Diseño y Fabricación de un Micro Intercambiador de

Transcripción

1 Diseño y Fabricación de un Micro Intercambiador de Haga clic para modificar el estilo Calor de de título Flujo del Cruzado patrón Haga clic para modificar el estilo de subtítulo del patrón 5º Curso de Ingeniería Industrial Sistemas Electrónicos Avanzados Microsistemas Juan José Medina Barrio Constantino García Sáncez

2 INDICE Introducción Parámetros de Realización Diseño del Intercambiador Predicciones del Modelo Fabricación Conclusiones

3 Introducción. La importancia de transferencia de calor entre fluidos Qué es un microintercambiador de calor? Aplicaciones: Automóvil, Aerospacial, Aire Acondicionado.

4 Introducción. No lo podemos comparar con los microintercambiadores existentes Usados principalmente en eración electrónica. Agua 11 W/K cm 2 Aire 0.25 W/K cm 2 Mezcla Bifásica 0.62 W/K cm 2

5 Introducción. Comparamos con los más recientes radiadores para automoción. Medida de comparación: q/a(t R -T aire ) Esta medida en los actuales radiadores es del orden: 0.31 W/cm 2 K

6 Otras consideraciones(filtrado, tamaño, peso.ruido) Parámetros de Realización. Objetivo del radiador: disipar el calor del motor, evitar sobrecalentamiento Maximizar la transferencia de calor/área frontal Sujeto a restricciones: Caída presión y temperaturas entrada de los fluidos.

7 Diseño del Intercambiador. Especificaciones Geometría Cálculos Optimización, cálculos del volumen y masa.

8 Diseño.Especificaciones. Caída de presión p aire = 175 Pa p = 5 KPa Temperatura de entrada. T aire = 20 ºC T = 95 ºC

9 Diseño. Geometría Dimensiones F w =5.1 cm F =5.1 cm Fig.1. Esquema del microintercambiador de calor de flujo cruzado.

10 Diseño. Geometría Variables: wxh: sección canal aire y: ancura aleta y 200µm w :ancura canal aire w 200µm b :ancura canal erante b 500µm Constantes: a: espesor pared =125µm L: profundidad canal aire=1.8 mm H Canal de agua ( p=5 kpa) a y b w Profundidad del canal =L Fig. 2. Esquema para las variables de diseño.

11 Diseño. Cálculos. Proceso Iterativo Objetivo:Obtener geometría maximice flujo calor/área frontal Fijadas: p, T aire,e, T.e, L Diámetro idraúlico : D Caída de presión aire: p = 4* A P f V 2D 2 L ( w* H ) (2w 2H ) V + K 2 2 Coeficiente convección: Nu aire k D aire f D L Re Pr, w H

12 Diseño. Cálculos. Coeficiente convección erante: Transferencia calor al aire: = 4k D w y w y w Q CV ( w y) L( T Ts ) T aire T aire T aire L= profundidad de canal Q CD k pared ( w a y) L ( T s T base ) Q A Q A Q A aire ( ηah w) L( Tbase Taire) T Q CV Q CD a Q T aire aire 1 a 1 R1 R2 R3 ( w y) L k T pared ( w T y) L aire ( η H a w) L T T

13 Diseño. Cálculos. Red de resistencias térmicas. R 1 1 ( w y) L R 2 a k pared ( w y) L R 3 1 aire ( ηah w) L tan 2 yk aire plástico H 2 η a 2 yk aire plástico H 2 q CANAL =2Q T R tot R 1 R2 R3 2

14 Diseño. Cálculos. Usando ecuación transferencia+balance de energía, suponiendo T =cte: q q canal canal = = DTLM m R TOT aire c p aire ( T T ) entrada aire salida aire T Taire salida 1 exp T T m c aire entrada aire p aire R tot Obtenemos: T aire-salida q canal q Nq canal N Área frontal total Área del volumen control ( b ( F 2a w x F ) H )( w y )

15 Diseño. Cálculos. Suponer T =cte es incorrecto. Usamos otro proceso iterativo error: N b F 2a H V D 2 32 p F w m = A V A b x1. 2mm T salida q = m c p ( T T salida ) entrada Hacemos la media entre entrada y salida, introducimos este valor en la ec. transferencia, volviendo a iterar T Paramos cuando salida - entrada< 0.5 K T T T

16 Diseño. Optimización, cálculos de volumen y masa. Optimización Variables: b, w, H, y. Volumen del intercambiador V inter =A frontal x L (longitud canales aire) Masa del intercambiador Def. volumen material efectivo M inter =V efec x ρ material

17 Predicciones del Modelo. TABLA I DISEÑO ÓPTIMO DEL I NTERCAMBIADOR DE CALOR (LONGITUDES EN m) Material k( W/ mk) w H y L a b V( m/ s) N q( W) Plástico Cerámico Aluminio TABLA II COMPARACIÓN EN LA REALIZACI ÓN DE INTERCAMBIADORES I ntercambiador p aire (Pa) p (Pa) q/ A(W/ cm 2 ) q/ A(W/ cm 3 ) q/ m(kw/ kg) de calor Webb [4]-1 Fila Webb [4]-2 Filas Parrino [5] Plástico MIC Cerámico MIC Aluminio MIC

18 Fabricación Proceso LIGA. Mecanizado. Alineación y ensamblaje.

19 Fabricación. Proceso LIGA. Fig. 4. Oro sobre la máscara de grafito para rayos-x. Fig. 4. Oro sobre la máscara de grafito.

20 Fabricación. Mecanizado. Fig.6.Insertado del molde de níquel. Fig.7.Grabado en relieve de una de las caras del intercambiador de calor.

21 Fabricación. Alineación y Ensamblaje. Fig. 8. Película cubierta por Uretano Fig. 9. Intercambiador de plástico, ya ensamblado (canales de aire) Fig.10 Intercambiador de plástico,ya ensamblado (canales de erante)

22 Conclusiones Comparación con métodos tradicionales. MIC Plástico 33.3 W/cm 3 MIC Aluminio 59.4 W/cm 3 Radiadores más recientes 9/Wcm 3 Viabilidad