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MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
Análisis numérico de la geometría de un intercambiador de calor para su
acoplamiento en un sistema de generación termoeléctrica para los gases de escape
de un motor de combustión interna mediante CFD
E. Aguiñaga-Ramírez, P. Hernández-Ortiz, S. Martínez-Martínez, Fausto A. Sánchez-Cruz, Daniel De La
Rosa-Urbalejo
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), Laboratory
for Research and Innovation in Energy Technology (LIITE), Av. Universidad s/n. Ciudad Universitaria,
San Nicólas de los Garza, Nuevo León, C.P. 66455, México.
*Autor contacto: [email protected]
R E S U M E N
En este trabajo se lleva a cabo el análisis numérico de la geometría de un intercambiador para su acoplamiento en un
sistema de generación termoeléctrica automotriz. El análisis se lleva a cabo mediante el programa computacional
ANSYS para cuatro regímenes de giro; 800, 1200, 1600 y 2000 rpm. Se analizan los parámetros de calor transferido
hacia el exterior, temperatura, velocidad y presión de los gases de escape. Se encuentra que para el régimen de 800 rpm
se obtiene una eficacia de 29.7%, que disminuye conforme se aumenta el régimen, llegando a 29.0% para 2000 rpm. La
caída de temperatura en la superficie del intercambiador es de alrededor 26 °C para todos los regímenes. La velocidad
de los gases de combustión varía de 1.28 a 2.51 m/s, conforme se aumenta el régimen de giro de 800 a 2000 rpm. La
caída de presión en el intercambiador no sobrepasa los 600 Pa.
Palabras Clave: Gases de escape, Motor de combustión, Intercambiador de calor, Termoelectricidad, CFD
A B S T R A C T
In this work, the numerical analysis of the geometry of an exchanger is carried out for its coupling in an automotive
thermoelectric generation system. The analysis is carried out through the ANSYS software for four rotation regimes;
800, 1200, 1600 and 2000 rpm. The parameters of heat transferred to the outside, temperature, velocity and pressure of
the exhaust gases are analyzed. It is found that for the 800 rpm regime an efficiency of 29.7% is obtained, which
decreases as the rate increases, reaching 29.0% for 2000 rpm. The temperature drop on the surface of the exchanger is
around 26 ° C for all regimes. The speed of the combustion gases varies from 1.28 to 2.51 m/s, as the speed of rotation
increases from 800 to 2000 rpm. The pressure drop in the exchanger does not exceed 600 Pa.
Keywords: Exhaust gas, Internal combustion engine, Heat exchanger, Thermoelectricity, CFD
1. Introducción
En los motores de encendido por compresión, la
combustión se inicia mediante un proceso de
autoencendido de la mezcla de combustible al conseguirse
temperaturas suficientemente altas en la cámara de
combustión debido al proceso de compresión. Para
controlar de modo aproximado el instante de encendido,
durante el proceso de admisión se introduce solamente aire.
Después el combustible se inyecta hacia el final de la
carrera de compresión, cuando el aire alcanza niveles de
temperatura altos para producir el autoencendido [1].
En el proceso de combustión, no toda la energía se
logra transformar en energía mecánica para movimiento
del automóvil, por ejemplo, de acuerdo a análisis
energéticos [2], se encuentra que utilizando un análisis de
primera ley, la energía de la combustión se distribuye en un
10.4% de potencia al freno, 27.7% en forma de calor
contenida en los gases de escape y el 61.9% distribuida
entre la fricción, el refrigerante, entre otros; mientras que,
si se realiza un análisis exergético de segunda ley, se
obtiene una distribución de energía de 9.7% de potencia al
freno, 8.4% de energía en forma de calor contenida en los
gases de escape y el 81.9% restante está distribuido entre
ISSN 2448-5551 TF 39 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
irreversibilidades, fricción, refrigerante, entre otros. Lo
anterior queda representado en la Fig. 1.
Otro estudio [3], por ejemplo, menciona que la energía
usada en la combustión de diésel, de acuerdo a la primera
ley, se distribuye en 25% movilidad, 30% refrigerante,
40% gases de escape y 5% pérdidas varias.
Lo anterior cobra relevancia si se considera que el
motor es la pieza fundamental que conforma a la mayoría
de los medios de transporte. Tan solo en México, en el año
2015 de acuerdo a datos de la SENER [4], el total de
vehículos en el país era de 33.4 millones. De esta cantidad,
las camionetas representan el 36.5%, los vehículos
compactos el 21.9% y los subcompactos el 17.7%, el
restante se dividía en otro tipos de autos. Junto con esto, en
el mismo año la obtención de gasolina y diésel,
representaban el 33.3% y el 29.8% de la producción total
nacional de petrolíferos, respectivamente. De acuerdo a
SENER [4], también se espera que en los próximos 15 años
el sector transporte incremente 40.0% la demanda de
combustibles. Es por esta razón, que no se puede pasar por
alto el hecho de la baja eficiencia del motor. Con la
finalidad de atender la problemática anterior, se han
desarrollado diferentes tecnologías.
Figura 1 – Diagrama de Sankey para la distribución de la energía de
combustión en un motor diésel.
Por ejemplo, existe el trabajo desarrollado por Conklin
y Szybist [5] que consiste en el esquema teórico de un
motor de 6 tiempos. Está el ciclo Rankine de fondo [6–8],
el cual utiliza el concepto del ciclo Rankine convencional.
Hay otro tipo de tecnología más clásica como lo es el
turbocargador [2, 9]. Están también los generadores
termoeléctricos [2, 3, 10], tecnología que ha estado
ganando auge recientemente, debido a su generación de
electricidad a partir de un gradiente de temperaturas.
En este trabajo se lleva a cabo el análisis numérico de la
geometría de un intercambiador para su acoplamiento en
un sistema de generación termoeléctrica automotriz. El
análisis se lleva a cabo mediante el programa
computacional ANSYS para cuatro regímenes de giro; 800,
1200, 1600 y 2000 rpm. Se analizan los parámetros de
calor transferido hacia el exterior, temperatura, velocidad y
presión de los gases de escape.
1.1. Generadores termoeléctricos
Son dispositivos de estado sólido que producen energía
eléctrica a partir de diferencias de temperaturas aplicadas a
lo largo del generador termoeléctrico [10]. Los módulos
termoeléctricos están conectados eléctricamente en serie y
térmicamente en paralelo, cada módulo termoeléctrico está
compuesto de varias decenas a centenares de duplas de
termopares tipo p y n, donde el primero tiene espacios
libres en su última capa de valencia y el segundo tiene un
exceso de electrones para llevar la corriente eléctrica.
Cuando el calor fluye de la superficie caliente a la
superficie fría a través del material termoeléctrico, cargas
libres de los semiconductores también están en movimiento
[10]. El interior de un módulo termoeléctrico se muestra en
la Fig. 2 [11].
Éste movimiento de carga convierte la energía térmica
en energía eléctrica. El fenómeno anterior se le conoce
como efecto Seebeck y fue descubierto en 1821 por
Thomas Johann Seebeck [10].
Figura 2 – Diagrama de un módulo termoeléctrico.
Seebeck reportó que una energía potencial
termoeléctrica podría ser desarrollada en la presencia de
una diferencia de temperaturas a lo largo de dos materiales
disímiles. Al incrementar la diferencia de voltaje, V,
incrementa la diferencia de temperaturas entre las dos
juntas. La constante proporcional relacionada con la
propiedad intrínseca del material es conocida como el
coeficiente Seebeck, el cual se presenta en la ecuación (1).
Este coeficiente es relativamente bajo para materiales como
metales, aproximadamente 0 V/K, mientras que podría ser
mucho más grande para un semiconductor,
aproximadamente + 200 V/K [12]. El coeficiente de
Seebeck está relacionado con el cambio de voltaje y
temperatura como se muestra en (1).
𝛼 =∆𝑉
∆𝑇 (1)
Los generadores termoeléctricos poseen las siguientes
ventajas [3, 12, 13] :
Conversión directa de energía
No contienen partes móviles
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No utilizan fluidos de trabajos
Un periodo de vida más largo
No se ven afectados por el escalamiento
No son ruidosos al momento de la operación
Cualquier posición de trabajo es posible
No emiten gases nocivos
Utilizan tecnología reversible
Operación confiable
A pesar de lo anterior, la baja eficiencia y el alto costo
de fabricación han sido una barrera para su desarrollo en
aplicaciones comunes [3].
Para mejorar el desempeño de un módulo
termoeléctrico, se utiliza la eficiencia, ecuación (2)
presentada de esta forma en [3], que se define como la
relación de la energía eléctrica producida Welec con
respecto a la energía térmica que entra por la cara caliente
Qh, de un módulo termoeléctrico y el término ZT, llamado
figura de mérito [12], que es una forma muy conveniente
de comparar las propiedades de los materiales, además de
jugar un papel muy importante en la maximización de
energía [14], el término ZT queda expresado en la ecuación
(3).
𝜂𝑡ℎ =𝑊𝑒𝑙𝑒𝑐
𝑄ℎ=
∆𝑇
𝑇𝐻
√1 + 𝑍𝑇 − 1
√1 + 𝑍𝑇 + 𝑇𝐶𝑇𝐻
(2)
𝑍𝑇 =𝛼2
𝑘𝜎𝑇 (3)
Los materiales termoeléctricos que actualmente están
disponibles tienen un ZT alrededor de 1 o menor. En las
últimas décadas, telururo de bismuto, Bi2Te3, ha sido el
único material que ha sido utilizado para módulos
termoeléctricos industriales. Para estos módulos el valor
promedio de ZT está entre 0.5 y 0.8. La meta de los
laboratorios es desarrollar materiales con un ZT de 2 para
obtener una eficiencia por encima de 10% [3]. La estrategia
convencional para mejorar los valores ZT consiste en
modificar la estructura cristalina de los materiales que
posean por naturaleza buenas propiedades eléctricas
aleando y/o insertando especies externas para disminuir la
conductividad térmica. Otra manera es, diseñar materiales
nuevos con valores bajos de conductividad térmica
intrínsecos, lo cual dejaría el factor de energía 2/ como
el único parámetro relevante a optimizar [12].
2. Aplicaciones de generadores termoeléctricos
Los generadores termoeléctricos se utilizan en varias
áreas de interés en dónde se ven involucrados fenómenos
de transferencia de calor y electricidad, como lo son, en
motores de automóviles [15, 16], hornos industriales,
dispositivos biomédicos, sistemas de calentamiento solar
Sistemas de telemetría, en el área aeroespacial, entre otras.
2.1. Prototipos de generadores termoeléctricos
Los prototipos utilizados, constan generalmente de tres
secciones: un intercambiador de calor por donde fluyen los
gases de combustión, una sección en donde están
colocados los módulos termoeléctricos y un disipador de
calor. En la Fig. 3, se muestra el esquema típico de un
generador termoeléctrico para los gases de escape de un
motor de combustión interna [25].
Figura 3 – Esquema de un generador termoeléctrico típico para
los gases de escape de un motor de combustión interna.
Park et al [16], lograron reemplazar el radiador
convencional de un automóvil para pasajeros mediante el
uso de módulos termoeléctricos y tubos evacuados.
Lograron generar 75 W. Cabe mencionar que el fluido
caliente era el anticongelante del radiador y el fluido frío
era el aire exterior. Hsu et al [15], lograron instalar un
generador termoeléctrico en un Chrysler Neon de 2000
cm3. La energía que lograron obtener fue de 12.4 W por
módulo. En ambos estudios utilizaron Bi2Te3.
Por otro lado, varias empresas automotrices se han
involucrado en el estudio de generadores termoeléctricos.
Por ejemplo, Gentherm, antes Amerigon y BSST ha
llevado a cabo estudios en cuanto a la geometría específica
de módulos termoeléctricos para BMW y Ford [26];
también Ford ha conducido experimentos en conjunto con
el Departamento de Energía, DOE por sus siglas en inglés,
de los Estados Unidos, ha llevado a cabo la instalación de
un generador termoeléctrico en un Ford Fusion de 3.0 L V6
[27], el objetivo era producir 500 W cuando el vehículo
viaja a 100 km/h, de los cuales solo se produjeron 250 W
[28].
En Europa, Renault, Volvo, Valeo y laboratorios
académicos trabajaron en el proyecto RENOTER, del 2008
al 2011 [29, 30]. En el proyecto se estudió un automóvil
con motor diésel de 2.0 L, al cual se le montó un generador
termoeléctrico en el escape para alcanzar 300 W y se
estudió también, un camión grande con motor diésel de 11
L, al cual se le montó un generador termoeléctrico en el
sistema de recirculación del gas de escape con la finalidad
de alcanzar 1 kW. En ambos casos, la caída presión en el
intercambiador de calor no sobrepasó los 30 mbar. El
generador termoeléctrico estuvo constituido por materiales
no tóxicos como el MnSi y el Mg2Si. Los resultados
obtenidos indicaron que para el automóvil se pueden
obtener 130 W en condiciones de autopista, pero se puede
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ISSN 2448-5551 TF 41 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
elevar hasta 250 W para un carro a gasolina y hasta 350 W
si se utiliza un condensador adecuado en la recirculación
del gas de escape de un camión.
FIAT y Chrysler presentaron un vehículo comercial
ligero equipado con un TEG [31] mediante el proyecto
HEATRECAR. Los resultados obtenidos de dicho proyecto
indicaron que se tuvo un ahorro de combustible del 3.9 %,
lo que equivale a una reducción de 6.7 g CO2/km. El
generador termoeléctrico utilizado era de Bi2Te3. El
prototipo ayudó a descubrir que el costo por watt de
energía producida era de 8.4 libras por watt, un 20% del
costo recaía en el precio del material con el que se
elaboraba el generador termoeléctrico y hasta un 73% del
costo recaía en la manufactura. El máximo costo permitido
por la industrias en términos de libra por watt se ha
estimado como sigue [3]: para un automóvil convencional
privado o taxi híbrido a gasolina, 0.5 libras por watt; para
un camión ligero en los Estados Unidos de América, 0.7
libras por watt; para un camión ligero a diésel, 1.5 libras
por watt; para un taxi convencional a diésel, 3 libras por
watt.
2.2. Trabajos relacionados con generadores
termoeléctricos en el mundo
De acuerdo a la investigación de Karvonen [32], entre
1993 y 2012 hubo 15 755 aplicación de patentes
relacionadas con tecnologías de recuperación de calor,
distribuidas en 64 países. Del total de patentes, 208 estaban
relacionadas con generadores termoeléctricos. Las cuales
estaban distribuidas en su mayoría, entre países como:
Estados Unidos, Corea del Sur, Alemania, China, Japón,
así como la Oficina europea de patentes y otros países que,
en conjunto, han aportado patentes de impacto relacionadas
con dicha tecnología. Lo anterior se presenta en la Fig. 4.
Por otro lado, de las 208 patentes, 118 se distribuyen entre
las empresas que se presentan en la tabla 1.
Tabla 1 – Empresas que más patentes relacionadas con los
generadores termoeléctricos en aplicaciones automotrices aportaron
entre 1993 y 2012.
Empresa (País) Patentes
BMW (Alemania) 24
Toyota (Japón) 24
Emitec (Alemania) 21
Denso (Japón) 7
BSST LLC (USA) 8
Daimler (Alemania) 8
Bosch (Alemania) 7
Eberspächer (Alemania) 7
Hyundai (Corea del sur) 7
AVL (Austria) 5
Figura 4 – Distribución mundial de las patentes relacionadas con
generadores termoeléctricos, entre 1993 y 2012.
3. Metodología
3.1. Adquisición de datos para la simulación
Los datos utilizados en la simulación fueron adquiridos
mediante un banco de pruebas como el que se presenta en
la Fig. 5. El banco de pruebas consta de un motor de
combustión interna de diésel de la marca Cummins,
modelo 6BTA, de 5.9 litros. Seguido del mismo, está
instalado un sistema modular de postratamiento compuesto
por el catalizador de oxidación de diésel y por un filtro de
partículas. A continuación está un sistema de
recalentamiento de gases el cual consta de un recipiente
que actúa como remanso para amortiguar las vibraciones y
pulsaciones provenientes del motor cuando está encendido.
El sistema de recalentamiento cuenta con 4 resistencias
eléctricas de calentamiento, 2 de 3.5 kW y 2 de 5 kW. Al
final de los componentes antes mencionados se planea
colocar el intercambiador de calor, que se muestra en la
Fig. 6. Está fabricado en acero inoxidable, posee una
longitud total de 60 cm, en el centro hay una sección
rectangular de 20 cm de largo, 4.4 cm de alto y 10.1 cm de
ancho. Está integrado por 19 aletas de 1 mm de espesor y
separadas 4 mm una de otra. En la Tabla 2 se presentan los
datos obtenidos experimentalmente con los cuales se
realiza la simulación
3.2. Condiciones utilizadas en ANSYS
Para utilizar la dinámica de fluidos computacional, se
utiliza el programa de computadora ANSYS Workbench.
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Con dicha herramienta es posible la discretización de la
pieza, poniendo mayor énfasis en el centro del
intercambiador, lugar en donde están situadas las aletas que
retiran el calor de los gases de escape.
Figura 5 – Instalación experimental del banco de pruebas.
Figura 6 – Intercambiador de calor.
Tabla 2 – Datos experimentales recopilados
RPM Flujo másico
(kg/s)
Temperatura de
entrada (°C)
Presión de
salida (Pa)
800 0.0395 120 94873
1200 0.0569 150 95174
1600 0.07024 180 95587
2000 0.0804 200 96095
La discretización consiste en dividir en pequeñas partes
una pieza tridimensional continua. Con lo anterior se logra
la formación de nodos a lo largo de la pieza de interés. Con
ello es posible resolver las ecuaciones de conservación de
energía, masa y/o momento en cada nodo. Lo anterior da
un resultado aproximado del comportamiento real del
fenómeno, además de hacer uso de recursos
computacionales menores a si se tratara de resolver de
manera continua la pieza tridimensional. La simulación se
lleva a cabo en ANSYS Fluent, el solucionador utilizado es
el basado en presión, ya que es el tradicionalmente usado
para fluidos incompresibles y medianamente compresibles.
Además de lo anterior, un fluido compresible se puede
manejar como incomprensible si la velocidad del mismo es
menor a 100 m/s o si su número de Mach es menor a 0.03
[33]. Debido a que en un motor diésel la relación
aire/combustible es de 15:1, para los fines de la simulación,
se considera que los gases de escape son solo aire. Se
activan los modelos de energía y de turbulencia de
FLUENT. Para la turbulencia se escoge el modelo k-
realizable, ya que posee una razonable precisión para un
amplio rango de flujos turbulentos y utiliza poco recurso
computacional en comparación con otros modelos de
FLUENT. Se incluye la opción de un tratamiento cercano a
las paredes de las aletas. Esto con la finalidad de conocer
de manera más precisa el comportamiento del fenómeno
pero sin la necesidad de aplicar un mallado más fino a la
capa límite de las aletas. Lo anterior significaría hacer un
mayor uso de las capacidades del ordenador, retardando la
convergencia de la solución. El esquema de interpolación
utilizado para la presión es el de segundo orden, debido a
que se utiliza para flujos compresibles o incompresibles en
los que no hay medios porosos, saltos, abanicos o modelos
multifásicos. Para los demás esquemas de discretización, se
utiliza el modelo QUICK, ya que es aplicable a mallas
cuadrilaterales o hexahédricas, Se utilizada el método de
Green-Gauss basado en celdas, debido a que la malla es
ortogonal y está alineada con el fenómeno, haciendo
posible que, la resolución de la simulación sea más rápida.
La información se transmite por medio de los centroides de
los volúmenes de control.
Para estimar el flujo de calor que se transfiere al
exterior, se utiliza la opción de Fluent para crear iso-
superficies. También se crean zonas mediante el apoyo de
ANSYS Workbench para resaltar las secciones de interés.
Se utiliza la opción de contornos que aparece en el
apartado de gráficas y animaciones de Fluent. En dicha
opción se escoge el contorno del flujo de calor total en la
superficie, de tal manera que, se puede obtener un estimado
de la transferencia de calor a través de las paredes del
intercambiador. La efectividad se calcula a partir de la
relación del flujo de calor que sale de la superficie plana
del intercambiador con respecto a la que está entrando.
3.3. Caso de estudio
Los regímenes que soporta el motor Cummins, modelo
6BTA, de 5.9 litros van desde los 800 hasta los 2000 rpm.
Por lo tanto, se harán cuatro simulaciones numéricas con el
apoyo del programa computacional ANSYS. En ellas, se
incluyen los regímenes de 800, 1200, 1600 y 2000 rpm.
Se lleva a cabo un análisis de dependencia de malla en
donde se considera la simetría del intercambiador. Se
escogen 4 diferentes tamaños de malla, los cuales son de 3,
5, 10 y 15 millones de elementos. Se selecciona a la
temperatura y a la velocidad como las variables de interés.
Además, como una variable de interés secundario, se añade
la presión de los gases de combustión. Se escoge la malla
que mejor nos represente el fenómeno de estudio y que use
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el menor tiempo computacional para llevar a cabo las
simulaciones.
Finalmente, se lleva a cabo un análisis de los resultados
obtenidos de las simulaciones llevadas a cabo mediante el
programa de ANSYS.
4. Resultados
En la Fig. 7 se presenta la sección en la que se llevó a
cabo el análisis de dependencia de malla. Se escogió esa
sección debido a que se tiene un estimado del
comportamiento hidrodinámico del fluido a lo largo del
intercambiador.
Figura 7 – Sección lateral del intercambiador en donde se lleva a
cabo el análisis de dependencia de malla.
En la Fig. 8 se muestran los resultados obtenidos del
análisis de dependencia llevado a cabo. En la Fig. 8(a) se
presentan los resultados para la temperatura y en la Fig.
8(b) se presentan los resultados para la velocidad.
Las gráficas que se presentan tanto en la Fig. 8(a) y en
la Fig. 8(b) muestran que, independientemente del número
de elementos, se tienen comportamientos similares, se
escoge la malla de 5 millones de elementos. El motivo de
lo anterior es asegurar que se está utilizando una malla que
está dentro de un número de elementos en el que se puede
esperar una predicción del fenómeno a estudiar coherente.
La simulación con 5 millones de elementos tarda entre un
día y día y medio en llevarse a cabo con un equipo de
cómputo Dell modelo Precision T7610 con un procesador
Intel Xeon de 2.10 GHz.
Se realiza un estudio del comportamiento hidrodinámico
del flujo de gases de combustión mediante los parámetros
de temperatura, presión y velocidad para secciones
específicas del intercambiador.
En la Fig. 9 se muestra una sección transversal del
intercambiador en donde se llevó a cabo el estudio
numérico del perfil de velocidades para el régimen de 1200
rpm. En la Fig. 9 se aprecia que en gran parte del
intercambiador la velocidad toma un valor constante, salvo
en los extremos del mismo. Lo anterior se debe a los
efectos de los gradientes térmicos y de presión. A pesar de
lo anterior, es un buen diseño para aprovechar un flujo
uniforme de los gases de combustión. Las velocidades que
se alcanza dentro de la zona aletada son: 12.8 m/s para 800
rpm, 18.1 m/s para 1200 rpm, 22.1 m/s para 1600 rpm y
25.1 m/s para 2000 rpm.
La simulación numérica se llevó a cabo para un plano en
la mitad del intercambiador. En la Fig. 9(a) se muestra la
sección del intercambiador en donde se llevó a cabo la
simulación. En la Fig. 9(b) se muestra los resultados de la
distribución del perfil de velocidades para dicha sección.
Figura 8 – Análisis de Malla de: a) Temperatura; b) Velocidad.
Figura 9 –Análisis numérico del perfil de velocidades para una
sección del intercambiador: a) Sección del intercambiador en donde
se lleva a cabo la simulación; b) Distribución de la velocidad de los
gases de combustión a lo largo del intercambiador a 1200 rpm.
a)
b)
a)
b)
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ISSN 2448-5551 TF 44 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
En la Fig. 10 se muestra la distribución de la presión de
los gases de combustión para una sección dada para el
régimen de 1200 rpm. De la Fig. 10 se aprecia que la
distribución de presión tiene un comportamiento esperado.
A la entrada se encuentra una magnitud de presión mayor
que a la salida. Además, la distribución de presión se casi
constante si se analiza por secciones del intercambiador.
De acuerdo a los resultados obtenidos, se esperaría que no
hubiera problema con el hecho de tener casos de
contrapresión en donde hubiera retroceso de flujo o que
existiera alguna situación en donde se comprometiera el
buen funcionamiento del motor.
El comportamiento es similar para los otros regímenes
de motor utilizados en la simulación. La caída de presión
para los regímenes estudiados son: 100 Pa para 800 rpm,
300 Pa para 1200 rpm, 500 Pa para 1600 rpm, y 600 Pa
para 2000 rpm. En la Fig. 10(a) se muestra la sección
utilizada en la que se lleva a cabo la simulación. En la Fig.
10(b) se muestran los resultados de la simulación para la
sección dada.
En la Fig. 11 se muestra la distribución de temperaturas
para la superficie en donde se acoplarán los módulos
termoeléctricos. Lo anterior es para el régimen de 1200
rpm. De la Fig. 11 se aprecia que se alcanza una
distribución de temperaturas uniforme en las aletas.
Además, conforme se desplaza el flujo de la entrada a la
salida, hay un decremento de temperatura superficial. Se
aprecia que en los extremos, es donde se tiene la menor
energía térmica para ser aprovechable. Lo anterior es algo
que se puede ignorar hasta cierto punto, ya que se pretende
que los módulos termoeléctricos sean montados cerca del
centro, que es en donde se tiene la mayor cantidad de
energía térmica para ser aprovechable. El comportamiento
es similar para los otros regímenes de motor utilizados en
la simulación. En la Fig. 11(a) se muestra la parte del
intercambiador en donde se lleva a cabo la simulación. En
la Fig. 11(b) se presentan los resultados de la distribución
de temperatura para la superficie superior del
intercambiador de calor
Figura 10 – Análisis numérico de la distribución de presión para
una sección del intercambiador: a) Sección del intercambiador en
donde se lleva a cabo la simulación; b) Distribución de la presión de
los gases de combustión a lo largo del intercambiador a 1200 rpm.
En la Fig. 12 se muestra la tasa de transferencia de calor
superficial para el régimen de 1200 rpm. La simulación fue
llevada a cabo para la misma sección presentada en la Fig.
11(a). En la Fig. 12 se aprecia que se tiene una tasa de
transferencia de calor casi constante a lo largo de la
superficie del intercambiador. Salvo por la sección de
entrada y salida donde la variación de transferencia de
calor se aprecia de mejor manera. Se obtiene una caída de
temperatura de 17 °C para 800 rpm, 15 °C para 1200 rpm y
14 °C para los regímenes de 1600 y 2000 rpm.
Figura 11 – Análisis numérico de la distribución de temperatura
para la superficie superior del intercambiador: a) Sección del
intercambiador en donde se lleva a cabo la simulación; b)
Distribución de la temperatura superficial del intercambiador a 1200
rpm.
Se encuentran que para el régimen más bajo es posible
remover el 29.7% de la energía térmica, mientras que, para
el régimen más alto es posible remover el 29%. Lo
anterior es considerando que el intercambiador está
expuesto al ambiente y no se está utilizando un fluido
mediante convección forzada para remover energía
térmica.
Figura 12 – Distribución de la tasa de transferencia de calor
superficial para
En la Tabla 3 se muestra la cantidad de energía que
podría ser aprovechada del intercambiador en total para las
superficies superior e inferior en conjunto.
a)
b)
a)
b)
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Tabla 3 – Calor transferido al exterior a partir de lo calculado
teóricamente y de lo recopilado experimentalmente.
Régimen de motor
(RPM)
Tas de transferencia de
calor (J/s)
800 48.0
1200 66.6
1600 84.8
2000 97.2
5. Conclusiones
En este trabajo se lleva a cabo el análisis numérico de la
geometría de un intercambiador para su acoplamiento en
un sistema de generación termoeléctrica automotriz. El
análisis se lleva a cabo mediante el programa
computacional ANSYS para cuatro regímenes de giro; 800,
1200, 1600 y 2000 rpm. Se analizan los parámetros de
calor transferido hacia el exterior, temperatura, velocidad y
presión de los gases de escape. De acuerdo a lo realizado
en este trabajo se concluye que:
La efectividad del intercambiador es: para el régimen de
800 rpm se obtiene una eficiencia de 29.7%, para el
régimen de 1200 rpm, una de 29.3%, para el régimen de
1600 rpm, una de 29.1% y para el régimen de 2000 rpm,
una de 29.0%. Se aprecia que la eficiencia se mantiene
casi constante para los regímenes estudiados.
De acuerdo a los resultados de la simulación, la caída de
presión para los regímenes estudiados son: 100 Pa para
800 rpm, 300 Pa para 1200 rpm, 500 Pa para 1600 rpm,
y 600 Pa para 2000 rpm. Los resultados sugieren que las
caídas de presión son pequeñas, por lo tanto, el
desempeño del motor no debe verse afectado al colocar
el intercambiador en el múltiple de escape.
La distribución de velocidad en la zona aletada del
intercambiador, en su mayoría es uniforme, lo que
aseguraría una buena distribución de la temperatura
superficial del intercambiador, las velocidades que se
alcanza dentro de la zona aletada son: 12.8 m/s para 800
rpm, 18.1 m/s para 1200 rpm, 22.1 m/s para 1600 rpm y
25.1 m/s para 2000 rpm.
La distribución de temperatura superficial es casi
uniforme, ya que se tienen caídas de temperatura de: 17
°C para 800 rpm, 15 °C para 1200 rpm y 14 °C para
1600 y 2000 rpm. Lo anterior está en relación con el
hecho de que a 800 rpm se tiene una transferencia de
calor hacia el exterior mayor que a 2000 rpm.
Agradecimientos
Se agradece a la Fundación Denso de Norteamérica por su
apoyo económico mediante el proyecto titulado
“Thermodynamics performance of heat exchangers and
termal electric generators coupled for internal combustion
engines applications”. Se agradece también al Consejo
Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y a FIME
UANL.
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