CDF, aplicación en sistemas HVAC

La dinámica de fluidos computacional (CFD) es el área del conocimiento que trata sobre la simulación numérica de flujos fluidos, transferencia de calor y reacciones químicas (ESSS, 2016). Esta área parte de la combinación de la mecánica de fluidos y el cálculo numérico, implementado a través del uso de la capacidad de cómputo para resolver ecuaciones de continuidad en todo el volumen analizado. Su aplicación permite la posibilidad de analizar, planificar y gestionar los recursos necesarios para desarrollar un producto nuevo o determinar las caracterizas de uno nuevo con condiciones geométricas o de flujo complejas que no se podrían resolver analíticamente.

Ilustración 1. Análisis CFD difusor L-AV, Laminaire (2021)

La aplicación de CFD en sistemas HVAC tiene su importancia en la capacidad de analizar el desempeño de los productos y determinar el comportamiento del fluido que interactúa con el elemento HVAC. En muchas ocasiones la medición de variables para determinar el desempeño de un producto requiere bancos de pruebas especializados y acondicionados que tienen un valor elevado que muchas empresas no pueden costear, ante esta problemática se puede utilizar el análisis CFD para obtener un resultado que debe ser analizado detenidamente desde el punto teóricos de la mecánica de fluidos con el fin de determinar si los resultados son correctos y corresponden al fenómeno que ocurre.

ESTRUCTURA DE UNA ANÁLISIS CFD

Existen 3 pasos básicos que se siguen para hacer un análisis CFD de un producto:

  1. Pre-Procesamiento: En este punto se definen los objetivos de la simulación, realizar simplificaciones posibles, evaluar las condiciones de frontera, generar el modelo CAD, Creación de la malla y la configuración de la simulación.
  2. Procesamiento: Evaluar la convergencia de la solución.
  3. Post-Procesamiento: Obtener los cálculos de las variables, las gráficas, animaciones, videos y todo lo necesario, también se debe validar el modelo con datos experimentales y/o analíticos.

Entonces ¿Por qué no todas las empresas utilizan la simulación de fluidos en el diseño de productos?

Para realizar una buena simulación de flujo se deben tener una serie de herramientas y conocimientos específicos para que los resultados obtenidos tengan relación con la realidad. Entre las dificultades para realizar un buen análisis CFD están (SimScale, 2021):

  • Accesibilidad y Costos operativos: Las herramientas para realizar análisis CFD son el software de simulación y el equipo de cómputo. La mayoría de software deben instalarse localmente y tienen un costo elevado debido al desarrollo que deben tener, por otro lado, el equipo de cómputo debe tener una gran capacidad de procesamiento para reducir el tiempo de simulación y obtener resultados más refinados.
  • Conocimientos técnicos: Las herramientas computacionales requieren de expertos en simulación con conocimientos en temas de transferencia de calor, materiales, mecánica de fluidos, física y en general de todas las áreas de la ingeniería, quien aplica las simplificaciones y consideraciones de acuerdo a su conocimiento.

Ventajas de implementar simulaciones computacionales:

  • Diseño preciso e individual del rendimiento de un sistema HVAC.
  • Reducción de costos al conocer y mejorar el diseño.
  • Mejorar la eficiencia de los equipos/productos.
  • Determinar fallas y rediseño de instalaciones deficientes.
  • Posibilidad de plantear diferentes escenarios de funcionamiento sin un banco de pruebas físico.
  • Medir el funcionamiento del equipo bajo diferentes condiciones iniciales.

Comprometidos con el continuo mejoramiento de nuestros productos en Laminaire S.A.S se han implementado simulaciones de análisis CFD con el fin de determinar el comportamiento y desempeño de nuestros productos, entre los cuales están simulaciones realizadas para difusores, rejillas y fachadas metálicas. Con el objetivo de identificar e informar sobre la capacidad de nuestros productos y su continua mejora para brindar un mejor producto a nuestros clientes.

Ejemplo: Análisis Fluido dinámico y térmico, Difusor L-AV-4W.

En la etapa de Pre-procesamiento se tomó un modelo CAD simplificado del modelo Difusor de techo L-AV cuadrado de 4 vías de difusión. Las dimensiones nominales del modelo a simular son 12 in x12 in.

Ilustración 2.MODELO CAD DIFUSOR L-AV.

Para efectos de simulación se concibió un recinto cerrado de dimensiones 5x5x3 m de altura y se crearon planos internos para evaluar la difusión de aire en la zona de operación. En la parte superior se ubica el elemento encargado de la difusión de aire y en una pared se añado un elemento de retorno (rejilla).

Ilustración 3.PLANOS DE CORTE EN CUARTO.

Las condiciones de frontera y de flujo que se evaluaron son las siguientes:

  • Fluido: AIRE AMBIENTE.
  • Caudal: 550 CFM.
  • Temperatura Entrada:14 ºC .
  • Temperatura Salida:20.8 ºC.
  • Temperatura Paredes:28 ºC.

Finalmente, después de comprobar la convergencia de los resultados obtenidos se procede a obtener los resultados de la simulación, en este caso se pudo obtener, entre otros, detalles sobre:

  • Velocidades desarrolladas en la zona de operación.
  • Perfil de temperatura en todo el recinto.
  • Líneas de flujo desarrollado en el recinto (2D-3D).
  • ISO-Superficies de Temperatura.
  • Videos sobre las trayectorias de partículas.
  • Videos sobre planos de temperatura en todo el recinto.
  • Evidencia del Efecto Coanda.
  • Capacidad de enfriamiento del difusor.
  • Detalles del Tiro del difusor.

 

Ilustración 4..Velocidad en el plano XZ, Líneas de corriente (3D) e ISO-superficies de temperatura 16°C,18°C y 20°C, Laminaire (2021).

 

BIBLIOGRAFÍA

ESSS. (2016). Dinámica de Fluidos Computacional: ¿Qué es? https://www.esss.co/es/blog/dinamica-de-fluidos-computacional-que-es/

SimScale. (2021). Validación de la ventilación pasiva en el diseño de edificios. https://www.simscale.com/blog/2018/06/passive-ventilation-building-cfd/?utm_source=hpac&utm_medium=referral&utm_campaign=hpac

 

Artículo:

Ing. Luis Felipe Trejos T. – Director de Operaciones

Laminaire S.A.S

 

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