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3. MEJORAS EN LOS EQUIPOS DE REFRIGERACIÓN
A primera vista aumentar el nº de aletas debería de aumentar la transferencia
de calor, sin embargo, este aumento no es suficiente para que cuando el vehiculo
circule a 120 km/h el intercambiador de calor sea capaz de aportar toda la
refrigeración necesaria para que la pila funcione correctamente a dicha velocidad.
En la Tabla 2 se muestran los resultados obtenidos al variar el nº de aletas para
una temperatura del aire de entrada de 27ºC a 120 km/h:
Nº aletas Qtérmica (W)
84 38.501
86 38.953
88 39.401
90 39.846
92 40.287
94 40.724
96 41.159
98 41.589
100 42.017
102 42.441
104 42.861
106 43.279
108 43.693
110 44.104
112 44.512
114 44.916
116 45.318
118 45.717
120 46.112
122 46.505
124 46.894
Tabla 2. Variación del nº de aletas
Como se puede observar en la tabla anterior, tendríamos que añadir más de 40 aletas
de las mismas dimensiones para conseguir una buena refrigeración de la pila de
combustible, lo cual, no es posible ya que no cabrían tal nº de aletas, dadas las
dimensiones del intercambiador de calor.
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3.1. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE MICROCANALES
Los intercambiadores de microcanales son unos dispositivos de refrigeración, por los que el fluido de trabajo circula por canales de un tamaño característico del orden de micras. Dentro de este tipo de intercambiadores de calor, se pueden diferenciar entre los que el fluido no cambia de fase (single‐phase flow) y los que si cambia (two‐phase flow).
En los microcanales si hay que tener en cuenta la caída de presión en ellos, no
podemos suponerla despreciable.
La potencia debido a la fricción por unidad de área se calcula con la siguiente
expresión (Kays and London):
Siendo Δp la caída de presión en el microcanal, ΔAs el área de transferencia de
calor, Um la velocidad del fluido, Ac el área de transversal del microcanal y V el flujo
volumétrico.
“Pequeños cambios en el peso afectan de forma significante a la caída de
presión”
Actualmente, en aplicaciones para refrigeración y aire acondicionado, existe un gran interés por introducir intercambiadores de calor de microcanales.
Sus características le proporcionan altos coeficientes de transmisión de calor y por ello altas eficiencias. Además poseen una gran compacidad, es decir, un cociente elevado entre el área de intercambio de calor y el volumen del intercambiador, resultando muy compactos y ligeros, con las ventajas de que: menor masa implica menores costes de producción y menos volumen implica menos carga de refrigerante.
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Uno de los primeros sitios donde se viene aplicando es en el sector de la automoción por la disponibilidad de área frontal. Se utiliza esta tecnología en los condensadores de aire acondicionado, baterías de refrigeradores de aceites y en los radiadores.
Los intercambiadores de calor con microcanales comenzaron a usarse en el
sector de la automación a finales de la década de los ochenta. Con la retirada progresiva de los refrigerantes de clorofluorocarburo (CFC), el sector de la automoción se vio forzado a cambiar del R‐12 al refrigerante R‐134a respetuoso con el medio ambiente. Este cambio conllevó desafíos similares a los que se enfrentaba el sector del aire acondicionado para conseguir el mismo resultado final: refrigeración confortable con distinto refrigerante. Los refrigerantes R‐134a y R‐12 son muy diferentes: cada uno con características de transferencia de calor y ventajas únicas. Al usar el R‐134a en los condensadores de automóviles con aletas de aluminio y tubos de cobre convencionales, se produjo una disminución importante de la capacidad en comparación con el R‐12.
Como el sector de la automoción no podía utilizar tamaños de baterías
mayores, necesitaba un mayor rendimiento térmico que le permitiera emplear un intercambiador de calor más pequeño y compacto, que no añadiera peso ni tamaño al vehículo. El sector recurrió a la tecnología del intercambiador de calor con microcanales.
Esta tecnología aprovecha principios de transferencia de calor consolidados mediante el uso de múltiples microcanales paralelos para maximizar el contacto de la superficie de transferencia de calor. La consecuencia de una transferencia de calor más eficiente es la capacidad para mantener o reducir potencialmente la superficie de transferencia de calor necesaria. Además, puede disminuirse la carga de refrigerante, con lo que el resultado final es una solución aún más respetuosa con el medio ambiente al combinarse con la transición al R‐134a.
Los tubos con microcanales del intercambiador de calor tienen excelentes
características de transferencia de calor en el lado del refrigerante. En el lado del aire, la transferencia de calor es mayor debido a un mejor contacto de la superficie y a la unión metalúrgica entre el tubo y la aleta. Se ha optimizado el diseño de la aleta para mejorar el rendimiento de la transferencia de calor de la aleta. La unión entre la aleta y el tubo reduce la resistencia térmica entre éstos, y el resultado es una mejor conducción del calor.
Los principales factores que favorecen el aumento del rendimiento térmico y la
mejor eficiencia asociada a la tecnología de microcanales son el resultado de una mayor transferencia de calor del lado del aire, una mayor transferencia de calor del lado de refrigerante y un amplio contacto entre las superficies del tubo y la aleta. Los tubos planos con microcanales crean una capa límite de la transferencia de calor más favorable a la mejora de los coeficientes de transferencia de calor del lado del aire, que aumenta el intercambio de calor en general. Asimismo, los tubos con microcanales favorecen la transferencia de calor del lado del refrigerante sin que se produzca una caída excesiva de a presión de éste.
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Por último, la unión metalúrgica entre el tubo y la aleta aumenta el contacto entre éstos, con lo que aumenta la superficie global y la conducción térmica. En esencia, el mayor rendimiento térmico de los microcanales permite el diseño de sistemas equivalentes con una reducción de hasta el 25 % en el tamaño.
El mejor rendimiento térmico de dicha tecnología tiene como resultado
mayores niveles de eficiencia –aproximadamente un 10 %– en comparación con la tecnología convencional.
Junto a las ventajas asociadas al rendimiento térmico, el sector de la automoción ha sido capaz de conseguir importantes ventajas con relación a la integridad estructural del diseño de la batería. Las baterías de los condensadores de los coches se colocan directamente detrás de la rejilla delantera de éstos. Al exponerse la batería a muchos materiales y elementos, la rígida estructura de la batería con microcanales resiste mejor el aceite, la sal, los vertidos de materiales, la arena y otros tratamientos químicos de la carretera en todo tipo de lugares costeros húmedos y calurosos o ambientes con nieve. Además, a diferencia de las baterías de cobre‐aluminio tradicionales, el diseño de la batería de aluminio con microcanales permite reducir considerablemente el ataque galvánico entre los materiales de la estructura. A partir del uso de los intercambiadores de calor de microcanales en los coches, el sector de la automoción ha conseguido las siguientes ventajas:
- Menos peso, lo que aumenta el ahorro de combustible.
- Componentes más pequeños, que ocupan menos espacio bajo el capó.
- Refrigeración más eficaz.
- Mayor vida útil del componente. Como resultado del rotundo éxito de esta tecnología y de las ventajas asociadas
que se han descrito, se estima que la tecnología de microcanales se emplea en aproximadamente el 75 % de todos los vehículos fabricados y vendidos en la actualidad.
Dado el creciente interés en los refrigerantes naturales, una ventaja importante que ofrece este tipo de intercambiadores es su reducido volumen para el caso de aquellos refrigerantes que son inflamables, tales como el propano, donde existe una importante limitación, regulada por normativa, de la carga máxima que puede tener el sistema.
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En este proyecto, se simula con el modelo anteriormente explicado un
intercambiador de calor de microcanales de sección transversal circular cuyo diámetro
exterior es de 0.001 m.
Al disponer de microcanales en lugar de tubos convencionales el cálculo del
coeficiente de película interior se realiza con la siguiente correlación experimental de
Adams et al:
int
intint
2Dint
0,5Dint
GN
i2
iDint
GNDint
1,164)logRe(182f
1)(Pr(f/8)12,71
Pr1000)((Re(f/8)Nu
D)/1,164)(D(1Re0,0000761F
F)(1NuNu
D
KNuh aguaD
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3.1.1 MICROCANALES (single‐phase flow)
En la mayoría de los sistemas de refrigeración activos, la resistencia térmica dominante es debida al fluido, debido a la baja conductividad térmica de éstos (comparada con la conductividad del material del que están fabricados los disipadores). Esto se puede mejorar disminuyendo la sección de paso del fluido y aumentando el área de contacto entre el material del disipador y el fluido (Frank P. Incropera, 1999). Este, es el principio fundamental de los microcanales, por esta razón este tipo de disipador evacua hasta 50 veces más calor que los disipadores convencionales.
Dentro de los sistemas de refrigeración por microcanales, se puede diferenciar entre configuraciones de canales tradicionales (parrilla, serpentín,…), ver Figura 22 y configuraciones avanzadas en las que los canales se forman por la unión de placas perforadas (Figura 23).
Figura 22. Configuración de microcanales en configuración convencional de parrilla (Paisarn Naphon, 2009).
Además, en las configuraciones de microcanales convencionales, se suelen
emplear distintos tipos de forma de canales. Las más empleadas son las cuadradas
(Figura 22) y en forma triangular (Figura 23). Para sistemas de microcanales sin cambio
de fase, a igualdad del resto de condiciones, el empleo de una configuración u otra no
mejora la transferencia de calor en el dispositivo. Sin embargo, cuando se existe
cambio de fase en el fluido, la configuración triangular es más eficiente que la
cuadrada, ya que, la circulación de las burbujas de vapor se hace de un modo más
eficiente desde la superficie al seno del fluido, aumentando por tanto la transferencia
de calor. (X.F. Peng, 1998).
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Figura 23. Configuración con los microcanales en forma triangular
(G. Hetsroni, 2002).
Los sistemas de microcanales avanzados, están compuestos por una serie de
capas metálicas perforadas de pequeño espesor (del orden 10‐4 m). Las perforaciones
se realizan de tal modo que se formen microcanales entre una capa y otra.
Las ventajas de este tipo de sistemas de refrigeración son las siguientes:
‐ Mejoran la transferencia de calor que en los intercambiadores de canales
convencionales, al disponer de canales más estrechos.
‐ Son sistemas robustos y fáciles de implementar. Incluso se pueden construir en el
mismo sustrato del sistema fotovoltaico, disminuyendo la resistencia térmica del
conjunto. (Anja Royne, 2005).
Las desventajas de los sistemas de refrigeración de microcanales sin cambio de fase
son:
‐ Al no cambiar el fluido de estado, el único modo que tiene éste de absorber calor es
aumentando su energía interna, y por tanto, su temperatura. Esto, provoca que el
sistema de refrigeración no tenga una distribución de temperaturas uniforme en su
interior, y por ende, tampoco lo tendrá el sistema fotovoltaico, cayendo el
rendimiento eléctrico de éste debido al fenómeno de mismatching. En el sistema de
refrigeración se tendrán temperaturas más bajas en las zonas de entrada del fluido
refrigerante, y más altas en la zona cercana a la salida de éste.
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‐ Al disponer el sistema de refrigeración de canales de distribución estrechos, la
pérdida de carga es elevada, y por tanto, el consumo energético de las bombas de
circulación también será elevado. Además, a medida que aumenta el caudal que
circula por el interior de sistema de refrigeración, la presión a la entrada de éste
debe de aumentar. Esto hace que el sistema sea más ruidoso, el consumo
energético sea aún mayor y que estructura física del sistema de refrigeración debe
de poseer mayor espesor para soportar la presión en el interior. Por tanto, el coste
del equipo de refrigeración será mayor.
En la bibliografía, se han revisado numerosos artículos concernientes a esta tecnología,
obteniéndose los siguientes resultados:
‐ El precursor de los sistemas de refrigeración por microcanales fue D.B. Tuckerman,
en los experimentos llevados a cabo por su laboratorio se constataron resistencias
térmicas mínimas de valor 9∙10‐6 m2∙K/W y una transferencia de calor de 790
W/cm2, en equipos de intercambio de 1cm2 de área. (D.B. Tuckerman, 1981) Las
diferencias de temperaturas entre la superficie de la fuente de calor y el fluido de
trabajo (agua) fue de 50 a 100 ºC.
‐ Uno de los inconvenientes que presentaban los experimentos de D.B. Tuckerman,
eran las diferencias de temperaturas en la superficie a refrigerar. J.H. Ruy realizó
experimentos en los que la distribución del fluido de refrigeración a los
microcanales se hacía de modo perpendicular mediante colectores, ver Figura 24.
Con esto se consigue uniformizar la temperatura de la superficie a tratar, pero las
resistencias térmicas que se consiguieron en los experimentos fueron de 3,2∙10‐4
m2∙K/W. (J.H. Ryu, Numerical optimization of the thermal performance of a
microchannel heat sink, 2001) (J.H. Ryu, Three‐Dimensional numerical optimization
of a manifold microchannel heat sink, 2002).
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Figura 24. Sistema de distribución de fluido mediante colectores en sistema de refrigeración
de microcanales.
‐ Isssam Mudawar, director del laboratorio “Booling and Two‐phase Flow
Laboratory”, de la Escuela de Ingenieros de la Universidad de Purdue (West
Lafayette), posee una gran cantidad de artículos de investigación sobre
intercambiadores de calor con microcanales con cambio de fase, sin cambio de fase
y con impigning jets. Dentro de los microcanales sin cambio de fase, ha constatado
refrigeradores experimentales de 1 cm2 de área en los que la resistencia térmica
mínima experimental ha sido de 10‐5 m2∙K/W, para flujos de calor de 200W/cm2 con
una diferencia de temperatura entre el fluido y la superficie a refrigerar de 20 ºC
aproximadamente (la pérdida de carga del fluido a su paso por el intercambiador
fue de 0,8 bar) (Weilin Qu, 2001), (Myung Ki Sung, 2008). En la Figura 25, se puede
ver el montaje experimental y la configuración del refrigerador con los
microcanales.
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3.1.2. MICROCANALES (two‐phase flow)
El principio de funcionamiento y tipos de canales son similares que los
microcanales sin cambio de fase (subapartado anterior). La única diferencia es que el
fluido de trabajo opera en unas condiciones de presión y temperatura a la entrada del
sistema de refrigeración, que hace que al recibir calor, cambie de fase y pase a estado
vapor. A igualdad de condiciones, los coeficientes de transferencia de calor
convectivos asociados a un fluido cambiando de fase, son mayores que los mismos
coeficientes cuando el fluido no cambia de estado. (Frank P. Incropera, 1999).
En la Figura 26, aparece un esquema de conexionado de los diferentes
elementos que compondrían el sistema de refrigeración.
Figura 26. Esquema de conexionado de los elementos de un sistema de refrigeración de
microcanales con cambio de fase (two‐phase flow).
Siguiendo el esquema de la figura anterior, el principio de funcionamiento es el
siguiente: Un líquido es bombeado desde un tanque de almacenamiento [4], mediante
el empleo de una bomba de circulación [5], hasta el evaporador [6]. Éste, se
encontraría unido al sistema fotovoltaico del que recibiría el calor a disipar,
provocando la evaporación del líquido que circula por dentro del evaporador. El líquido
conforme va evaporándose, va abandonando el evaporador por la línea de vapor [2],
hacía el condensador donde este vapor se pone en contacto (indirecto) con otro fluido
de trabajo (generalmente agua o aire) a menor temperatura, al que le cede su calor
latente, condensando de nuevo, y retornando al tanque de almacenamiento.
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Según las condiciones de operación, podrá existir una parte de fluido que no se
evapore en el evaporador, esta fracción de líquido retorna a través de [7] también al
tanque de almacenamiento.
Los fluidos que se suelen emplear en este tipo de sistemas es agua desionizada,
y fluido dieléctricos como Vertrel XP, HFE 7100, FC‐72, FC‐87…(todos ellos son fluidos
orgánicos del tipo Fluor‐Carbonados). (Chanwoo Park, 2007), (G. Hetsroni, 2002), (W.
Yu, 2002), (Jaeseon Lee, 2008).
Las ventajas del empleo de agua frente los fluidos dieléctricos son:
‐ La entalpía de vaporización de ésta es mayor a la de cualquier fluido dieléctrico
(2600 kJ/kg del agua frente a 150 kJ/kg aproximadamente para los fluidos
dieléctricos).
‐ El agua es un fluido de trabajo barato y fácil de reponer, además de no
contaminante.
Las desventajas del agua frente a los dieléctricos son:
‐ Para evaporar agua a temperatura por debajo de 100 ºC, la presión en el
evaporador debe ser menor a la atmosférica. Esto puede provocar filtraciones de
aire ambiente al circuito evaporador, y a largo plazo, se debe proceder a realizar de
nuevo el vacío en el evaporador. Los fluidos dieléctricos evaporan a temperaturas
moderadas (entorno a los 60ºC) a presión atmosférica, evitando los problemas de
filtración del aire ambiental.
‐ Los fluido dieléctricos, si bien, en general tienen peores propiedades termofísicas
desde un punto de vista de la transferencia de calor que el agua, presentan la
ventaja de que son aislantes eléctricos, por tanto, para aplicaciones de refrigeración
de dispositivos eléctricos son más aconsejables que el agua.
Las principales ventajas de este sistema de refrigeración son:
‐ Al emplear fluidos que cambian de fase, la disipación de calor de la fuente térmica
se realiza a temperatura uniforme. Desde un punto de vista de refrigeración de
sistemas electrónicos, la uniformidad de temperaturas en éstos hace que el
comportamiento sea mejor y que la durabilidad de los equipos también aumente.
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‐ Los consumos energéticos asociados a la bomba de circulación del fluido
refrigerante, son bajos, debido a que el fluido se bombea en estado líquido.
La principal desventaja de este tipo de sistemas es que se consiguen altas tasas de
transferencia de calor en reducidas áreas de transferencia.
En la actualidad, este tipo de sistemas de refrigeración están siendo muy
estudiados para aplicaciones militares, electrónicas y espaciales, debido a su gran
capacidad de disipación de calor en superficies de transferencia reducidas, del orden
de 10‐4 m2.
De la búsqueda realizada, la mayoría de las referencias bibliográficas
pertenecen a centros de investigación, salvo (Chanwoo Park, 2007), que pertenecen a
una empresa norteamericana denominada “Advanced Cooling Technologies (ACT)”
(Vallury, 2009). Este fabricante se dedica a diseñar sistemas de transferencia de calor
de alta eficiencia, y está especializado en sistemas de microcanales y heat‐pipe. Dentro
de su catálogo de soluciones se encuentra un sistema de microcanales con cambio de
fase híbrido “Hybrid two‐phase loop technology”.
Esta tecnología, combina la circulación activa del fluido de refrigerante,
mediante el empleo de una bomba de circulación, con la circulación pasiva en el
evaporador por el empleo de capilares (microcanales). El evaporador está fabricado en
Cobre. Debido a que el fluido es movido por una bomba, varios de estos evaporadores
pueden estar conectados a ésta, no viéndose mermado el comportamiento conjunto
de los evaporadores. Este sistema emplea agua desionizada como fluido de trabajo. En
la Figura 27, se muestra el montaje experimental con cuatro evaporadores.
Actualmente, este sistema presenta una resistencia térmica que varía entre
8,3∙10‐5 y 9,2∙10‐5 m2∙K/W, la cual, puede bajar si se reduce la presión de cambio de
fase del agua en el evaporador.