Numerical characterization study of pressure drop and heat transfer phenomena in woven wire matrix of a stirling engine regenerator

Resumen

Los motores Stirling son una alternativa atractiva para la micro-cogeneración principalmente motivado por su capacidad de utilizar cualquier fuente de calor y su alta eficiencia teórica. En los motores Stirling el regenerador es el componente crucial, debido al gran impacto que tiene sobre el rendimiento global y en algunos casos en su coste. Uno de los tipos de regeneradores más usado es el de malla apilada (¿stacked woven wire¿) y una alternativa menos costosa a esta configuración son los regeneradores de malla enrollada (¿wound woven wire¿). Sin embargo, para esta última configuración de regeneradores de mallas de alambres no se conocen estudios experimentales o de caracterización en la literatura. Para el análisis y estudio de los regeneradores Stirling se pueden aplicador distintos métodos numéricos. En los últimos años uno de los enfoques más utilizado es modelar el regenerador como un medio poroso y de esta manera poder simular y diseñar el motor Stirling completo. En general, los coeficientes de fricción y transferencia de calor necesarios para modelar un medio poroso (sin equilibrio térmico) se obtienen experimentalmente. El objetivo de este trabajo es proponer una metodología numérica basada en el método volúmenes finitos (FVM) para caracterizar la transferencia de calor y el flujo a través de los regeneradores de malla de alambre. Para lograr este objetivo, se aumenta progresivamente la complejidad del modelo, comenzando por el modelado 3-D detallado de un volumen pequeño de matriz de malla de alambre bajo condiciones de flujo unidireccional e isotermo hasta llegar a modelar la longitud completa del regenerador bajo ciclos regenerativos de flujo oscilante. En la primera etapa se realiza la caracterización numérica de la caída de presión y la transferencia de calor a través del modelo 3-D detallado de regeneradores de malla de alambre apilada (¿stacked woven wire¿), validando estos resultados con correlaciones conocidas obtenidas experimentalmente bajo condiciones de flujo oscilante. Considerando que los resultados numéricos concuerdan bien con las correlaciones empíricas, el enfoque se extiende a la caracterización de regeneradores de malla de alambre enrollados (¿wound woven wire¿) derivando numéricamente correlaciones para el factor de fricción y el número de Nusselt en función del número de Reynolds instantáneo. Teniendo en cuenta la validación realizada, se considera que las correlaciones derivadas pueden ser usadas en el rango estudiado para el diseño de regeneradores de malla de alambre (¿woven wire¿) en motores Stirling. En la segunda etapa, la caracterización numérica se utiliza para modelar un medio poroso equivalente a la matriz 3-D detallada de la malla de alambre. El modelo de medio poroso se basa en el factor de fricción y el número de Nusselt obtenidos para número de Reynolds instantáneos. La concordancia de resultados entre los modelos, medio poroso equivalente y modelo 3-D detallado, sugieren que la metodología de modelado numérico propuesta puede ser utilizada con confianza para caracterizar la transferencia de calor y caída de presión a través de regeneradores de matriz de malla de alambre (¿woven wire¿). Finalmente, la longitud completa de un regenerador se modela como un medio poroso bajo ciclos de regeneración oscilantes; el modelo de medio poroso utiliza las correlaciones numéricamente obtenidas para el factor de fricción y el número de Nusselt para número de Reynolds instantáneos. Se cree que la modelización numérica y el enfoque propuestos pueden ser aplicados con éxito para modelar el regenerador como un medio poroso en las simulaciones multi-dimensionales (multi-D) de los motores Stirling, además se considera una herramienta rentable para el diseño y optimización de regeneradores Stirling de matriz de malla de alambre (¿woven wire¿).