Análisis numérico de la transferencia de calor interior de una ventana.

Abstract

El presente trabajo se realizó con el fin de determinar y analizar en forma numérica el flujo de calor interior, en la modelación de una ventana con marco y cortina, dentro de una habitación. Para lo anterior, primero se realiza la validación de los modelos matemáticos y numéricos seleccionados, basándose en los resultados experimentales obtenidos en la cámara climática del Laboratorio de Termofluídos de la Universidad de Concepción. Aquí se simuló la ventana por una placa de aluminio y la cortina, por una lámina de cartulina a cierta distancia del marco de la placa. Sin embargo, la validación basándose en resultados experimentales, sólo se tiene para una configuración en particular. Por tal motivo, el resto de las simulaciones bajo distintas condiciones (emisividad, altura de la ventana, etc.), son validadas a través de un estudio analítico. El primer capítulo presenta una descripción general de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), la cual es la base del software utilizado en la modelación numérica. Se da una breve comparación con otros métodos numéricos existentes, sus ventajas y debilidades. Posteriormente, se presenta el capítulo con los fundamentos teóricos básicos involucrados en la resolución del problema, el cual resulta fundamental en la comprensión de los fenómenos físicos involucrados, lográndose con esto llegar a mejores resultados y confiables conclusiones. Pasando al tercer capítulo, se entrega la presentación y descripción completa del problema a resolver, con las distintas configuraciones y parámetros a variar, y el resumen de las simulaciones numéricas realizadas. En el capítulo posterior, se presenta la implementación del problema a modelar con las herramientas computacionales utilizadas. Estas son: Gambit® y Fluent®. Este capítulo es de importancia, ya que entrega información de los parámetros de entrada, condiciones de borde (cualitativas y cuantitativas), y mallas generadas. Además, se ingresan los modelos matemáticos y numéricos, para resolución de las ecuaciones de gobierno. Con todo lo anterior, se está en condiciones de presentar los resultados, los cuales debido a su extensa cantidad, son analizados sólo para unos casos representativos. Se presenta primero la validación de los resultados numéricos, mediante una comparación con los resultados experimentales. Luego, las simulaciones de un caso equivalente a lo producido en una vivienda real, con una descripción detallada de las distintas variaciones de cada parámetro y su influencia en variables como el flujo de calor, coeficiente convectivo y flujo de aire. Estos resultados son respaldados con un análisis teórico y analítico-experimental de los diversos casos. Además, en cada sección se presentan distintos contornos de temperatura y velocidad que ayudan a comprender mejor los fenómenos. Finalmente, se entregan las conclusiones y comentarios generales extraídos de la modelación. En la validación de la malla, se tiene que el error relativo del flujo de calor, respecto de lo experimental, varía entre un 4,2% y 24%. Para la temperatura de la cortina, se tiene un error relativo menor a un 8,7%. De la simulación en condiciones reales, se verificó la importancia de la variación de la separación de la cortina al marco, altura de la ventana, emisividad de la cortina y temperatura entre las superficies, sobre la determinación de variables como: flujo de calor, coeficiente convectivo y flujo de aire en la zona de interés. Sólo tomando un ejemplo, si se separa la cortina al marco de 10mm a 50mm, las pérdidas de calor aumentan entre un 12% y 16%. Y si se varía la emisividad de la cortina de 0,2 a 0,9 las pérdidas por flujo de calor varían entre un 58,78% y 114,04%. La variable que resulta más influyente, en todos los casos, es la temperatura. Como conclusión general del análisis numérico se puede afirmar que, utilizando las herramientas de simulación numérica para estudio en CFD, los resultados obtenidos del flujo de calor total son satisfactorios, en una comparación relativa respecto de lo resultados experimentales, como entre los rangos esperados del estudio semiempírico. Además, tanto el modelo de turbulencia, como el seleccionado para la radiación, entregan soluciones físicas y numéricas confiables, de acuerdo a la configuración del problema.