido por ordenador),
arquitectura combinada EXCEL-MATLAB-SIMULINK (para algunos modelos de
simulación) y ANSYS (para los análisis completos de la transferencia de calor del túnel
por elementos finitos).
Al ser un proyecto de I+D tecnológico la primera fase consiste en el análisis de
los proyectos ya existentes en este campo, revisando detalladamente artículos científicos
y patentes. Para ello se usarán bibliotecas especializadas así como otras fuentes
similares disponibles en internet. Todo ello conlleva un estudio riguroso de los
diferentes tipos de túneles de viento, tanto verticales como horizontales, desarrollados
por las diferentes empresas, instituciones y corporaciones de defensa.
Una vez revisada la literatura existente, se procede a la identificación de las diferentes
áreas de investigación del proyecto.
Identificados los nichos tecnológicos se pasará a una fase de metodología
divergente, donde se expondrán todo tipo de ideas (lluvia de ideas) para la mejora de la
tecnología existente y/o creación de una tecnología alternativa.
Completada la fase de metodología divergente se procederá con la fase de
metodología convergente donde se deberá analizar y estudiar cada una de las ideas de la
fase divergente (tanto viabilidad tecnológica como económica) descartando aquellas que
sean inviables (dentro del alcance técnico y temporal del proyecto) y centrándose en
aquellas que tengan un mayor potencial. Con ello se determinarán las líneas de interés.
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Introducción
Una vez definidas las líneas de investigación comenzará el estudio del
comportamiento térmico del fluido. En primer lugar se recurrirá a los fundamentos de la
transferencia de calor acudiendo a libros técnicos como [INCR99], para tener un primer
enfoque teórico del proyecto. En esta fase se desarrollarán diferentes modelos y
configuraciones de simulación térmica del túnel y se considerarán los posibles diseños
gracias a la ayuda de la literatura existente antes mencionada.
Más adelante se validarán los modelos con distintos tipos de ensayos, empleando
túneles a escala reducida para verificar los resultados obtenidos por ordenador.
Una vez desarrollados y validados los modelos se procederá a la iteración de los
diseños, para valorar cuál de ellos es el óptimo en la elaboración del túnel, con ayuda
del software que se detalla en el siguiente apartado y con la realización de los ensayos
necesarios.
Una vez determinado el diseño óptimo se procederá al análisis de resultados,
valorando la tecnología existente y contrastándola con las nuevas ideas que se hayan
desarrollado.
Por último se extraerán las conclusiones del trabajo realizado y se determinarán
las líneas futuras de investigación (entre ellas el análisis del impacto ambiental de cada
alternativa de refrigeración abordada).
1.6 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS
Los recursos empleados en la elaboración y diseño térmico del túnel de viento han sido:
-Bibliografía de Mecánica de Fluidos. Se hará uso de los libros de “Mecánica de
Fluidos” de Frank White y “Resistencia Hidráulica” de Idelchik. “Fundamentos de la
transferencia de calor” Frank P. Incropera y David P. de Witt.
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Introducción
-Excel. Para el cálculo del factor de calidad del túnel de viento.
-AutoCAD. Software informático de diseño asistido por ordenador para el dibujo en
dos y tres dimensiones, que en este caso se empleará como herramienta para el diseño
en dos dimensiones, con el que realizaremos los distintos planos de referencia y
acotación dimensional y geométrica del diseño del túnel de viento.
-CATIA. Software informático destinado al diseño, fabricación e ingeniería asistida por
ordenador que proporciona apoyo desde la concepción del diseño hasta la producción y
análisis de productos. Nos facilitará el diseño en tres dimensiones del túnel de viento, lo
que nos permitirá la exportación de la geometría del túnel a los distintos programas para
el análisis estructural y aerodinámico del fluido, en los que la interfaz no es tan potente
y asequible como CATIA.
-ICEM CFD. Se trata de un software informático relativo a CFD (Computación de la
mecánica de fluidos) que nos permitirá crear o importar modelos de estructuras,
productos o componentes, sobre los que realizar un mallado de los mismos, para
posteriormente exportarlo a un software de análisis de mecánica de fluidos, en los que
estudiar el comportamiento del fluido.
-CFX Y Fluent. Se trata de dos programas informáticos relativos a CFD que contienen
amplias capacidades de modelado físico necesario para modelar el flujo, la turbulencia,
la transferencia de calor, y las reacciones de las aplicaciones industriales en los distintos
campos en los que sea de interés el estudio del fluido, como pueden ser la industria
aeronáutica, automovilística, etc.
Para estos dos programas se importará el mallado de los modelos de estructuras,
productos o componentes, que previamente se ha realizado en ICEM CFD. Mediante el
mallado, se determinarán los puntos sobre los que se realizarán las iteraciones hasta
llegar a la solución según las condiciones impuestas al modelo.
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Introducción
-Matlab y Simulink. Matlab consiste en un software matemático que, combinado con
Simulink, nos permitirá la creación y simulación matemática de modelos tanto
eléctricos como hidráulicos, mecánicos etc., lo que nos permitirá cotejar y validar los
resultados obtenidos con otros programas de software de simulación.
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Tecnologías de refrigeración propuestas
Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE REFRIGERACIÓN
PROPUESTAS
2.1 INTRODUCCIÓN TEÓRICA
El calentamiento neto producido en el túnel se debe a la fricción del aire con el
conducto y con los ventiladores (i.e. por rozamiento entre las moléculas del fluido con
las paredes y los álabes). Este calentamiento provoca un aumento de la temperatura en
el interior que empeora las condiciones de confort en el caso de que se realice una
simulación de caída libre, e invalida las medidas tomadas en un ensayo aerodinámico
por alejarlas de la realidad. Por todo ello se compensará este desequilibrio térmico,
refrigerando para dejar la temperatura en condiciones óptimas de operación.
En régimen permanente la cantidad de potencia térmica a evacuar dentro del
conducto es del orden de 450 kW para que las condiciones en la cámara de vuelo sean
las adecuadas, es decir, 25ºC a 280 km/h. Las vías por las que se puede realizar esa
transferencia térmica son: conducción, convección y radiación.
•
Conducción: es el intercambio de energía de vibración de la red en un medio
(habitualmente se da en sólidos, aunque también se puede dar en fluidos cuando
no exista movimiento de estos) debido a un gradiente de temperatura, este flujo
de energía se dará en el sentido de las temperaturas decrecientes.
•
Convección: es la transmisión de energía entre una superficie y un fluido cuando
están a diferentes temperaturas y el fluido se mueve sobre la superficie. El
proceso real de transferencia de calor entre las moléculas del fluido se realiza
- 15 -
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Tecnologías de refrigeración propuestas
por conducción (difusión térmica), viéndose favorecido por el movimiento del
fluido (advección).
•
Radiación: al contrario que las anteriores, esta no requiere un medio material
para que la transferencia energética tenga lugar. Es una energía en forma de
ondas electromagnéticas emitida por la materia que está a una temperatura por
encima del cero absoluto.
Para entender mejor el concepto de transferencia térmica en el interior del
conducto supongamos que el aire entra a temperatura uniforme menor que la de la
superficie, ocurre la transferencia de calor por convección y aparece entonces una capa
límite térmica. Además, si la condición de la pared del túnel se fija mediante la
imposición de una temperatura constante (Ts) o de un flujo de calor constante (qs”), se
alcanzará una condición térmica completamente desarrollada del flujo.
El perfil de temperatura completamente desarrollada T(r, x) es distinto si la
condición de contorno es de temperatura superficial constante o un flujo de calor
constante. Para ambas condiciones, la temperatura aumenta al aumentar x.
Figura 5.Desarrollo de la capa límite térmica [INCR99]
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En el caso de que la temperatura inicial del flujo sea la misma que la del
conducto el fluido se calienta simplemente por fricción con las distintas superficies.
En este capítulo se describirán las distintas tecnologías de refrigeración que se
estudiarán y se valorarán más adelante como posibles soluciones, tratando aspectos
tanto ingenieriles como económicos. Estas tecnologías son las siguientes:
2.2 CAMISA DE AGUA
Consiste en la circulación de un fluido refrigerante, en este caso agua, por un
conducto que envuelva y esté en contacto con una zona concreta del túnel que sea de
especial interés. Este dispositivo es análogo a las camisas de agua que envuelven los
cilindros en un motor de combustión y estará fabricado con un material de alta
conductividad térmica que facilite el flujo de calor (aluminio, acero, etc.).
En la siguiente imagen se muestra en detalle un caso preliminar del conducto con el
dispositivo acoplado:
Figura 6. Camisa de agua
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2.3 GEOTERMIA
La geotermia puede ser utilizada como energía para climatizar el conducto
aprovechando la inercia térmica, ya que el suelo puede considerarse como un cuerpo a
temperatura constante que, dependiendo del lugar, es del entorno de 13-16 grados
Celsius.
Esta temperatura del suelo, a poca profundidad, queda determinada por el equilibrio
energético que se produce entre la radiación solar, el agua de lluvia, que tras infiltrase
circulará por el subsuelo, la irradiación del suelo a la atmósfera y el flujo de calor que
proviene del interior de la Tierra.
La zona del túnel que aprovechará esta inercia térmica será la del tramo recto
inferior, que es la que estará enterrada a una profundidad entorno a los 10 metros. Dado
ese rango de profundidad, las variaciones térmicas por las que dicho tramo del túnel se
verá afectado son las estacionales, ya que las variaciones diarias de temperatura afectan
a una profundidad del entorno de 0,5 metros, y a una profundidad superior a 15 metros
la temperatura del suelo se considerará constante (ligeramente superior a la media
superficial) durante todo el año.
Figura 7. Evolución de las temperaturas a lo largo del año [COND09]
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Como puede observarse en el gráfico la temperatura del terreno a lo largo del año oscila
entre los 3ºC y los 13ºC.
Para estimar la temperatura del terreno se puede emplear el modelo propuesto
por Hillel, el cual depende de los siguientes parámetros: día del año, t [ºC], de la
profundidad, z[m], de la difusividad, α [m2/s], de la temperatura media anual del
terreno, Ta [ºC] y de la máxima diferencia de temperaturas anual en la superficie del
terreno, A0 [K]. Con todo ello, la temperatura del terreno sigue la ecuación:
,
=
−
∙
∙ cos
−
−
)
Ec.1
2.4 CUBIERTA VEGETAL
Como estrategia arquitectónica para el diseño en condiciones de verano se
propone la cubierta vegetal.
Se trata de una cubierta convencional (que envolvería el edificio que alberga en
su interior al conducto) con la adición de plantas. El sustrato de plantas y vegetación
actúan a modo de aislamiento, que ofrece como tal una ventaja energética. Pero no sólo
se trata de una ventaja energética sino que se obtienen otros beneficios de carácter
medioambiental:
•
Ventajas para el clima de la región donde se ubique la instalación al retener
sustancias contaminantes y polvo. Bien es sabido que las plantas filtran las
partículas que hay en el aire, a la vez que producen oxígeno.
•
Se repone la vegetación ocupada por el edificio que alberga en su interior al
conducto.
•
Protección contra la radiación solar.
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•
Las plantas actúan como amortiguadores acústicos. Este tipo de instalaciones
generan una gran cantidad de energía acústica debido al ruido de los
ventiladores.
•
Las plantas retienen parte del agua de lluvia. Esto mejora el desagüe pluvial de
la instalación, disminuyendo el flujo de agua superficial sobre la cubierta. Con
esto se reducen los costes de depuración de aguas residuales y se reducen los
riegos de inundación, devolviendo el agua de lluvia al ciclo natural.
•
La evaporación del agua puede producir efectos refrigerantes en la región donde
se ubique la instalación, es decir, se reduce el efecto conocido como isla térmica.
Figura 8. Cubierta vegetal CaixaForum, Madrid [www.aryse.org, 2012]
2.5 LAGO
Del mismo modo que se podría emplear la geotermia para climatizar el conducto
se puede aprovechar la inercia térmica de una gran cantidad de agua que cubra la parte
enterrada del conducto o que esté en contacto con otro elemento del túnel ya sea la
tobera, la zona de ventiladores etc.
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Figura 9. Paddock, circuito internacional de Shanghai [www.crash.net]
En este caso se trataría de un lago artificial que a la vez que ayuda a refrigerar el
conducto (la temperatura media de una considerable cantidad de agua puede
considerarse constante a lo largo de todo el año) sirve como elemento estético de la
instalación en su conjunto además de ser útil para la reposición de la vegetación
ocupada por el edificio.
2.6 PULVERIZADOR DE AGUA
Controlar la humedad es un factor importante en la calidad del aire que circula
por el conducto. Los pulverizadores de agua o humectadores podrían ser usados para
incrementar la humedad en el túnel.
Al aumentar la temperatura del aire en el interior la humedad relativa disminuye,
si aumentamos por tanto dicha humedad relativa disminuiremos la temperatura del aire
del conducto.
En el caso de ensayo con paracaidistas hay que destacar que, dentro de un rango
entre el 30% y el 70%, el ser humano es poco sensible a los cambios de humedad
relativa, por lo que se evitaría que dicha variable quedase fuera de tal intervalo.
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2.7 REDIRECCIONADORES DE FLUJO
Al tratarse de un túnel cerrado, el aire tiene que realizar sucesivos giros a lo
largo del circuito, esto provoca una elevada pérdida de carga y el consecuente
calentamiento del flujo.
Para reducir las pérdidas de carga producidas en las esquinas se disponen unos
dispositivos llamados turning vanes o guide vanes (redireccionadores de flujo) que
ayudan al fluido a realizar los giros de forma óptima, de tal manera que se produzca la
menor pérdida de carga.
Éstos dispositivos son perfiles aerodinámicos extruidos cuyo interior puede
contener un refrigerante (ya sea en estado líquido, sólido o gas) que construyéndolo de
un material de alta conductividad térmica (aluminio o acero) pueden ser empleados para
evacuar la potencia calorífica generada en el interior del conducto.
A continuación vemos algunas ilustraciones de estos perfiles:
Figura 10. Redireccionadores de flujo.
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2.8 INTERCAMBIO PASIVO DE AIRE
Este sistema consiste en realizar un intercambio del caudal de aire que circula
por el interior del conducto con aire de la atmósfera que se encuentre a una temperatura
más baja. No se realizará un intercambio completo, sino que sólo un porcentaje del
caudal total será renovado.
El intercambio de aire se realiza mediante un sistema de trampillas situadas en
diferentes zonas del túnel. Generalmente podemos hablar de dos juegos de trampillas,
uno de estos juegos se encargaría de la descarga del aire a la atmósfera, y
preferiblemente se situaría a la salida del difusor inmediatamente después de la cámara
de vuelo, el segundo juego de trampillas se situaría en tramos posteriores.
A continuación se presenta dicho intercambio de aire con el exterior:
Figura 11. Intercambio de flujo con el exterior en una de las esquinas del túnel.
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Tecnologías de refrigeración propuestas
2.9 INTERCAMBIADOR DE CALOR
Los intercambiadores son dispositivos que facilitan la transferencia de calor
entre los dos fluidos, el refrigerante y el aire del conducto. Este dispositivo debe
satisfacer especificaciones térmicas: intercambio de la potencia térmica necesaria.
El proceso de intercambio de calor entre dos fluido que están a diferentes
temperaturas y separados por una pared sólida, ocurre en muchas aplicaciones de
ingeniería:
•
•
•
•
•
•
Sistemas de generación de energía (caldera y condensador en centrales)
En la industria química
Bombas de calor
Circuitos frigoríficos
Sistemas de calefacción (calderas, radiadores, suelo radiante)
Sistemas de refrigeración (radiadores de los coches)
Existen tres maneras de clasificar estos dispositivos:
•
Atendiendo a la variación de la temperatura de los fluidos
a) De una corriente: sólo varía la temperatura de uno de los fluidos.
b) De dos corrientes: varía la temperatura de los dos fluidos.
•
Atendiendo a la configuración de flujo
a) Flujos paralelos: los dos fluidos discurren en direcciones paralelas.
Dentro de estos se distinguen en equicorriente y en contracorriente o
contraflujo.
b) En flujo cruzado: las direcciones de los flujos son perpendiculares.
c) Regenerador o recuperador: se trata de dos corrientes de flujos cruzados
o paralelos y estacionarios, que atraviesan una matriz con gran capacidad
para almacenar energía térmica.
Este dispositivo iría alojado en el seno del flujo en una zona que sea de especial interés.
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Descripción del modelo de desarrollo
Capítulo 3 DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE
DESARROLLO
3.1 OBJETIVOS Y ESPECIFICACIÓN
El modelo que se expondrá a continuación pretende simular el calentamiento del
flujo en el interior del túnel debido a la fricción de manera que los resultados puedan ser
validados con modelos de ANSYS y con ensayos empíricos.
Para simular el calentamiento de la instalación completa y de los diferentes
tramos de ésta se emplea la arquitectura combinada EXCEL-MATLAB-SIMULINK. Se
realizará un estudio diferencial del túnel descomponiendo el mismo en rebanadas las
cuales representarán un circuito térmico cada una. La geometría del conducto así como
pérdidas de carga, temperaturas, resistencias e inercias térmicas y otros parámetros son
exportados a MATLAB que simula en SIMULINK los circuitos térmicos asociados a
cada elemento diferencial del túnel. Los resultados son devueltos a Excel, donde se
pueden analizar en formato de tablas.
Cada una de las tecnologías propuestas en el capítulo 2 tiene un circuito térmico
asociado que modela el flujo de potencia térmica debido a dicha tecnología. Estos
circuitos se presentan en los siguientes apartados.
En el último apartado del capítulo se hablará de ANSYS CFD, programa de
cálculo por elementos finitos que se empleará para contrastar los resultados obtenidos
con la arquitectura combinada EXCEL-MATLAB-SIMULINK y con el que se
simularan distintas partes del túnel por separado y el circuito completo. La arquitectura
EXCEL-MATLAB-SIMULINK es más flexible para modelar diversas alternativas de
- 25 -
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Descripción del modelo de desarrollo
refrigeración y compararlas entre sí. Dada la elevada complejidad del modelado en
ANSYS, el objetivo es demostrar la validez de la herramienta EXCEL-MATLABSIMULINK para las primeras etapas del diseño, de forma que en ANSYS sólo se
modelen en detalle las soluciones finalmente seleccionadas.
3.2 MODELADO UNIDIMENSIONAL/ANALOGÍA ELÉCTRICA
El flujo de calor estacionario a través de sólidos sigue la ecuación de Fourier,
que se expresa de forma unidimensional de la siguiente forma:
"#
=− ·
· "$
[W]
Ec.2
%
&
−
= '·(
[K]
Ec. 3
Donde k representa la conducción térmica del material, A es el área transversal
de flujo de potencia calorífica y
"#
"$
representa al gradiente térmico en la dirección del
flujo de calor.
De forma análoga se representa el flujo de calor entre un sólido y un fluido
cuando éste se mueve sobre la superficie de dicho sólido:
=ℎ·
*
·
*
−
+
[W]
Ec.4
*
−
∞
&
= ,·(
Ec. 5
- 26 -
[K]
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Descripción del modelo de desarrollo
Donde h representa el coeficiente de convección, As el área superficial del sólido
por donde se produce el intercambio de potencia térmica, Ts la temperatura superficial
del sólido y T∞ la temperatura de la corriente libre.
Entonces la ley de Ohm puede ser usada según la siguiente analogía para
resistencias de conducción (la Ec.6 corresponde al caso de pared plana) y de
convección:
-./012..3/0 =
4
'·(
=
#5 #6
&
[K/W]
Ec. 6
%
-./078..3/0 = ,·( =
#9 #:
&
[K/W]
Ec. 7
Se observa que en términos eléctricos, la temperatura sería equivalente a la
diferencia de potencial y el flujo de potencia térmica equivaldría a una corriente.
Las inercias térmicas tanto del fluido como de los sólidos dependerán de la masa
y del calor específico, siendo dicha inercia el producto de ambos factores.
; = < · =>
[J/K]
Ec. 8
La siguiente tabla tiene como objetivo resumir esta analogía:
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Descripción del modelo de desarrollo
Térmico
Eléctrico
Parámetro
Unidades
Parámetro
Unidades
Voltaje
V
Temperatura
K
Corriente
A = C/s
Flujo de calor
W = J/s
Conductividad
A/V·m
Conductividad
W/K·m
-
-
Coef. Convección
W/K·m2
Resistencia
V/A
Resistencia
K/W
Condensador
C/V
Inercia
J/K
Tabla 1. Analogía eléctrica
Para modelar la transferencia de calor se podrían usar distintos circuitos que se
presentarán a continuación, y dependiendo del caso, unos se ajustarán más a la realidad
que los otros.
Figura 12. Analogía eléctrica/Representación de cuerpos sólidos o fluidos.
Donde R representa la resistencia de conducción o convección según sea el caso
y C las inercias térmicas de un sólido o un fluido.
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Descripción del modelo de desarrollo
3.3 CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE LAS DISTINTAS PROPUESTAS
A continuación se presentarán los modelos térmicos de las distintas propuestas
de refrigeración que se expusieron en el capítulo 2 con el fin de tener una visión
acertada de la analogía eléctrica descrita. En los circuitos que se presentan a
continuación se combinan los tres tipos de circuitos comentados en el apartado anterior
para el modelado.
3.3.1 TÚNEL SIN REFRIGERACIÓN
Antes de presentar los circuitos que modelan las distintas tecnologías es
conveniente presentar el circuito del túnel sin ningún tipo de refrigeración.
Figura 13. Túnel sin refrigeración
El circuito representa de forma genérica el conjunto de la instalación
prescindiendo de algunos elementos, como pueden ser los redireccionadores de flujo o
resistencias de contacto. Hay que decir que no en todos los tramos del túnel tiene por
qué haber una estructura de hormigón que encierre al conducto.
- 29 -
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3.3.2 CAMISA DE AGUA
Como decíamos antes en estos circuitos se pretende ilustrar al lector de lo que se
pretende de una forma genérica, por lo que en este circuito se omiten las resistencias de
contacto que habría entre el acero y el hormigón; así como la que existiría entre el
terreno y el hormigón en el caso de que la configuración definitiva del túnel así lo
requiriese.
Figura 14. Camisa de agua
3.3.3 GEOTERMIA
La refrigeración mediante este método, es con la intención de aprovechar la
inercia térmica del suelo, la cual hace que durante todo el año la temperatura del mismo
apenas varíe por lo que se representará con una fuente de tensión.
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Descripción del modelo de desarrollo
Figura 15. Geotermia
El valor de la fuente de tensión que representa la temperatura del terreno se ha
calculado usando la Ec.1.
3.3.4 CUBIERTA VEGETAL
Para modelar la cubierta vegetal se considerará ésta como un sólido, omitiendo
como decíamos antes las resistencias de contacto y otros factores con el fin de
simplificar el modelo; y que, de forma aproximada, se ajuste lo mejor posible a la
realidad. En modelos de mayor detalle se deben incluir fenómenos como la captación y
evaporación de la humedad por parte de la cubierta vegetal, etc.
- 31 -
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Figura 16. Cubierta vegetal
3.3.5 LAGO
Del mismo modo que la geotermia se representará la temperatura del lago
constante, gracias a la inercia térmica del agua, por lo que se presentará dicha
temperatura como una fuente de tensión constante.
Figura 17.Lago
- 32 -
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3.3.6 PULVERIZADOR DE AGUA
Se puede ver como al modelo base del túnel sin refrigeración se le añade una
rama con la resistencia de convección de los humectadores o pulverizadores de agua a la
vez que la inercia térmica del mismo. Los valores de dichos parámetros se promediaran
con valores experimentales.
Figura 18.Pulverizadores de agua
- 33 -
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3.3.7 REDIRECCIONADORES DE FLUJO
En túneles recientes se usan los elementos que redireccionan el flujo de aire en
las esquinas como elementos refrigeradores, normalmente haciendo pasar un
refrigerante por su interior. Para la estimación de la resistencia de convección de estos
dispositivos se consideraron los mismos como placas planas alojadas en las esquinas del
túnel, ya que la geometría de estos elementos es relativamente complicada y el objetivo
es estimar aproximadamente el flujo de calor evacuado por los mismos. También se
representa la resistencia de convección o conducción (según el caso) e inercia del
refrigerante que circularía por el interior de los redireccionadores.
Figura 19. Redireccionadores de flujo
- 34 -
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3.3.8 INTERCAMBIO PASIVO DE AIRE
Para simplificar el cálculo en una primera aproximación se estudiará en
intercambio de aire con el exterior mediante el siguiente circuito, donde se puede
observar cómo se han reducido el número de elementos considerablemente.
Figura 20. Intercambio pasivo de aire
3.4 HOJAS DE CÁLCULO
Como comentábamos al comienzo del capítulo se emplea la arquitectura
EXCEL-MATLAB-SIMULINK para la simulación del calentamiento. Las hojas Excel
desde donde se exporta la información a MATLAB contienen información sobre:
•
Geometría del conducto y número de divisiones de cada tramo del conducto,
caudal y flujo másico, pérdida de carga (cálculo aparte), temperaturas así como
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propiedades de los fluidos y de los materiales. Estos parámetros pueden ser
modificados por el usuario.
•
Cálculos tales como:
como: fricción en cada división, velocidad, tiempo, temperatura
del fluido y de las paredes, inercias térmicas, así como de números
ros
adimensionales (Re, Nu,
Nu Pr,…) para la determinación de resistencias de
conducción y convección.
convección
Figura 21. Ejemplo de hoja Excel 1 (tobera).
Figura 22. Ejemplo de hoja Excel 2.
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Figura 23. Ejemplo hoja Excel 3 (tobera).
Figura 24. Ejemplo de hoja Excel 4 (tobera).
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3.4.1 GEOMETRÍA DEL CONDUCTO
Pasamos a definir la geometría definitiva del conducto que se simulará en la
interfaz EXCEL-MATLAB-SIMULINK y ANSYS CFD. Dividimos el conducto en
diferentes tramos, cada tramo es representado en una hoja Excel diferente, pues cada
uno tiene geometrías y parámetros distintos. El orden (según el archivo Excel y el de
cálculo en Matlab) es el siguiente:
1. Primer difusor
2. Primera esquina
3. Segundo difusor
4. Segunda esquina
5. Tercer difusor
6. Tercera esquina
7. Tramo recto inferior
8. Cuarta esquina
9. Tobera
10. Cámara de vuelo
Para evitar incongruencias en la geometría del conducto, i.e. que los tramos del
túnel (cada uno representado en una hoja Excel) conecten sin problemas se emplea
CATIA V5 o AutoCAD. La siguiente imagen ilustra la geometría definitiva y los
tramos que componen el túnel:
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Figura 25. Tramos del túnel
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El tamaño de este tipo de túneles viene siendo del orden de 20 m de largo, 25-35
m de altura y unos 10 m de profundidad.
Cada tramo es fragmentado en rebanadas, cada cual representa un circuito
térmico que, dependiendo de la tecnología aplicada en cada tramo, será distinto en una
zona o en otra.
A continuación se presenta como una de las esquinas superiores del conducto
quedaría dividida en tales rebanadas:
Figura 26. Rebanada
Los tramos del túnel quedarían divididos en el número de rebanadas que se
deseen, cuantas más divisiones más detalle y como consecuencia más tiempo de cálculo,
por lo que se precisará de más divisiones en las zonas que sean de especial interés
(difusores, esquinas y tobera) mientras que en el resto de tramos (tramos rectos) no será
necesario un número de divisiones elevada.
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Descripción del modelo de desarrollo
3.4.2 CÁLCULOS Y CONSIDERACIONES
Las pérdidas de carga en los tramos del conducto se calcularon en hojas Excel
aparte en un análisis del flujo interno que no es motivo de estudio en este documento.
Sin embargo dicha información se requiere para calcular cual sería la potencia térmica
por fricción.
Del mismo modo las propiedades de los fluidos son necesarias para el cálculo de
las inercias térmicas y de números adimensionales que determinaran las resistencias
térmicas. Hay que decir que el flujo en el interior del conducto se puede considerar
como flujo incompresible debido a que en ningún tramo del túnel se alcanza la
velocidad suficiente, pues si hablamos de la zona con mayor velocidad (la cámara de
vuelo) donde se alcanzan aproximadamente los 280 km/h, el Ma=0,226, inferior a 0,3
(valor umbral para tal consideración).
3.5 INTERFAZ EXCEL-MATLAB-SIMULINK
El flujo de información entre Excel y Matlab se ha realizado mediante el uso de
funciones en el entorno de programación de Matlab, por lo que se ha desarrollado
diversos códigos de programación en el mismo lenguaje.
El objetivo de estos códigos es la importación de parámetros y variables en el
tiempo preciso para la correcta simulación, además de realizar llamadas a los distintos
circuitos en Simulink en el momento adecuado.
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Descripción del modelo de desarrollo
de
Figura 27. Interfaz Excel-Matlab
Para comprender mejor cómo funciona el flujo de información y la
comunicación entre
tre ambos programas ilustraremos con el siguiente ejemplo:
•
Excel:
Supongamos que queremos seguir la secuencia de cálculo para la resistencia de
convección (R conv.) de una rebanada del conducto situada en un difusor de sección
circular, que posteriormente será empleada en la simulación del circuito asociado a
dicha rebanada.
La geometría del difusor se conoce (radios, longitud y espesor, así como número
de divisiones que se desean) pues son introducidos en la hoja Excel asociada a ese
tramo del túnel, por lo tanto también se conoce la geometría de la rebanada (áreas
transversal
versal y lateral, longitud, perímetro, Dh, volumen etc.).. Todo el caudal que circula
por el difusor también lo hará por la rebanada del mismo; así pues se obtiene velocidad
del fluido y tiempo que tarda el mismo en recorrer la rebanada. Hay que decir que la
caída de presión en el difusor también se conoce de cálculos anteriores correspondiente
a las pérdidas de carga a través de tablas empíricas [IDEL94].
Supongamos que nuestra rebanada es la primera del primer difusor, es decir, la
primera rebanada de todo el conducto o circuito. Ésta comenzará a una temperatura
fijada (T∞) de 298 K (temperatura del aire interior).
interior). A su vez la temperatura de la pared
(correspondiente al acero) también comenzará a una temperatura fijada por el usuario
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(Ts), en el caso de que se quiera simular exclusivamente los efectos de fricción ésta será
de 298 K (acero y aire comenzarían el circuito del túnel a la misma temperatura).
Figura 28. Rebanadas en difusor
Entonces, conocida la temperatura, se determina mediante interpolación en
tablas las propiedades del fluido (ρ, ν, cp, µ, α, k, Pr) que nos permiten determinar los
números adimensionales (Reynolds y Nusselt, según correlaciones que dependerán del
régimen del flujo) y en consecuencia el coeficiente de convección forzada para flujo
interno que, con el área de transferencia de calor, determinan la resistencia de
convección (R conv.).
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Descripción del modelo de desarrollo
•
Matlab:
Se elabora un código en lenguaje Matlab para la importación del valor de la
resistencia de convección (y de toda la información que sea necesaria) cuya estructura
tiene como objetivo seguir la secuencia de cálculo adecuada con ayuda de funciones que
llaman al fichero Excel. El mismo código se encarga de abrir los archivos Simulink
correspondiente a cada circuito y le asocia a la resistencia correspondiente el valor
extraído de Excel. Una vez obtenida de la misma forma toda la información precisa y
necesaria, Matlab procede a simular el circuito.
Los valores desconocidos (hasta entonces) de las temperaturas en las distintas
zonas, i.e. cara interior del conducto, cara exterior, etc. de las sucesivas rebanadas son
escritos en el archivo Excel.
Esto ocurre tantas veces como divisiones tenga el tramo del circuito, estando el
tiempo de cálculo muy relacionado lógicamente con el número de rebanadas.
3.6 ANSYS CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)
Para contrastar los resultados que se obtengan de la simulación con el estudio
diferencial gracias a la arquitectura combinada entre Excel y Matlab se emplea el
análisis del conducto por elementos finitos.
El estudio de la dinámica de fluidos mediante CFD es un método que se aplica
en la ingeniería actualmente para calcular campos de velocidades, presiones,
temperaturas y otros detalles de los fluidos.
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Descripción del modelo de desarrollo
En primer lugar es necesario realizar la geometría del conducto o elemento de
estudio. Para este propósito se usa CATIA V5 por ser un programa de CAD más
cómodo de manejar que el proporcionado por ANSYS. Esta geometría se exporta a
ICEM que nos permitirá realizar un mallado de la parte del conducto a estudiar para
finalmente exportar dicha malla a Fluent o CFX y modelar el comportamiento físico del
flujo, turbulencia, transferencia de calor, etc.
Fluent resuelve numéricamente las ecuaciones que gobiernan la mecánica de fluidos:
- Conservación de la masa.
- Conservación de momentos.
- Conservación de la energía.
- Conservación de las especies.
- Etc.
Los resultados son relevantes y útiles para el estudio de nuevos diseños, detallar
el desarrollo final del producto y resolver los problemas encontrados. Este tipo de
simulaciones reducen el esfuerzo y el coste total requeridos en la adquisición de
información y en la elaboración de experimentos.
Los programas asociados a ANSYS CFD para la resolución de problemas están
basados, como hemos dicho antes, en el estudio por elementos finitos, i.e. el elemento a
estudiar se discretiza en un conjunto finito de volúmenes. Las ecuaciones de
conservación de la masa, momentos, energía, especies, etc. son resueltas para cada
volumen. Estas ecuaciones en derivadas parciales son discretizadas en un sistema
algebraico, y todo sistema algebraico es resuelto numéricamente para finalmente
representar la solución.
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Concluimos este apartado resumiendo la secuencia de cálculo para el estudio del
conducto mediante el cálculo de elementos finitos:
1.- Identificar el problema, volumen a modelar y se marcan objetivos
2.- Crear un volumen sólido para representar el dominio
3.- Crear y diseñar el mallado
4.- Inicializar las propiedades físicas del modelo y las condiciones de contorno
5.- Definir la configuración del modelo de resolución
6.- Calcular
7.- Examinar los resultados obtenidos
8.- Considerar la revisión del modelo
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Análisis de resultados
Capítulo 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 SIMULACIONES
En el este capítulo se presentan las simulaciones realizadas con los métodos
expuestos en el capítulo 3. Con ellas se pretende tener una visión acertada del problema,
una vez obtenido el calentamiento que sufre el conducto en distintos tramos y simulado
el circuito completo se procederá a analizar algunas de las opciones propuestas en el
capítulo 2, que tienen como objetivo solucionar en primera instancia la problemática
que plantea el calentamiento del aire del túnel.
Primero, para tener una idea inicial sobre el calentamiento en distintas zonas, se
simulará el difusor y se contrastarán los resultados obtenidos en la interfaz EXCELMATLAB-SIMULINK con los obtenidos en el estudio por elementos finitos en ANSYS
CFD. Análogamente se procederá con la tobera para finalmente simular el túnel
completo.
Una vez conocido el orden de magnitud de la potencia a evacuar y el
consecuente descenso de la temperatura al que se pretende llegar, se procederá con el
estudio de las soluciones que se proponen. Se analizará si las soluciones son suficientes
por separado o si es necesaria una combinación entre estas.
Por último se enfocará el proyecto para que sirva de base en futuros estudios
para la refrigeración de este tipo de instalaciones.
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Análisis de resultados
4.1.1 DIFUSOR
Simularemos en primer lugar uno de los difusores, en este caso el difusor a
estudiar es el siguiente a la cámara de vuelo, es decir, según la Figura 23 el primer
difusor.
•
Resultados obtenidos en la interfaz EXCEL-MATLAB-SIMULINK:
Para ello se toma el circuito que modela el conducto adiabático de la Figura 13
del capítulo 2 representando sólo hasta el conducto de acero.
Simulando con un número de 100 rebanadas y comenzando el aire a la misma
temperatura que el conducto de acero (298 K) se obtiene el incremento de las
temperaturas del aire interior y de la pared del conducto:
Figura 29. Incremento de la temperatura en el aire en función del tiempo. Difusor
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Se observa un aumento de la temperatura en el aire que circula por el interior del
difusor desde que entra hasta que sale del mismo. Al comienzo se observa una ligera
resistencia al cambio de la temperatura debido a la inercia térmica del aire.
Sin embargo el incremento posterior de la temperatura es
es prácticamente constante.
Figura 30.. Incremento de la temperatura en el conducto de acero. Difusor
Del mismo modo se observa un incremento de la temperatura, casi de forma
lineal, en la pared del conducto de acero.
acero
Para ambas temperaturas, la del aire interior y la de la pared del conducto, se
aprecia un incremento considerable de la misma; en torno a la décima de grado.
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Hay que tener en cuenta que este incremento se produce en una sola pasada del
aire por el difusor, por lo que es lógico pensar que en varias vueltas del aire por el
circuito entero, es decir, en pocos minutos la temperatura alcanzará tal valor que
invalidará los ensayos que se estén realizando en la cámara de vuelo.
Aproximadamente se obtiene un calentamiento por minuto de entre 0,5-1,5ºC, en
función de las condiciones del problema.
A continuación se procede con la simulación en ANSYS CFD por elementos
finitos del mismo difusor.
•
Resultados obtenidos en ANSYS CFD:
Primero se procede a elaborar la geometría del difusor en CATIA V5. La
siguiente imagen pretende ilustrar las características del difusor a simular:
Figura 31. Primer difusor, CATIA V5
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Después de crear la geometría en CATIA se procede a su exportación a ICEM,
ICEM
software relativo a ANSYS, para proceder con el mallado del volumen de control. La
elaboración de la malla es un paso crítico para una buena simulación. El tiempo de
cálculo depende del número de elementos que compongan dicha malla, para entender
mejor lo anterior: un Gb de memoria RAM se asocia con un millón de elementos
aproximadamente.. Es de vital importancia pues entender bien el problema para
mallar aquellas zonas que sean de especial interés (turbulencias, desprendimientos de
capa límite,…) y no derrochar
rochar recursos en cálculos innecesarios.
Una vez realizada la malla del dominio a estudiar se exporta a Fluent/CFX para
proceder con el cálculo definitivo, considerar los resultados para volver a mallar (si
fuese necesario) en un proceso iterativo hasta alcanzar un resultado correcto.
Los resultados obtenidos con Fluent se presentan en la siguiente imagen:
Figura 32. Variación de la temperatura en el primer difusor, ANSYS Fluent
Se puede ver como el aire va incrementando su temperatura en su transcurso por
el difusor.. Los resultados en CFD arrojan un resultado que difiere ligeramente del de
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Análisis de resultados
la interfaz EXCEL-MATLAB-SIMULINK, con el resultado por elementos finitos
tanto el incremento de temperatura del aire como del conducto es un 20% mayor. Sin
embargo, daremos ambos resultados por válidos pues la hipótesis de flujo fue distinta
en ambos casos; mientras que para el cálculo con la interfaz EXCEL-MATLABSIMULINK se consideró flujo incompresible, para la simulación con Fluent se trato
como compresible (gas ideal), consideración más próxima a la realidad y además el
rango de errores introducidos al emplear correlaciones y metodología de circuitos
eléctricos puede estar en ese orden para problemas de la complejidad del que se trata
en este texto.
4.1.2 TOBERA
En este apartado veremos que ocurre en una zona convergente del circuito, i.e. la
tobera que precede a la cámara de vuelo.
•
Resultados obtenidos en la interfaz EXCEL-MATLAB-SIMULINK:
Se toma para esta simulación el mismo circuito que para el difusor, i.e. el circuito
de la Figura 13 del capítulo 2 representando sólo hasta el conducto de acero.
Simulando con un número de 100 rebanadas y comenzando el aire a la misma
temperatura que el conducto de acero (298 K) se obtiene el incremento de las
temperaturas del aire interior y de la pared del conducto:
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Figura 33. Incremento de la temperatura en el aire en función del tiempo. Tobera
Del mismo modo que para el difusor, se aprecia una inercia al cambio de la
temperatura en el aire interior en un principio para después seguir con un crecimiento
que se podría considerar lineal. El orden de magnitud de este incremento de la
temperatura es el mismo que para el difusor, aunque ligeramente menor y en menos
tiempo.
Figura 34. Incremento de la temperatura en el conducto de acero. Tobera
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Algo similar ocurre con el incremento de la temperatura en las paredes del
conducto. Estas sufren un calentamiento casi la mitad del que se producía en las
paredes del difusor, pero en menor tiempo. Podríamos considerar un incremento
lineal en la pared del conducto a lo largo de todo el tramo.
•
Resultados obtenidos en ANSYS CFD:
El procedimiento es el mismo que con el difusor. Se elabora la geometría óptima
de la tobera para después realizar un mallado del dominio en ICEM. En la siguiente
imagen se muestra la geometría en CATIA:
Figura 35. Tobera. CATIA V5
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Los resultados obtenidos en Fluent se presentan en la siguiente imagen:
Figura 36. Variación de la temperatura en la tobera. ANSYS Fluent
Cuando simulamos en CFD como flujo compresible se obtienen unos resultados
de nuevo con una ligera diferencia respecto a los obtenidos mediante la interfaz
EXCEL-MATLAB-SIMULINK.
Tratando al flujo como compresible, en un paso más por acercarnos a la realidad,
en una zona convergente resulta de más peso el efecto del descenso progresivo de la
presión frente al calentamiento por fricción en las paredes. Por esta razón el aire
interior sufre un descenso de la temperatura, ya que al aumentar la velocidad,
desciende la presión y como consecuencia también lo hacen la temperatura y la
densidad.
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Cabe decir que, aunque se produzca un descenso de la temperatura global del
aire interior, en las proximidades de las paredes se aprecia un calentamiento claro
debido al efecto de la fricción.
4.1.3 TÚNEL COMPLETO
Para concluir veremos que ocurre simulando el circuito completo. El fin de esta
simulación tiene por objetivo tener una visión global del calentamiento del túnel en su
conjunto. Veremos pues que ocurre con ambos métodos de cálculo:
•
Resultados obtenidos en la interfaz EXCEL-MATLAB-SIMULINK:
Simulando el Túnel completo con 100 rebanadas y comenzando la temperatura
del aire interior a la misma temperatura que las paredes del conducto, 298 K, los
resultados son los siguientes:
Figura 37. Incremento de la temperatura del aire. Túnel
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La gráfica presenta el calentamiento del aire interior en una vuelta del mismo
por el túnel. Podemos observar los cambios bruscos de pendiente en la curva debido
a las distintas zonas del conducto.
Se pueden identificar entonces las zonas donde más rápido crece la temperatura,
las cuales pueden ser susceptibles de incorporar un elemento refrigerante en un
estudio posterior.
Figura 38. Incremento de la temperatura del acero. Túnel
Del mismo modo que ocurría con la temperatura del aire ocurre con la
temperatura del conducto. Se aprecian en la gráfica cambios bruscos en la pendiente
de la misma que ayudan a identificar las distintas zonas que podrían, como hemos
dicho antes, ser susceptibles de incorporar un sistema de refrigeración.
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Análisis de resultados
•
Resultados obtenidos en ANSYS CFD:
El mismo procedimiento que seguimos para resolver la tobera y el difusor es
empleado para resolver el túnel completo por elementos finitos.
Geometría del conducto realizada en CATIA V5:
Figura 39. Túnel. CATIA V5
A continuación, determinada la geometría final que tendrá la instalación por
completo, se exporta dicha geometría a ICEM para proceder a mallar el dominio
fluido y más tarde proceder con la resolución del problema.
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Resultados obtenidos en Fluent:
Figura 40.. Variación de la temperatura en el túnel. ANSYS Fluent
Se aprecia el calentamiento
calen
progresivo que sufre el aire interior debido a la
fricción y a la potencia térmica perdida por el motor de los ventiladores.
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En la zona de la tobera se observa un enfriamiento por lo comentado en el
estudio de la misma en el apartado 4.1.2.
En las zonas correspondientes a los difusores se puede apreciar el calentamiento
progresivo del flujo, del mismo modo que ocurre con las esquinas. En éstas hay que
destacar un incremento de la temperatura más acentuado en los radios interiores.
En los resultados de la interfaz EXCEL-MATLAB-SIMULINK identificábamos
zonas con cambios bruscos de pendiente, i.e. en las esquinas. Del mismo modo en
Fluent se aprecia un calentamiento considerable en estas zonas por lo que habría que
considerar las mismas como zonas a refrigerar, por ejemplo, con la propuesta de
refrigeración de los redireccionadores de flujo, propuesta presentada en el capítulo 2.
4.2 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
En el apartado 4.2.1 veremos que ocurre cuando sometemos al conducto a
condiciones desfavorables, i.e. cuando por cambios estacionales la temperatura
ambiente sea perjudicial, entonces a la potencia térmica debida a la fricción y a la
pérdida en los ventiladores se le suma la debida al salto térmico entre el exterior y el
interior del conducto. Después, como solución, se estudiarán dos sistemas de
refrigeración de los propuestos en el capítulo 2.
Estos sistemas tienen como objetivo evacuar la potencia térmica para el correcto
funcionamiento de la instalación. Se estudiará si para ambos escenarios (condiciones
normales), donde sólo actúan la fricción y los ventiladores, y condiciones desfavorables,
donde además de los efectos por fricción y pérdidas en los ventiladores, actúan las
condiciones ambientales desfavorables, estos sistemas son suficientes para enfriar el
aire interior o si por el contrario es preciso una combinación de ambos sistemas.
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Las propuestas estudiadas son aquellas, que en un primer momento, resultan
tener un grado de viabilidad técnico/económica mayor que las demás. Estas tecnologías
son: el intercambio pasivo de aire y un intercambiador de calor en la zona de los
ventiladores.
4.2.1 CONDICIONES DESFAVORABLES
Como condiciones desfavorables tomamos aquellas que se producen en verano.
Para ellos suponemos que el túnel se encuentra ubicado en Madrid, donde en el mes de
agosto se pueden alcanzar temperaturas máximas medias del entorno de 33 grados
Celsius.
Debido a que en el estudio posterior de las propuestas de refrigeración no se
empleará el método de los elementos finitos, se empleará sólo la interfaz entre Excel y
Matlab para analizar el calentamiento del túnel en condiciones desfavorables.
Para la simulación dividimos el conducto en 100 rebanadas, empezando la
simulación el aire a 298 K. Los resultados son los siguientes:
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Figura 41. Incremento de la temperatura del aire. Desfavorable
Podemos ver que la forma de la curva es la misma que cuando se simuló el túnel
completo a 298 K. Sin embargo la pendiente, en un caso desfavorable como el anterior,
es más pronunciada y el incremento asciende al entorno de algo más de 1º por minuto.
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4.2.2 INTERCAMBIO PASIVO DE AIRE
Como decíamos antes la simulación de este sistema de refrigeración se realiza
sólo en la interfaz entre Excel y Matlab (precisamente se ha desarrollado y validado con
ANSYS esta interfaz para modelar todos los circuitos de refrigeración que se desee en la
interfaz y no mediante ANSYS, para ganar en rapidez y flexibilidad de modelado).
Algunos de los cambios bruscos que sufría el gradiente de temperaturas en el apartado
4.1.3 se identifican como las esquinas, entonces el intercambio pasivo de aire se realiza
en una de las éstas, concretamente para esta simulación se trata de la esquina
inmediatamente posterior al difusor tras la cámara de vuelo.
El circuito empleado para tal simulación es el correspondiente al del apartado 3.3.8.
Se plantean dos escenarios: condiciones normales (efecto de fricción y pérdida en
ventiladores) y condiciones desfavorables (efecto de fricción, pérdida en ventiladores y
salto térmico entre el interior y el exterior).
•
Condiciones normales:
Para estas condiciones la temperatura del aire interior y las paredes del conducto
comienzan la simulación a 298 K. En un ciclo (una vuelta del aire por el conducto)
se evacua el 80% del caudal (por la primera esquina) para ser renovado por aire del
exterior que se encuentra a una temperatura de 298 K. Los resultados son los
siguientes:
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Figura 42. Intercambio pasivo de aire. Aire interior
Se observa un calentamiento inicial, y en el momento del intercambio con el aire
de la atmosfera se produce un enfriamiento durante el transcurso de ese intercambio
para después continuar calentándose en el resto de tramos del conducto.
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•
Condiciones desfavorables:
Para estas condiciones el aire interior comienza la simulación a 298 K, mientras
que el conducto de acero se encuentra a una temperatura constante de 300 K debido
a condiciones externas. En un ciclo del aire por el conducto se efectúa la
evacuación del 80% del caudal para ser renovado por el aire exterior a una
temperatura de 298 K. Los resultados son los siguientes:
Figura 43. Intercambio pasivo de aire. Aire interior
Se aprecia una ligera ralentización en el calentamiento del aire pero que no tiene
consecuencias positivas en cuanto a la refrigeración ya que el aire puede alcanzar
un incremento de temperatura de 1-2ºC por minuto.
La pendiente de la temperatura en función del tiempo para un caso desfavorable
es más pronunciada, como era de esperar.
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4.2.3 INTERCAMBIADOR DE CALOR
En el capítulo 2 se proponía como tecnología de refrigeración emplear un
intercambiador de calor en el seno de flujo, alojado en una zona del conducto que fuese
de especial interés, por ejemplo donde se generarse una potencia térmica considerable.
La zona del túnel que mayor potencia térmica genera es la zona correspondiente
a los ventiladores que mueven el fluido, ya que a la potencia propia de la fricción del
aire con las paredes hay que añadirle las pérdidas en los ventiladores, pues
prácticamente toda la energía que se pierde en éstos se transforma en calor.
Los túneles cerrados que emplean los intercambiadores para evacuar el calor
sitúan los mismos en otras zonas alejadas de la zona de ventiladores, por ejemplo cerca
de la cámara de vuelo o cámara de ensayos. Como método alternativo lo que
proponemos a continuación es situar el intercambiador en la zona de los ventiladores y
de forma que la pérdida de carga que introduzca sea la menor posible (una de las
soluciones, que es la propuesta de este texto, es integrar el intercambiador en la
estructura de los ventiladores).
Figura 44. Glenn L. Martin wind tunnel, University of Maryland [www.eng.umd.edu, 2012]
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Se pueden observar, en la Figura 47, delante de los álabes del ventilador (en
rojo) unas diagonales que se alojan en el cuerpo del ventilador y tienen por misión fijar
el mismo al conducto. Lo que se pretende es aprovechar la geometría y ubicación de
estas diagonales o apoyos para introducir por ellos un fluido refrigerante que recorra
todo el cuerpo del ventilador (como si de la camisa de un cilindro se tratara) para
evacuar la potencia térmica del ventilador, la cual suele estar entorno a los 70 kilovatios,
a la vez que se refrigera el aire.
En nuestro caso, nuestros ventiladores presentan dos juegos de apoyos alojados
detrás de las palas o álabes. Un juego puede servir para introducir el elemento
refrigerante y el siguiente para sacarlo.
Los apoyos por los que se introduce y se saca el refrigerante se consideran
intercambiadores de flujos cruzados, pues los dos flujos (el aire y el refrigerante)
discurren en direcciones perpendiculares. El salto térmico que pueden experimentar
ambos fluidos es intermedio entre los flujos paralelos en equicorriente y en
contracorriente. El radiador de un coche es un claro ejemplo de uso habitual de este tipo
de intercambiadores.
Figura 45. Intercambiadores de calor, flujo cruzado [Apuntes de transferencia de calor, Universidad
Pontificia Comillas, Madrid 2008]
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El cuerpo del ventilador lleva alojada una camisa concéntrica con el eje del
mismo por la que discurrirá el refrigerante introducido por uno de los juegos de apoyos.
•
Procedimiento de cálculo para el intercambiador de calor:
La resolución del intercambiador requiere un proceso iterativo hasta
alcanzar una solución óptima y factible. En primer lugar trataremos el conjunto
(cuerpo del ventilador y apoyos) como un intercambiador único para después
comprobar los resultados con el método de la eficiencia-número de unidades de
transferencia, ε-NUT.
Conocida la geometría del ventilador y todos parámetros asociados a éste
(rendimiento, potencia nominal, etc.) procedemos a realizar las siguientes
consideraciones:
En primer lugar suponemos que para este caso de estudio la temperatura
del aire es de 33ºC, entorno de temperatura que no se debe superar en un ensayo
con personas dentro del túnel por generar una sensación de excesivo calor
durante el vuelo. Si la temperatura del aire interior del conducto supera el límite
antes citado la sensación térmica será de calentamiento; así por ejemplo si la
temperatura del aire es de 37ºC la sensación será de aproximadamente 39ºC a
unos 150 km/h. Del mismo modo para temperaturas por debajo de 33ºC, si la
temperatura del aire es inferior a dicho límite la sensación térmica será de
enfriamiento; así por ejemplo si la temperatura del aire es de 30ºC la sensación
térmica será de aproximadamente 28ºC a unos 150 km/h.
En segundo lugar supondremos una temperatura de salida del
intercambiador del aire (salto térmico objetivo que queremos conseguir en el
flujo de aire), fijaremos la temperatura de entrada al intercambiador del
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refrigerante y su flujo másico (teniendo en cuenta límites para velocidades de
estancamiento y sedimentación, la velocidad no debe ser nunca inferior a unos
0,5 m/s en el refrigerante) e iteraremos con la variable temperatura de salida del
refrigerante.
Se consideran las propiedades del aire constantes
en el rango de
temperaturas en el que nos movemos ya que su salto térmico es de unas décimas
de grado.
Una vez alcanzado el valor de la temperatura de salida del refrigerante
que presente una solución factible que permita evacuar la potencia por pérdidas
en los ventiladores y también refrigerar el aire interior del
conducto,
procedemos con la comprobación mediante las ecuaciones y correlaciones
correspondientes al método de la eficiencia-número de unidades de
transferencia, ε-NUT.
•
Solución:
Con un caudal másico del refrigerante entorno a los 10 m3/h conseguimos
evacuar la potencia térmica por pérdidas en los ventiladores y un salto térmico
en el aire que circula por el conducto de -0.5ºC, es decir, conseguir una
temperatura de salida del aire caliente de 32,5ºC.
Concluyendo, con el caudal de fluido refrigerante antes mencionado,
conseguiríamos evacuar una potencia térmica del entorno de los 200 kilovatios
por ventilador (el sistema completo de ventiladores comprende cuatro
ventiladores). El error cometido, comprobando con el método ε-NUT es inferior
al 0.1%.
Hay que decir que el caudal de refrigerante requerido es muy sensible al
salto térmico que se pretenda conseguir en el aire del conducto. Si por ejemplo
quisiéramos conseguir un descenso de la temperatura entorno a los 3ºC, por que
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Análisis de resultados
la situación lo requiriese, se necesitaría una bomba que fuese capaz de dar algo
más de seis veces más caudal que para un salto de 0.5 ºC.
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Futuros desarrollos y conclusiones
Capítulo 5 FUTUROS DESARROLLOS Y
CONCLUSIONES
5.1 CONCLUSIONES SOBRE LA METODOLOGÍA
La metodología seguida para el análisis térmico de un túnel cerrado se toma por
válida para estudiar este tipo de conductos, pues aunque los resultados para la interfaz
entre Excel y Matlab difieren en un 10-20% con los resultados obtenidos en ANSYS
CFD, como se explica en el capítulo 4, las hipótesis de cálculo para ambos métodos son
distintas y el orden de error es más que suficiente para clasificar los distintos sistemas
de refrigeración y determinar cuáles son los más interesantes para luego simularlos en
detalle en ANSYS.
Mientras que para la interfaz entre Excel y Matlab se consideraba un flujo
incompresible, donde las propiedades de aire solo dependían de la temperatura, para
ANSYS CFD se tomaba la hipótesis de flujo compresible (hipótesis que presenta unos
resultados más realistas).
Hay que decir que el tiempo de cálculo para ambos programas es muy diferente.
Aunque para la interfaz entre Excel y Matlab y para el estudio mediante elementos
finitos el tiempo de cálculo, depende sobre todo, del número de elementos a simular
(rebanadas del conducto en la interfaz Excel Matlab y elementos en el campo fluido en
ANSYS CFD) para la interfaz se requiere (en general) mucho menos tiempo de cálculo
(del entorno de unas cinco-diez veces menos para el tipo de problemas abordados). Por
ello en futuros desarrollos, donde de una forma rápida, se pretenda estimar el
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calentamiento en un tramo del túnel o en otro tipo de conducto se aconseja emplear la
interfaz entre Excel y Matlab.
5.2 CONCLUSIONES SOBRE LOS RESULTADOS
Según los modelos desarrollados, tanto en la interfaz entre Excel y Matlab como
en ANSYS CFD, arrojan resultados que, por el momento, se darán por buenos hasta que
dichos modelos puedan ser validados mediante ensayos empíricos en túneles reales.
Como se vio en el capítulo 4 el intercambio pasivo de aire con el exterior no es
suficiente para enfriar el aire, pues poco después de producirse la descarga al exterior
(para renovar el aire interior por aire proveniente de la atmosfera) se observa un
calentamiento progresivo. El tiempo que tarda el aire en alcanzar una temperatura poco
favorable para un ensayo después de ser intercambiado es excesivamente corto, por lo
que se considera que esta medida no es suficiente para enfriar el aire del conducto.
Por el contrario el estudio del intercambiador en el cuerpo del ventilador arroja
un resultado más favorable que el del intercambio pasivo de aire. Con el intercambiador
de calor conseguimos reducir 0,5ºC la temperatura del aire (para las condiciones
presentadas) además de refrigerar el ventilador, gradiente más que suficiente para el
correcto funcionamiento de la instalación. Sin embargo debe tenerse especial
precaución para conseguir refrigerar todo el flujo de aire y no sólo el aire próximo al
cuerpo del ventilador, para no tener unas zonas de la corriente más frías que otras.
En el caso de que por algún motivo haya que efectuar un mayor descenso de la
temperatura (reducir más de 0,5ºC la temperatura del aire interior), i.e. porque este
sistema de refrigeración deje de funcionar por un breve periodo de tiempo o por que las
condiciones sean adversas y desfavorables, se requerirá el uso del sistema de
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intercambio pasivo de aire. Por esto último se aconseja que este tipo de instalaciones
dispongan de ambos equipos de refrigeración.
5.3 FUTUROS ESTUDIOS
Resuelto el problema que plantean este tipo de instalaciones, mediante los
sistemas de refrigeración estudiados en el capítulo 4, para futuros desarrollos y estudios
queda como objetivo terminar de modelar y analizar las propuestas de refrigeración que
se expusieron en el capítulo 2 además de validar todas las que sean posibles mediante el
uso de túneles reales o prototipos a escala.
Una vez modeladas y analizadas todas las propuestas de refrigeración que se
presentaron en el capítulo 2, quedará como objetivo último la búsqueda del conjunto de
sistemas de refrigeración más eficiente. Esto se traducirá en que inicialmente es muy
probable que se necesite una mayor inversión de capital para la instalación de los
sistemas de gestión térmica propuestos, que posteriormente se reflejara como un ahorro,
ya que supondrán un menor consumo energético directo y una menor pérdida de carga
en el túnel, lo que proporcionará un menor coste de operación y mantenimiento durante
el funcionamiento de la instalación. Los sistemas térmicos propuestos se integrarán con
el resto de instalaciones del edificio (climatización, agua caliente sanitaria, etc.) para
asegurar una máxima eficiencia energética global.
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BIBLIOGRAFÍA
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