Desarrollo de una metodología CFD en sistemas de intercambio térmico con cambio de faseAplicación a un sistema WHRS para automoción.

Resumo

Los sistemas de recuperación de calor residual, en inglés Waste Heat Recovery Systems (WHRS), son un conjunto de diferentes tecnologías y enfoques para recuperar y reconvertir en trabajo útil parte del calor residual que se pierde en una máquina térmica, obteniendo con ello una mejora en su rendimiento y una reducción en su consumo de combustible. Dentro de las diversas tecnologías que se engloban dentro de los WHRS, se encuentra el Ciclo Orgánico de Rankine, en inglés Organic Rankine Cycle (ORC). Este Proyecto de Tesis se enfoca en uno de los principales componentes de un ORC para WHRS: el evaporador, particularmente desde el punto de vista del fluido de trabajo, en inglés Working Fluid (WF). El objetivo de este Proyecto de Tesis, presentado bajo la modalidad de compendio de artículos de investigación, es el estudio de la evolución del WF a su paso por el evaporador de un ORC para WHRS, y en la implicación que tiene el proceso de transición de fase tanto en la eficiencia térmica del evaporador como en su pérdida de carga. Para ello, se ha diseñado una metodología para predecir estos dos fenómenos, utilizando un software comercial de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y el análisis de resultados experimentales. Siendo conocidas las limitaciones de los software CFD comerciales como herramienta predictiva para regímenes multifásicos, y en base a un modelo físico 1-dimensional obtenido tras una revisión bibliográfica de los modelos ya existentes en la literatura, la metodología presentada en este Proyecto de Tesis se basa en acoplar dicho modelo físico 1-dimensional para el modelado del WF con una simulación 3-dimensional CFD para el modelado del aire y del metal del evaporador. Esto se ha realizado mediante la implementación de una rutina externa creada para este fin en el software CFD comercial ANSYS Fluent. Esta metodología de acoplamiento permite predecir con un reducido coste computacional diversos datos de interés del WF, como son la temperatura de salida, los puntos de comienzo y fin de la evaporación, la pérdida de carga, o el punto de comienzo de la crisis de la ebullición o dryout. Al mismo tiempo, el software CFD permite obtener mapas de temperatura de pared o temperatura de salida del aire, entre mucha otra información. Los resultados de eficiencia térmica y pérdida de carga obtenidos usando la metodología propuesta en este Proyecto de Tesis fueron contrastados con los resultados obtenidos en un banco experimental concebido para el estudio de evaporadores de un ORC. Los mapas de temperatura de las paredes exteriores del evaporador obtenidos mediante las simulaciones CFD también fueron contrastadas con las mediciones experimentales realizadas mediante una cámara termográfica.