Estudio de la transferencia de calor y masa de una cavidad con ventilación

Abstract

En este trabajo se estudió numérica y experimentalmente la transferencia de calor en cavidades ventiladas en régimen de flujo turbulento y estado permanente. Se presentan los resultados numéricos y su comparación con resultados experimentales de una habitación a escala con dimensiones de 1.0 x1.0 x 1.0 m donde la pared derecha recibe un flujo de calor constante y uniforme (q") y la pared izquierda se mantiene a una temperatura constante (Tc=298 K). Las dimensiones de las entradas y salidas fueron de 0.08 m x 0.08 m, mientras que el aire entra a la cavidad con velocidades de 0.1 y 0.5 m/s. Los resultados de temperatura se presentan en forma de perfiles los cuales para el estado permanente; asimismo, se analizan los efectos del número de Rayleigh, número de Reynolds así como el efecto de variar la posición de la entrada del aire. Para la comparación de los resultados experimentales y numéricos se graficaron las diferencias porcentuales entre todos los perfiles de temperatura a las alturas y profundidades medidas. También se muestran los valores de temperaturas promedio en la pared caliente, pared fría y en las salidas de aire, con el porcentaje de diferencia y la diferencia en K entre la temperatura experimental medida y correspondiente numérica. Se realizó el análisis de los resultados numéricos obtenidos para una habitación a escala real donde se estudió el movimiento del aire y la transferencia de calor por convección mixta y radiación térmica. Las dimensiones de las habitación fueron de 3.0 m x 2.5 m x 3.0 m, mientras que las aberturas fueron de lx=0.2 m y ly=0.1 m. Los resultados se obtuvieron aplicándose un flujo de calor sobre la pared derecha de 300 W/m2, la emisividad de las paredes fue de 0.8, velocidad del aire en la entrada fue 0.5 m/s y temperatura de entrada del aire de 285 K, la cual es típica de sistemas de refrigeración. Se presentan resultados en forma de vectores y magnitudes de velocidad, campos de temperatura, así como un análisis detallado de la transferencia de calor. El análisis de la trasferencia de calor se realizó en términos de los coeficientes convectivos promedio y del número de Nusselt promedio en las paredes; además de un análisis detallado de la distribución del flujo de calor total y radiativo en la pared fría. Como consecuencia del análisis se encontró que los coeficientes convectivos promedio (h) no son suficientes para proporcionar una perspectiva completa del fenómeno de la transferencia de calor. Como consecuencia se encontró que para realizar un estudio completo y confiable es necesario considerar otros parámetros adicionales al coeficiente convectivo promedio (h). Es decir, realizar cálculos y análisis de la distribución del flujo de calor total y radiativo en las paredes, debido a que se ha encontrado en los estudios de habitaciones con ventilación aparecen flujos de calor totales y radiativos en dirección opuesta, lo que puede causar que el coeficientes promediados no sean representativos del fenómeno que está ocurriendo en las paredes. Por último se realizó un estudio del movimiento del aire y la transferencia de calor en una habitación bidimensional ventilada con una fuente de calor y producción de CO2. Se consideró la convección natural y forzada acoplada con el intercambio radiativo entre las paredes y la fuente de calor. Los resultados se obtuvieron para dos valores de emisividad: 0.0 y 0.8, dos velocidades de aire de 0.05 y 0.5 m/s, mientras que la temperatura de entrada del aire se consideró como Ten= 298.15 K (25°C). Con los parámetros estudiados se agruparon resultados en los siguientes cinco casos: 1) Transferencia de calor dominada por convección natural, 2) Convección forzada, 3) Convección mixta, 4) Convección natural con radiación térmica y 5) Convección mixta con radiación térmica. Se presentan los resultados en forma de patrones de flujo, campos de temperatura y de distribución de CO2, así como un análisis detallado de la transferencia de calor en términos de números de Nusselt promedio, radiativos y convectivos promediados (Nut ,Nur yNuc ). Se encontró que la concentración promedio de CO2 es influenciada fuertemente por la convección forzada, produciéndose una disminución del 98% en el porcentaje del CO2 en la habitación comparado cuando se considera la convección natural solamente.