Determination of the optimum tilt angle of vortex generators build-on louver fins

Resumen

Los intercambiadores de calor compactos son dispositivos encargados de transmitir el calor entre dos fluidos que se encuentran a diferentes temperaturas. Constituyen un componente esencial en muchos de los procesos que facilitan la vida cotidiana. Este artículo presenta un estudio numérico de intercambiadores de calor compactos con tubos circulares y aletas tipo veneciana con generadores de vórtices. Se determina la influencia del ángulo de inclinación de los generadores de vórtices sobre la transferencia de calor y la caída de presión. Se utiliza un modelo numérico 3D dentro del régimen laminar con número de Reynolds igual a 350. Se construyen dieciocho geometrías según un diseño experimental basado en la técnica del hipercubo latino. La eficiencia de la aleta se determina mediante el método de Schmidt. Para optimizar dos objetivos contrastantes (factor de fricción y factor de Colburn) se consideró un enfoque de optimización multiobjetivo utilizando metaheurísticas. Este enfoque permite obtener un frente de Pareto con quince soluciones no dominadas. Se utilizó una relación matemática para comparar los resultados obtenidos. Es interesante resaltar que la optimización permite encontrar soluciones que intensifiquen la transferencia de calor en un 7% con solo un 5% de aumento en la pérdida de presión.

Palabras clave:

Diseño paramétrico, CFD, análisis termohidráulico, intercambiadores de calor compactos, simulación numérica, metaheurísticas.

ABSTRACT

Compact heat exchangers are devices responsible for transmitting heat between two fluids that are at different temperatures. These constitute an essential component in many of the processes that facilitate daily life. This paper presents a numerical study of compact heat exchangers with circular tubes and louver fins that use vortex generators. The influence of the inclination angle of the vortex generators on the heat transfer and the pressure drop is determined. A 3D numerical model is used within the laminar regime with Reynolds number equal to 350. Eighteen geometries are constructed according to an experimental design based on the Latin Hypercube technique. The efficiency of the fin is determined by using the Schmidt method. In order to optimize two contrasting objectives (friction factor and Colburn factor) a multi-objective optimization approach was considered by using metaheuristics. This approach allows to obtain a Pareto set with fifteen non-dominated solutions. The area goodness criterion was used to compare the obtained results. It is interesting to remark that the optimization allows finding solutions that intensify heat transfer by 7% with only a 5% increase in pressure loss.

Keywords:

Parametric design, CFD, Thermohydraulic analysis, Compact heat exchangers, numerical simulation, metaheuristics.