Desarrollo y evaluación de un dispositivo de intercambio térmico con esponja metálica como elemento de transferencia del calor

Abstract

El consumo de energía en el mundo crece de continuo, acompañando el desarrollo tecnológico de nuestras sociedades modernas. Las investigaciones científicas y tecnológicas proponen soluciones y oportunidades para reducir le demanda de energía, como en el caso particular de los equipos para aplicaciones de Calentamiento, Ventilación y Aire Acondicionado, HVAC por su sigla en inglés. El componente principal de un equipo HVAC es el intercambiador de calor, quienes además juega un rol fundamental también en otras aplicaciones de carácter industrial, produciendo un impacto significativo en la eficiencia energética, costos y dimensiones del sistema de intercambio térmico. Por lo tanto, la posibilidad de contar con un intercambiador de calor más eficiente y compacto es una alternativa interesante. En este proyecto se desarrolla un sistema de intercambio térmico compacto que introduce las esponjas metálicas como elementos para transferir el calor. La solución que se investiga mediante el proyecto es de aumentar la superficie de transferencia térmica usando materiales celulares, en particular espumas metálicas de celda abiertas o esponjas metálicas (open cell metal foam o metal sponge, en inglés). El propósito es brindar una alternativa a los sistemas de intercambio térmico que usan por ejemplo aletas a forma de láminas, de más compleja manufactura, y que requieren inversiones importantes en su mantenimiento. Se valora, además, la posibilidad de usar materiales celulares en el caso de la transferencia de calor que emplea efectos magnetocalóricos en los procesos de refrigeración magnética. En este último caso, el desarrollo de la investigación se realiza con el apoyo de un trabajo de Doctorado en Ingeniería, con una dedicación específica al tema del intercambio térmico con efectos magnetocalóricos. En el proyecto se han usado dos métodos efectivos para evaluar los dispositivos de intercambio térmico, el trabajo experimental y las técnicas computacionales, apoyadas con enfoques que involucran competencias analíticas avanzadas, simulación y modelado virtual de componentes. Para los experimentos, se ha diseñado y construido el sistema del flujo al intercambiador, con accesorios e instrumentos para la adquisición de datos. Además, se ha diseñado y fabricado el componente principal del intercambiador, seleccionando esponjas metálicas y otros materiales. Se han planificado los experimentos y evaluado el desempeño térmico del sistema. Con los primeros resultados, se han realizado ajustes al intercambiador para su configuración final. Para el trabajo de modelación y simulación se han investigado los modelos computacionales de energía y flujo y usado software computacional (CAE) de última generación como es Comsol Multiphysics. Sucesivamente se ha desarrollado el modelo del dispositivo de intercambio térmico y simulado el intercambiador del sistema experimental con el propósito de validar los resultados computacionales. Mejorado el modelo, este se ha usado para simular otros casos de interés, evaluando el intercambiador en distintas condiciones que permitan establecer su eficiencia en términos más generales. También, en el marco de este proyecto se ha presentado y desarrollado un modelo bidimensional de un regenerador magnetocalórico activo (AMR, por su sigla en inglés), construido con placas paralelas que albergan el material poroso e incorporando materiales magnetocalóricos. Una última parte de la investigación se ha centrado en la evaluación estadística de la capacidad térmica, eficiencia y desempeño energético del sistema de refrigeración magnética con AMR porosos, propuestos como elementos para el intercambio y la regeneración del calor.