La finalidad de este proyecto era analizar mejoras de diseño en un intercambiador de calor de una caldera de condensación de biomasa de BioCurve. Para ello era necesario resolver la zona por donde circulan los gases de combustión (lado gas), pero, también, la zona por donde circula el agua (lado agua).

Modelo CFD intercambiado de calor en calderas de condensación

La aplicación de la fluidodinámica computacional (CFD) a intercambiadores de calor en calderas de condensación aumenta la complejidad de la simulación dado que se requiere modelar la condensación de vapor, un proceso en donde se combinan transferencia de masa y energía. Además, para este caso, se tenía que resolver simultáneamente el lado gas y el lado agua. Generalmente, sólo se simula el lado gas, dado que es donde se produce el mayor gradiente de temperaturas entre entrada y salida. En el lado agua se supone una temperatura constante. Ello simplifica el modelo CFD requerido.

Esquema-caldera-condensación

nablaDot desarrolló un modelo ad-hoc para simular el fenómeno de la condensación en un intercambiador de calor. Además, para este mismo intercambiador, se creó una metodología para resolver simultáneamente el lado gas y el lado agua.

resultados-caldera-condensación

Validación

El modelo CFD desarrollado se aplicó a una caldera existente y se compararon los resultados con medidas experimentales. La desviación entre los resultados CFD y las medidas experimentales fue menor del 4.5% para nueve modos de operación analizados.

Análisis de nuevos diseños

Una vez validado el modelo CFD, este se utilizó para estudiar diferentes diseños del intercambiador, modificando tanto el lado gas y el lado agua. Aunque el diseño del lado gas tiene un mayor impacto en la transferencia de calor, se demostró que el estudio del lado agua permite mejorar la eficiencia de la caldera.

La combinación de diferentes medidas consiguió incrementar el coeficiente global de transferencia del calor en un 50% respecto al diseño actual. Como desventaja, la pérdida de carga en el lado también se incrementó.

Publicación

La innovación presente en este proyecto (modelo CFD, nuevos diseños, etc.) ha hecho a este trabajo merecedor de ser publicado en una revista internacional de prestigio.

An OpenFOAM-based model for heat exchanger design in the Cloud. Applied Thermal Engineering. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431117349840