6.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN A SIMULAR

Transcripción

1 6. EJEMPLO DE APLICACIÓN 6.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN A SIMULAR En el presente apartado, se va a realizar una descripción de los componentes y el modo de funcionamiento del sistema de refrigeración del vehículo del Proyecto Hércules, con el que se hará una simulación de su radiador, para comprobar su validez como intercambiador de calor de la pila de combustible. El sistema de refrigeración se divide en dos subsistemas, uno destinado a la refrigeración de la pila de combustible, y otro destinado a la refrigeración del motor eléctrico y del sistema de gestión de potencia. El sistema de refrigeración de la pila consta de los siguientes elementos: - Intercambiador de calor aire/agua, de flujo cruzado, comúnmente denominado radiador. Como primera posibilidad de intercambiador se plantea usar el que dispone el propio vehículo. - Bomba de circulación de fluido refrigerante, capaz de vehicular 100 l/h. Su alimentación se realizará mediante corriente continua, con una tensión de 24 o 48 V. Esta bomba estará controlada por el sistema central de control, que recibirá una señal con la temperatura del fluido refrigerante. - Ventilador de aire. Necesario para hacer circular aire por el intercambiador de calor cuando el vehículo circule a una velocidad por debajo de la necesaria para que se realice correctamente el proceso de refrigeración. - Sensor de temperatura del fluido refrigerante. Encargado de medir la temperatura del fluido. Este sensor estará conectado al sistema general de control del vehículo. - Intercambiador de calor agua/agua, es el encargado de intercambiar la energía térmica entre el fluido que circula por el interior de la pila y el que circula por el circuito primario de refrigeración. Se debe disponer de este intercambiador secundario debido a las necesidades de pureza del agua refrigerante de la pila, que no se puede poner en contacto con superficies de aluminio o cobre, materiales más usados en la fabricación de intercambiadores aire/agua de flujo cruzado. Este intercambiador agua/agua debe estar construido con un material inoxidable. - Tuberías de material plástico, con capacidad para soportar presiones de hasta 6 kg/cm 2. 61

2 El sistema de refrigeración del gestor de potencia y del motor eléctrico necesita los siguientes elementos (no se describen ya que su funcionamiento es simular al anterior sistema de refrigeración): - Intercambiador de calor aire/agua, de flujo cruzado. - Bomba de circulación de fluido refrigerante. - Ventilador de aire. - Sensor de temperatura del fluido refrigerante. - Tuberías de material plástico, con capacidad para soportar presiones de hasta 6 kg/cm 2 y temperaturas próximas a los 100 ºC. En primer lugar, hay que resaltar que el sistema de refrigeración se ha dividido en dos sistemas independientes, ya que las temperaturas nominales de trabajo y las condiciones de trabajo de los dispositivos a refrigerar son diferentes. La pila de combustible presenta una temperatura nominal de trabajo aproximada de 60ºC, con una gran pureza del agua de refrigeración. El sistema gestor de potencia y el motor eléctrico tienen una temperatura de trabajo en torno a 85 ºC, y las necesidades de pureza de agua no son tan estrictas. El funcionamiento de ambos sistemas es similar y se describe a continuación: El dispositivo a refrigerar intercambia calor con el fluido refrigerante que circula por su interior, generalmente agua desionizada. En el caso concreto de la pila de combustible, esta agua desionizada cede su calor a otro fluido de trabajo por medio de un intercambiador de calor agua/agua. En el caso del sistema del gestor de potencia y motor, este intercambiador secundario no es necesario. El fluido refrigerante del circuito primario, movido a través de una bomba de agua, cede su calor al aire ambiente por medio de un intercambiador de calor aire/agua de flujo cruzado. El aire circula debido al movimiento del vehículo, o si se encuentra detenido, debido al ventilador acoplado al intercambiador. El fluido refrigerante enfriado vuelve al dispositivo para iniciar de nuevo el ciclo. En el caso de la pila de combustible, vuelve al intercambiador secundario. Todo este sistema de refrigeración, se encuentra operado por el sistema de control general. Éste debe comprobar la temperatura de trabajo de los dispositivos a refrigerar y si la temperatura supera la de consigna, manda una señal a la bomba de circulación del fluido refrigerante y al ventilador para que entren en funcionamiento. Cuando la temperatura de los dispositivos vuelva a estar por debajo de la consigna, se enviará una señal de parada a la bomba de circulación y al ventilador. 62

3 A continuación, se muestra esquemáticamente los sistemas de refrigeración de la pila de combustible, y del conjunto motor eléctrico gestor de potencia. (1) (2) (3) (5) (4) (6) (1) Intercambiador aire/agua (4) Bomba de circulación (2) Ventilador de aire (5) Pila de Combustible (3) Intercambiador agua/agua (6) Sistema de control central Figura 29. Esquema de componentes del sistema de refrigeración de la pila de combustible. (1) (2) (4) (3) (5) (1) Intercambiador aire/agua (4) Gestor de Potencia y Motor (2) Ventilador de aire (5) Sistema de control central (3) Intercambiador agua/agua Figura 30. Esquema de componentes del sistema de refrigeración de la pila de combustible. 63

4 6.2. SIMULACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR ORIGINAL DEL VEHÍCULO DEL PROYECTO HÉRCULES Se va a analizar el intercambiador de calor del vehículo del Proyecto Hércules, para comprobar si es capaz de satisfacer las necesidades de refrigeración de la pila de combustible. Los datos principales del intercambiador de calor son los siguientes: Constructor Radiadores Ordóñez Área frontal intercambio 0,203 m 2 Ancho radiador 0,044 m Material Aluminio Número de tubos por fila 265 Número de tubos por columna 28 Tabla 6. Características principales del radiador del vehículo del Proyecto Hércules. Otros datos de interés son: Longitud de los tubos: Diámetro exterior de los tubos Espesor de los tubos Longitud de las aletas Espesor de las aletas Conductividad de las aletas 0,4792 m 0,01 m 0,001 m 0,044 m 0,0005 m 170 W/m.K Las necesidades de refrigeración de la pila de combustible se pueden estimar, a través de las simulaciones realizadas usando la herramienta informática ADVISOR. En la Tabla 7, se muestra la potencia térmica que debe disipar la pila de combustible en función de la velocidad a la que circula el vehículo. Velocidad (km/h) Q térmica (W) Tabla 7. Potencia térmica a disipar por el intercambiador de calor de la pila de combustible. 64

5 Para realizar la simulación del radiador se van a suponer las condiciones más desfavorables de uso: - Temperatura de aire exterior a la entrada del intercambiador: 30 ºC - Caudal de aire que circula a través del intercambiador: es función de la velocidad del vehículo. Se supone que no existe pérdida de carga en el frontal de vehículo. - Temperatura de agua de refrigeración a la entrada del intercambiador: 60 ºC. - Caudal del agua de refrigeración: 50 l/min. Con estas condiciones, el intercambiador de calor del vehículo presenta el siguiente comportamiento: Velocidad (km/h) Q modelo (W) Q termica (W) T aire Entrada T aire Salida T agua Entrada T agua Salida , , , , , , , , , , , ,97 Tabla 8. Resultados de la simulación. A la vista de la Tabla 8, el intercambiador del vehículo Santana 350 es compatible con las necesidades de refrigeración de la pila de combustible hasta una velocidad de 90 km/h. Para una velocidad de circulación de 120 km/h, la pila de combustible se encuentra a su máxima potencia de generación eléctrica, necesitando el máximo aporte de refrigeración. En estas condiciones, el intercambiador no es capaz de realizar ese aporte de refrigeración. Si las condiciones climáticas fueran muy suaves, por ejemplo, considerando el aire ambiental a 12 ºC. A 120 km/h, el intercambiador sería capaz de disipar una potencia térmica de W, suficiente para las necesidades de la pila de combustible. 65

6 Si aumentamos el caudal de agua de operación hasta 97 l/min (caudal de operación de la pila) el intercambiador de calor del vehículo presenta el siguiente comportamiento: Velocidad (km/h) Q modelo (W) Q termica (W) T aire Entrada T aire Salida T agua Entrada T agua Salida , , , , , , , , , , , ,88 Tabla 9. Resultados de la simulación para un caudal de agua de 97 l/min. A la vista de la Tabla 9, a pesar de que la potencia térmica disipada ha aumentado en torno a un 20%, para una velocidad de circulación de 120 km/h, el intercambiador no es capaz de realizar ese aporte de refrigeración. En dicha simulación, partiendo de una velocidad del aire de 50 km/h, también se varió la temperatura del aire exterior para ver cual era el comportamiento del intercambiador en estudio. En la Gráfica 1 se muestra la variación de la potencia térmica capaz de disipar el intercambiador de calor en estudio frente a dicha temperatura: Q (W) Tae Gráfica 1: Resultados de la simulación T ae frente a Q. 66

7 A la vista de la gráfica vemos como al aumentar la temperatura del aire exterior el intercambiador de calor va disipando cada vez menos calor, lo cual, era de esperar si tenemos en cuenta el siguiente balance: Q m Cp T T,, aire aire aire s aire e Resaltar además, que al aumentar la temperatura del aire exterior también se aumenta la temperatura del aire a la salida del intercambiador y la temperatura del agua de refrigeración a la salida de éste, como se puede apreciar en las siguientes gráficas: Tas Tae Gráfica 2: Resultados de la simulación T ae frente a T as. 67

8 53,5 53,15 52,8 Tws 52,45 52,1 51, Tae Gráfica 3: Resultados de la simulación T ae frente a T ws. De forma contraria, al variar la temperatura del agua a la entrada del intercambiador de calor, éste es capaz de ir disipando mayor calor, como se observa en el siguiente balance: T T Q magua Cp agua agua, e agua, s (1) En la Gráfica 4, se observa dicha evolución: Q (W) Twe Gráfica 4: Resultados de la simulación T we frente a Q. 68

9 Por otro lado, destacar que al aumentar la temperatura del agua a la entrada del intercambiador, la temperatura del agua a la salida del mismo aumenta: Tws Twe Gráfica 5: Resultados de la simulación T we frente a T ws. En la siguiente tabla quedan recogidas las velocidades mínimas para suplir la disipación de calor necesaria para una correcta refrigeración de la pila de combustible. V viento_minima (km/h) Q térmica (W) 3, Tabla 10. Velocidades mínimas para el intercambiador de calor del Proyecto Hércules. 69

10 6.3. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR CON MICROCANALES Se va a modificar el intercambiador de calor del vehículo del Proyecto Hércules, incorporándole unos microcanales por los que circulará el fluido de trabajo. Los datos principales del intercambiador de calor son los siguientes: Área frontal intercambio 0,203 m 2 Ancho radiador 0,044 m Material Aluminio Número de columnas de tubos 27 Número de tubos por columna 265 Tabla 11. Características principales del radiador del vehículo del Proyecto Hércules. Otros datos de interés son: Longitud de los tubos: Diámetro exterior de los tubos Espesor de los tubos Longitud de las aletas Espesor de las aletas Conductividad de las aletas 0,4792 m 0,001 m 0,0001 m 0,044 m 0,0005 m 170 W/m.K Para realizar la simulación del radiador se van a suponer las siguientes condiciones: - Temperatura de aire exterior a la entrada del intercambiador: 27 ºC - Caudal de aire que circula a través del intercambiador: es función de la velocidad del vehículo. Se supone que no existe pérdida de carga en el frontal de vehículo. - Temperatura de agua de refrigeración a la entrada del intercambiador: 60 ºC. - Caudal del agua de refrigeración: 50 l/min 70

11 Con estas condiciones, el intercambiador de calor del vehículo presenta el siguiente comportamiento: Velocidad (km/h) Q modelo (W) Q termica (W) T aire Entrada T aire Salida T agua Entrada T agua Salida , , , , , , , , , , , ,87 Tabla 12. Potencia térmica a disipar por el intercambiador de calor por microcanales. En la Tabla 12, se observa que el intercambiador de calor por microcanales es compatible con las necesidades de refrigeración de la pila de combustible para todo el rango de velocidades, con lo cual, es una mejora factible para el intercambiador del vehiculo del Proyecto Hércules que no cumple con las necesidades de refrigeración a partir de los 30 km/h. La Gráfica 6 muestra el comportamiento del intercambiador de calor por microcanales variación de la potencia térmica capaz de disipar el intercambiador frente a la temperatura del aire a la entrada del mismo partiendo de una velocidad del aire de 50 km/h y variando la temperatura del aire exterior: Q (w) Tae Gráfica 6. Resultados de la simulación del intercambiador por microcanales Tae frente a Q 71

12 A la vista de la gráfica anterior vemos con la relación entre la temperatura del aire exterior y la potencia térmica a disipar es inversamente proporcional, cuanto mayor sea la temperatura del aire exterior menor será el calor disipado por el intercambiador. Además, la relación entre la temperatura del aire exterior con la temperatura del aire a la salida del intercambiador y la temperatura del agua de refrigeración a la salida del mismo es directamente proporcional, es decir, al aumentar la temperatura del aire exterior Tae aumentan tanto la temperatura del aire a la salida del intercambiador Tas como la temperatura del agua de refrigeración a la salida de éste Tws. En las gráficas 7 y 8 se muestran dichas relaciones: 44 43, ,5 42 Tas 41, , Tae Gráfica 2. Resultados de la simulación del intercambiador por microcanales Tae frente a Tas 72

13 47, ,5 46 Tws 45, , Tae Gráfica 8. Resultados de la simulación del intercambiador por microcanales Tae frente a Tws Por otro lado, al aumentar la temperatura del agua a la entrada del intercambiador de calor por microcanales, se disipa más calor en el mismo. En la Gráfica 9 se observa dicho comportamiento: Q (W) Twe Gráfica 9. Resultados de la simulación del intercambiador por microcanales Twe frente a Q 73

14 La relación existente entre la temperatura del agua a la entrada del intercambiador y la temperatura de ésta a la salida del mismo es también una relación directamente proporcional ver Gráfica Tws Twe Gráfica 10. Resultados de la simulación del intercambiador por microcanales Twe frente a Tws En la siguiente tabla quedan recogidas las velocidades mínimas para suplir la disipación de calor necesaria para una correcta refrigeración de la pila de combustible. V viento_minima (km/h) Q térmica (W) Tabla 13. Velocidades mínimas para el intercambiador de calor por microcanales. 74