La mayoría de los evaporadores de refrigeración para enfriamiento de aire usan el concepto de intercambiador de tubos y aletas, en que un refrigerante se evapora en el interior de tubos horizontales que forman un haz. Dado que el coeficiente convectivo del aire exterior es mucho menor que el de evaporación, la superficie externa se extiende mediante aletas paralelas que abarcan el haz completo. Para los coeficientes convectivos externos en flujo cruzado de aire respecto al haz de tubos se dispone de varias correlaciones empíricas. En la presente memoria se realiza la determinación de los coeficientes externos mediante simulación numérica, usando el software Comsol. Dada la complejidad geométrica de estos equipos, que requiere de computadores de gran capacidad de memoria y de procesamiento, se restringió el estudio a 6 casos con tubos en línea, variando el diámetro y los espaciados de tubos paralelo y transversal al flujo, usando valores recomendados para estos parámetros. Aunque el flujo es tridimensional, se debió restringir el estudio a una versión bidimensional de los arreglos, consistente en una estructura básica de 4 tubos. Además se desacoplaron los fenómenos de transferencia de calor entre el aire y los tubos, de la transferencia de calor en las aletas. Se creó un modelo de flujo y transferencia de calor a bajos números de Reynolds (10³-10) para determinar coeficientes convectivos en la configuración de 4 tubos, arrojando dependencias entre el coeficiente convectivo y el número de Reynolds. Los modelos se validaron por comparación con resultados empíricos para el caso de tubo único. El análisis de los campos de flujo y temperatura caracteriza el fenómeno como uno de capa límite. En la selección de mallas se intentó suprimir las oscilaciones numéricas en el coeficiente superficial de convección alrededor del tubo, y reproducir su evolución lo largo del arco, según se describe en la literatura. Para las aletas se usó un modelo de conducción 3D aplicado a una configuración unitaria de 4 tubos, variando el espesor y el número de Reynolds del flujo. Se comprobó que las aletas de aluminio entregan eficiencias superiores al 70%. Los coeficientes convectivos se representaron por una expresión en términos de los parámetros independientes. Las restricciones geométricas indicadas, así como el estrecho rango de Reynolds usado, limitan la generalidad de esta expresión. Se indican las directrices generales para la continuación de este estudio

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Ingeniero Civil Mecánico / Los medios porosos no homogéneos están presentes en un amplio rango de aplicaciones, como es el uso de catalizadores. Estos materiales se generan a partir de compactación de polvos para formar pellets de diferente configuración geométrica. El correcto control de las reacciones químicas en la superficie de catalizadores puede influir en la eficiencia de estos materiales. Por otra parte, la transferencia de calor inversa busca estimar las causas que producen un efecto conocido en un problema de transferencia de calor, siendo uno de los más habituales el de la estimación de propiedades dependientes de temperatura, cuya resolución numérica es la más común. Este trabajo consiste en la determinación de un modelo de conductividad térmica para el material, en función de la posición espacial y el tiempo, mediante transferencia de calor inversa. Analizando así otro método de estimación de esta propiedad, frente a los métodos utilizados regularmente. Se dispone de videos termográficos, que muestran la distribución de temperaturas de la superficie de una pastilla de alúmina con platino. A través de un software de regresión simbólica, y luego de procesar los datos del video elegido, se encuentran funciones de temperatura que dependen de la posición en la superficie. Considerando más fotogramas del video, se obtienen funciones dependientes también del tiempo. Mediante análisis de error y forma se escogen las mejores funciones de los dos tipos. Para encontrar modelos de conductividad térmica se utiliza un método analítico y uno numérico. El método analítico se basa en la resolución de la ecuación diferencial de calor utilizando las funciones de temperatura. El resultado de este método no es satisfactorio por presentar valores sin sentido físico en algunas zonas. El método numérico encuentra modelos realizando regresión simbólica a datos de conductividad encontrados por una iteración numérica que utiliza la ecuación de calor y diferencias finitas. Las funciones de conductividad encontradas no se ajustan bien a todos los datos, pero tienen valores dentro de los rangos esperados. Los modelos encontrados mediante el método numérico se consideran válidos y aplicables para problemas que utilizan un catalizador de material similar.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo trata de un estudio numérico mediante el código Fire Dynamics Simulator (FDS) de las cortinas de aire Doble Jet-Doble Flujo y su eficiencia como dispositivos de confinamiento de calor producido por incendios al interior en túneles viales, enmarcándose en el proyecto FONDECYT Nº 1085015. Se modelo la instalación experimental del Laboratorio de Estudios en Fluidodinámica, asociado al Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile que corresponde a un túnel a escala que contiene una fuente térmica y dos cortinas Doble Jet-Doble Flujo que buscan confinar calor. Las simulaciones numéricas se realizaron mediante el código FDS en el Clúster Levque del Centro de Modelamiento Matemático de la Universidad de Chile (CMM). Se consideró la condición de paredes no adiabáticas del túnel y un mayor número de puntos de medición que estudios anteriores. El tratamiento de la turbulencia se realizó mediante el modelo Large Eddy Simulation (LES). Con el fin de validar el modelo, en una primera etapa se simularon dos casos en base a estudios paralelos, uno experimental realizado por Schneider J. y otro numérico con FLUENT realizado por Castro J. En una segunda etapa se simularon ocho casos de velocidad baja, identificando el número de Reynolds límite del Doble Jet-Doble Flujo para que la cortina no se despegue de la superficie y cumpla su rol confinatorio. De acuerdo es esto, para cuatro de los ocho casos, se analizó la similitud correspondiente a los perfiles de velocidad y temperatura, y se construyeron distintas curvas asociadas al transporte turbulento de cantidad de movimiento y de calor. Además de identificar las estructuras rotacionales asociadas al transporte turbulento, como lo son los vórtices de Kelvin-Helmholtz y los de Görtler. Con esto se pudo corroborar la efectividad de las cortinas Doble Jet - Doble Flujo como sistema de confinamiento, concluyendo que para velocidades bajas en los jets de la cortina, la configuración más eficiente en cuanto a confinamiento es la correspondiente al jet de recirculación más rápido.

Ingeniera Civil Química / La vulcanización de neumáticos es un proceso químico que requiere escencialmente calor para llevarse a cabo. Las prensas de vulcanización son los equipos en donde se realiza de forma continua este proceso, su estructura abarca, entre otras partes, el molde que le otorga la forma al neumático y los conductos que permiten el ingreso de vapor. Este vapor es utilizado como fuente de calor por lo que se encuentra a altas presiones y temperaturas. Conocer las formas en que se transfiere el calor dentro y en las vías de suministro a una prensa, permite proponer alternativas que disminuyan el gasto energético y optimicen el proceso. Con este fin, se realizó un modelo que considera tanto la estructura de la prensa y el neumático, como las principales etapas del ciclo de operación de la prensa para, mediante la resolución de un sistema de ecuaciones diferenciales parciales con la implementación de elementos finitos, obtener un perfil de temperaturas, a partir del cual se pudo estudiar la transferencia de calor en el neumático. Se obtuvo que el calor entregado a través del vapor corresponde a un porcentaje menor al 1% del calor que efectivamente ingresa a la prensa, lo atribuible a la geometría del sistema. También se determinó que el mecanismo preponderante en la transferencia de calor hacia el neumático, es la convección, por lo que el movimiento de los fluidos cobra gran importancia. Por otro lado, se obtuvo un buen ajuste del modelo a los datos experimentales, particularmente en la etapa de enfriamiento del neumático. La otra parte del estudio consistió en encontrar mejoras a la disipación de energía que se da en las cañerías que transportan el calor hacia la prensa. Se propuso implementar dos tipos de aislaciones, por lo que se realizaron una serie de pruebas para determinar cuál tipo presentaba un mejor desempeño como aislante, determinándose que la aislación de tipo rígida, conformada por una capa interna de lana mineral y una externa de zincalum, permitiría ahorrar 794 [ton/año] de vapor de agua por prensa.

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo consiste en simular, mediante Ansys Fluent, el fenómeno de transferencia de calor entre un flujo de aire y la superficie externa de un intercambiador de calor con aletas (ICA) y generadores de vórtices longitudinales (GVL). Los GVL, al aumentar la transferencia de calor, permiten disminuir costos a través de ahorro de material o consumo energético. El objetivo de este trabajo es evaluar térmicamente un flujo de aire externo en un ICA con y sin GVL mediante un modelo computacional. Para esto, el trabajo se divide en 5 etapas sucesivas: (1) definición del modelo a estudiar, (2) validación del modelo e independencia del mallado, (3) simulación de 8 casos en un ICA variando la geometría y posición del GVL para los Reynolds 180, 360, 540 y 720, (4) análisis de los resultados de las simulaciones y (5) conclusiones. Los 8 casos tienen el nombre según la geometría del GVL: Delta, Rectangular, Cucharón, Elipse 1, 2, 3, 4 y 5. A partir de los resultados, se confirma la validación del mallado: las simulaciones con respecto al estudio previo, muestran diferencias máximas de 5 y 6% en f y Nu respectivamente. Se concreta la independencia del mallado, el mallado medio con respecto al mallado fino tiene diferencias de 1 y 0,2% en j y f respectivamente. En todos los casos con GVL, excepto en el caso Cucharón, la principal característica del flujo es la presencia de un vórtice longitudinal (VL) que se propaga en dirección del flujo principal. En el caso Cucharón se observan dos VL no simétricos con baja intensidad. Los VL en todos los casos afectan el comportamiento térmico principalmente de dos maneras: mayor mezcla del flujo y adelgazamiento de la capa térmica, ambas provocando un aumento en la transferencia de calor. El mayor aumento de calor comparado con el caso Base para un mismo Redh se da con el caso Delta con un aumento del 14% para Redh 720. El mayor aumento de caída de presión en comparación con el caso Base para mismo Redh se da con el caso Elipse 1 con un aumento del 20% para Redh 720. La mayor transferencia de calor, comparando los casos bajo una misma potencia de flujo, se da para el caso Delta, para un Redh mayor a 360. Para un Redh menor a 360 los resultados en la transferencia de calor son similares entre todos los casos. Se concluye que el caso Delta tiene el mejor desempeño en términos de transferencia de calor que el resto de los casos, considerando además sus ventajas en su manufacturación (simpleza en su geometría de GVL y posibilidad de troquelado). Para los Reynolds de estudio, el aumento de transferencia de calor global tiene concordancia con la intensidad del VL; mayor intensidad indica mayor calor. La intensidad del VL se relaciona a la vez con el área frontal del GVL; al aumentar el área frontal, manteniendo constante la geometría del GVL, la intensidad del VL aumenta. La geometría del GVL también juega un rol importante en el la formación del VL y por lo tanto, en el aumento de calor.

Ingeniero Civil Mecánico / Los sistemas de climatización con energía geotérmica, aprovechan la estabilidad de temperatura que tiene el subsuelo para extraer calor de la vivienda y transferirlo al suelo, o de forma inversa, extraer calor del suelo y transferirlo a la vivienda (depende si se trata de invierno o verano). Para realizar esto se usan tubos enterrados en que se hace circular un fluido interiormente para transportar el calor. En la literatura se proponen métodos incompletos para calcular la capacidad de transferencia entre los tubos enterrados y el suelo, ya que no se considera la modificación de temperatura del suelo alrededor de los tubos enterrados. En este trabajo, usando simulaciones numéricas, se resuelve el campo de temperaturas alrededor de los tubos en función del tiempo y se determina la resistencia térmica del suelo. Usando los resultados de estas simulaciones, se propone una fórmula (en función de las variables relevantes) para estimar de forma sencilla el promedio de capacidad de transferencia que tendrá un tubo. Se realizan simulaciones con 2 y 3 tubos paralelos, para evaluar la disminución de la capacidad de transferir calor debido a la interferencia térmica que se produce entre tubos cercanos. Estos resultados muestran que el espaciado, es un factor importante a la hora de diseñar un circuito de tubos enterrados, ya que con arreglos muy compactos se disminuye en más un 50% la capacidad de captar calor. Con los resultados de las simulaciones se evalúan cuatro casos, para determinar cuán importante es agregar la resistencia térmica del suelo, a las conocidas y bien estudiadas resistencias térmicas de la pared del tubo y del fluido interno. De forma general, el suelo restringe el flujo de calor (más que la pared y el fluido interno) y se vuelve el elemento clave para determinar la capacidad de transferencia. Cuantificar este fenómeno, permite diseñar sistemas de colección, tomando en cuenta la resistencia térmica del suelo y determinar correctamente la capacidad de transferir calor. Así, se puede generar una solución acorde a la demanda térmica requerida.

Ingeniero Civil Mecánico / La energía geotérmica de muy baja entalpía representa una importante fuente de energía dado que puede ser utilizada en cualquier lugar y cualquier momento, además de su alta confiabilidad. La relativa constancia de la temperatura del suelo a profundidades mayores de 5 [m] hace de este medio una fuente térmica importante y estable. Los sistemas de intercambio térmico agua-tierra se han usado en países con estaciones marcadas para satisfacer requerimientos de climatización. Para obtener/disipar el calor, según la estación, y generar una simulación correcta se deben conocer las propiedades reales del medio, en este caso el suelo, donde estará instalado el intercambiador. Para esto, se recopila información de propiedades físicas de suelo para realizar una simulación lo más realista posible; las condiciones del problema obligan a analizar la tridimensionalidad de éste, siendo un objetivo de la memoria. Se estudia la transferencia de calor a disipar durante la estación de verano y temperatura de salida del fluido de trabajo vía modelación numérica de la temperatura alrededor de arreglos de tubos. Con estos resultados se obtiene información válida para el diseño de estos intercambiadores. Como resultado se obtuvo valores de transferencia de calor y temperatura de salida del fluido circulante, para una, dos, tres, cinco y diez sondas en serie y dos líneas de diez sondas en serie, con perfiles de temperatura a diferentes tiempos de la estación de verano, junto con valores de transferencia de calor promedio para diferentes mallados, largos de sonda y velocidad de entrada del flujo de trabajo para la sonda individual y para la sonda doble con diferentes largos de conexión, con un set de propiedades térmicas de suelo propias del sector de Talagante. Se obtuvo también una expresión simplificada del calor obtenido por un conjunto de líneas de sondas en paralelo dadas las condiciones del sistema (con diez sondas en serie por línea con aproximadamente 330 metros de tubería): Qnlineas = n*Q1linea; n pertenece a los naturales; Q1linea = 2.671,5 [W] Para este caso define la transferencia de calor total promedio de n líneas en paralelo, comparable con la necesidad de algún sector en el que se pueda instalar el equipo.

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En la presente tesis se efectúa un estudio del comportamiento térmico de tableros de puente a partir de los datos de su geometría, para lo cual es preciso definir una clasificación de los tableros de puente a efectos térmicos. Se introducen como condiciones de contorno los datos de la temperatura ambiente y radiación a lo largo del día. Para resolver la conducción de conducción de calor se han creado dos programas de ordenador que permiten obtener el campo de temperaturas en el tablero y se ha efectuado el consiguiente estudio paramétrico de los variables que influyen en el problema. Se propone una modificación del sistema de obtención del diagrama momentos-curvatura que considere el estado de auto tensión térmica.