Análisis de Transferencia de Calor

Análisis de transferencia de calor con Solidworks Flow Simulation.

 

Una de las actividades que realizamos a diario es tomar una ducha. Es muy común que estemos ajustando la apertura de las llaves del agua para regularla y encontrar la temperatura preferida: Si está muy fría, abrimos un poco más la llave del agua caliente; por el contrario, para enfriarla, abrimos la del agua fría. Pero, te has puesto a pensar en ¿cómo se combina esta agua a diferentes temperaturas?

Cuando tenemos la presencia de una diferencia de temperaturas, ocurre un fenómeno que llamamos transferencia de calor: el cuerpo con temperatura alta perderá parte de su energía al cederla al que tiene una temperatura más baja, este último ganará energía.  Ese intercambio de calor se suspende en el momento en que ambos cuerpos hayan alcanzado la misma temperatura, es decir, alcancen el equilibrio térmico.

Vamos a suponer el caso en que abrimos al mismo tiempo la llave del agua caliente y la del agua fría y en ambas sale la misma cantidad. La primera está a 40°C mientras que la segunda a 20°C, ¿A qué temperatura estará el agua que saldrá de la regadera?

La teoría nos dice que la cantidad de calor que pierde o gana un cuerpo se relaciona a la masa, calor específico y diferencias de temperatura del cuerpo, matemáticamente se expresa mediante:

El calor específico del agua es: 1 cal/gr °C, lo que significa que se necesita 1 caloría para subir 1 °C 1 gramo de agua.

Sustituyendo valores, tenemos:

Resolviendo, tenemos que:

Una de las soluciones del portafolio de simulación de Solidworks es Flow Simulation la cual utiliza el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) para permitir una simulación rápida y eficaz del flujo de fluidos y transferencia de calor. CFD simula el paso de fluidos (líquidos o gases) a través de un objeto o a su alrededor. El análisis puede ser muy complejo; por ejemplo, puede contener en un cálculo transferencia de calor, mezclas, y flujos inestables y compresibles.

Con el fin de verificar los resultados teóricos previos podemos hacer un modelo sencillo que represente las dos llaves y la regadera. Con el fin de realizar la simulación, el modelo se simplificará:

Modelo de llaves y regadera	Modelo simplificado

En Flow Simulation se establecen fácilmente las condiciones de entrada y salida de agua a diferentes temperaturas. En este primer modelo no se tendrá en cuenta el efecto de la gravedad, los resultados son:

Perfiles de temperatura y flujo sin efecto de la gravedad

 

En efecto, la temperatura promedio de la mezcla a la salida es bastante similar al cálculo teórico: 30°C.

Sabemos que los cálculos teóricos asumen condiciones ideales y nos dan una aproximación de lo que sucede. Si revisamos la ecuación matemática que describe este fenómeno podemos notar que no se toman en cuenta condiciones que en el mundo real se presentan, como por ejemplo el efecto de la gravedad,  perfiles de velocidad,  presiones atmosféricas, entre otros más. Los resultados que se obtienen a partir de simulaciones que contemplan estos efectos tienen mayor sentido y semejanza al mundo real.

Como segundo ejercicio consideraremos el efecto de la gravedad.

Perfiles de temperatura y flujo con efectos gravitacionales.

 

La temperatura promedio de la mezcla a la salida es de 24.29 °C. En este caso podemos ver tanto un régimen del fluido como un perfil de temperatura distinto, ambos influenciados por efectos de la gravedad. Conforme aumenta la temperatura del agua, su densidad disminuye, por lo tanto se hace más “ligera” y en consecuencia tiende a subir. Por tanto el agua caliente se encontrara en la parte superior y el agua fría en la inferior.

[Este mismo fenómeno de densidades lo puedes observar cuando sueltas un globo de helio, al ser más ligero que el aire, el helio tiende a subir].

Perfiles de temperatura a la salida.
Caso1: Sin efecto de la gravedad.	Caso 2: Con efecto de la gravedad.

 

La transferencia de calor no está restringida a fluidos, sino también entre sólidos o sólido y fluidos. Su estudio es de vital importancia y tiene un sinfín de aplicaciones, desde tan sencillas y cotidianas como la que estudiamos hasta aplicaciones en muchos campos de la industria: sistemas de calefacción, refrigeración y acondicionamiento del aire, congeladores, calentadores de agua, planchas, televisiones, e incluso el dispositivo con el que lees este blog.

No tener al alcance la capacidad de predecir el impacto de dichos flujos en el rendimiento de un producto resulta lento y costoso si no se utiliza ningún tipo de herramienta de simulación. El análisis de SolidWorks CFD para el flujo de líquidos, gases o la transferencia de calor puede ayudar a desarrollar diseños innovadores y a obtener una mayor eficacia del producto.

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