Estudio numérico y experimental para la optimización termo-fluido-dinámica de trasformadores de distribución tipo ONAN.
El trabajo de tesis doctoral presentado a continuación se inscribe dentro del campo de la mecánica de fuidos y transferencia de calor, específicamente en el tema de refrigeración por convección natural, abordando el problema desde el punto de vista numérico con una componente experimental para vali...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2016
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/854/1/C%C3%B3rdoba_Estrada.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | El trabajo de tesis doctoral presentado a continuación se inscribe dentro del campo de la mecánica de fuidos y transferencia de calor, específicamente en el tema de refrigeración por convección natural, abordando el problema desde el punto de vista numérico
con una componente experimental para validar los resultados. Este estudio está motivado en la utilización del mecanismo de convección natural para la refrigeración de dispositivos termohidráulicos. En particular, un dispositivo que emplea este mecanismo
de refrigeración es el transformador de distribución tipo ONAN. El objetivo de la investigación es estudiar el fujo y la transferencia de calor en este tipo de dispositivos y desarrollar una herramienta que permita reproducir su funcionamiento y estudiar los aspectos que más influyen desde el punto de vista de una óptima refrigeración.
El trabajo consta de tres partes: Una primera parte consistió en analizar un problema con geometría simple, que permite su análisis tanto numérico como experimental, con el objetivo principal de estudiar cómo afectan, tanto las propiedades físicas del fuido
como diferentes factores y parámetros externos, a la fuido-dinámica del problema de refrigeración por convección natural. Este estudio permitió no solo validar el código, sino también desarrollar y ajustar una herramienta experimental que fue empleada en etapas posteriores para geometrías y condiciones más complejas.
En la segunda parte, se presenta un modelo simplificado que se resuelve numéricamente con códigos de elementos finitos desarrollados en el Departamento de Mecánica Computacional del Centro Atómico Bariloche. En dicho modelo se trata de tener en
cuenta la fenomenología completa del problema, desde el carácter tridimensional del fujo, las fuentes de calor presentes, las condiciones de contorno y características principales del dispositivo.
Los resultados numéricos obtenidos del modelo tridimensional simplificado muestran una clara deficiencia en el proceso de refrigeración del transformador. Para que los resultados numéricos sean concluyentes, en la tercera parte de este trabajo, se desarrolló un dispositivo experimental con la geometría de interés y de este modo poder comparar campos de velocidades y temperaturas, completando así, el modelado del proceso de refrigeración en un transformador tipo ONAN.
Los detalles del modelo numérico tridimensional, así como las técnicas numéricas y experimentales empleadas y desarrolladas, junto con los resultados numéricos y experimentales obtenidos se organizan en 5 capítulos, finalmente en el capítulo 6 se resumen
las conclusiones más importantes de toda la tesis. Luego de una introducción general (Capítulo 1) donde se incluye la motivación y los objetivos de este trabajo, se presentan y describen las técnicas numéricas y experimentales relacionadas con la convección
natural. En particular, se describen las formulaciones del método de elementos finitos de las ecuaciones gobernantes del flujo convectivo de interés, condiciones de borde y modelos de turbulencia en flujos boyantes. Adicionalmente, se hace mención y se describe la técnica experimental de medición de campos de velocidades utilizada en la tesis (capítulo.2). Los tres capítulos siguientes están dedicados a los estudios numéricos y experimentales realizados en distintas geometrías, cuyos resultados más importantes se
enumeran a continuación.
En el capítulo 3 se describe en detalle el primer caso de estudio. En este capítulo se lleva a cabo un estudio numérico y experimental del flujo laminar por convección natural en una cavidad cúbica. El fluido es un aceite dieléctrico usado para la refrigeración de transformadores tipo ONAN. Este aceite presenta una fuerte dependencia de la viscosidad con la temperatura. Con este trabajo se estudia la influencia de dicha dependencia en el patrón de flujo y en el calor total transferido. De esta manera se observó que el patrón de flujo numérico y experimental presenta un comportamiento no oscilatorio, reflejando un flujo convectivo estable. Además se encontró que el tamaño de las capas límite de velocidad y temperatura, así como también el orden de magnitud de los valores de velocidad y temperatura obtenidas con las simulaciones concuerdan con el experimento. Finalmente se encontró que la dependencia de la viscosidad con la temperatura causa una ligera asimetría en el campo de velocidades en estado estacionario,
la cual se vuelve despreciable a medida que el número de Rayleigh aumenta.
El capítulo 4 describe el modelado numérico 3D de un transformador de distribución tipo ONAN. Mediante consideraciones adecuadas, el problema 3D del flujo por convección natural de un transformador de este tipo, puede estudiarse mediante un modelo numérico de una sección 3D simplificada del mismo. Este modelo matemático predice el comportamiento estratificado del campo de temperaturas. Esto se puede comprobar con las imágenes termográficas de un prototipo del transformador tomadas durante un ensayo de calentamiento [3]. Adicionalmente, el campo de velocidades es consistente con los campos obtenidos por otros autores [2] en un transformador con una geometría similar al estudiado en el presente trabajo. Los resultados de los campos de velocidades muestran un patrón de flujo que se concentra principalmente el el cuarto superior de la sección representativa que conforma el modelo. Las temperaturas muestran un gradiente importante en el tercio superior. Esto sugiere que la aleta está transferiendo calor por conducción al canal de aire en su parte inferior más que por convección interna del aceite. Se puede concluir de estos resultados que hay un mal
aprovechamiento de la capacidad refrigerante de la superficie exterior de la aleta.
El capítulo 5 se presenta la validación experimental del modelado numérico en una geometría similar a la sección representativa (SR) descrita en el capítulo 4. En este capítulo se describen brevemente los lineamientos seguidos para el diseño y construcción del mismo, así como la metodología experimental. Adicionalmente, se presentan las mediciones realizadas y se realizaron comparaciones cuantitativas de los datos medidos con las simulaciones numéricas. Los resultados obtenidos en este capítulo muestran que las simulaciones numéricas logran reproducir razonablemente las características básicas de los campos de temperatura y velocidades del dispositivo experimental, observándose que las velocidades que se obtienen en la simulación son del mismo orden de magnitud que las observadas experimentalmente. Así mismo, las temperaturas medidas en los puntos de referencia presentan un acuerdo razonable, con algunas diferencias dadas por condiciones experimentales que no son reproducidas en el modelo numérico. Los
resultados obtenidos en este capítulo constituyen una referencia para validación de códigos numéricos y el dispositivo experimental una herramienta para estudio termo-fuido-dinámico de convección natural en canales, aletas y cavidades.
En el apéndice A se describe un modelado de homogenización bidimensional a partir del modelo numérico 3D, el cual se encuentra actualmente en fase de prueba. Este modelo se pensó con el objetivo de realizar modificaciones de geometría y parámetros materiales que permitan hacer pruebas numéricas rápidas para la optimización de transformadores tipo ONAN, desde el punto de vista de su refrigeración, reduciendo los altos costos computacionales y los largos tiempos de cálculo.
Finalmente, en el apéndice B, se muestran aspectos generales del proceso de adquisición de datos y procesamiento de imágenes que no fueron incluidos en los capítulos.
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