8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Y REFRIGERACIÓN DE MOTOR 8.1 Introducción 8.2 Refrigeración por Aire 8.3 Refrigeración por Líquido 8.4 Intercambiadores de calor en Automoción 2 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR EN AUTOMOCIÓN 8.1 Introducción Tipos de transferencia de calor En los sistemas de intercambio energético el calor se transmite principalmente de 3 modos distintos: Conducción: El calor se transmite dentro de un sólido, líquido o gas por el contacto entre las partículas. Convección: El calor se transmite por partículas en movimiento de líquido o gas. Radiación: Calor transmitido de un cuerpo a otro por ondas electromagnéticas sin un portador material. Conducción Q= k ⋅ A ⋅ ∆T d INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS Convección Q& = λ ⋅ A ⋅ ∆T Radiación Q = ε ⋅σ ⋅ A ⋅ T 4 8.2 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Intercambiadores de calor en vehículos Bloque motor Radiador Intercooler Intercambiador del aceite EGR-cooler Refrigeradores de combustible Radiador del HVAC INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.3 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR ¿Qué es un Intercambiador de Calor? Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado con el objetivo de transferir calor de un medio a otro a diferente temperatura. En muchos casos, estos medios son dos fluidos que fluyen muy cerca el uno del otro, aunque separados por un material, generalmente metal, con buenas propiedades de transferencia de calor El fluido de mayor temperatura transfiere parte de su calor al fluido frío a través del intercambiador de calor disminuyendo la temperatura del fluido caliente y aumentando la temperatura del fluido frío INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.4 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Coeficiente global de transferencia de calor En el análisis de la transferencia de calor existente en un intercambiador de calor hay que tener en cuenta todas las resistencias térmicas existentes entre el foco frío y el foco caliente, y combinarlas todas para obtener el coeficiente global de transferencia, U. Re sistencia Re sistencia Re sistencia R = térmica del + térmica del + térmica del flujo inlerior material flujo externo R= 1 t 1 + + Ai ⋅ hi k ⋅ Am Ao ⋅ ho - Ao y Ai Área de las superficies exteriores e interiores (m2) - Am Área media logarítmica Am = - hi y ho Coeficientes de transferencia de calor interior y exterior (W/m2 K) k Conductividad térmica del material del intercambiador (W/m K) t Espesor de las placas, o tubos (m) R Resistencia térmica total entre el flujo interior y el exterior (K / W) INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS Ao − Ai ln ( Ao Ai ) 8.5 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR La transferencia de calor obtenida en el intercambiador se calculará mediante la expresión: Q = A ⋅ U ⋅ ∆T Siendo U el coeficiente global de transferencia de calor, el cual se calculará como: U= 1 A⋅ R - A Área de intercambio interior o exterior - ∆T Incremento de temperatura entre el fluido frío y caliente del intercambiador o Media aritmética o Método LMTD Si ∆T = ∆Tm = ∆T = ∆Tln = ∆To + ∆Ti 2 ∆To − ∆Ti ln (∆To ∆Ti ) ∆T0 = ∆Ti ⇒ ∆Tln = ∆T0 = ∆Ti INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.6 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR EJEMPLO 1: El aceite de un motor tiene que refrigerarse de 80 a 50ºC utilizando un intercambiador de calor a contracorriente de monotubo concéntrico y de un único paso, con agua de refrigeración a 20ºC. El agua fluye por el tubo interior de diámetro 2.5 cm con un flujo másico mw=0.08kg/s, y el aceite fluye por el anillo exterior con un flujo másico moil=0.16Kg/s. Los coeficientes de transferencia de calor para el lado agua y aceite son hw=1000 W/(m2 K) y hoil=80W/(m2 K). El espesor del tubo se considera despreciable. Calcular la longitud de tubo necesaria para obtener la refrigeración de aceite deseada. (Cpw=4180 J/(kg K) y Cpoil=2090 J/(kg K)) INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.7 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR EJEMPLO2: Un condensador está construido con forma de monotubo concéntrico de paso simple, con unas dimensiones para el tubo interior de: diámetro interior = 2.2cm y diámetro exterior = 2.5cm. La condensación de la corriente por la zona exterior del monotubo se produce a T=54 ºC. La corriente de agua de refrigeración entra al tubo a Te=18ºC con un flujo de m=0.7 Kg/s, y sale del tubo con una Ts=36ºC. El coeficiente de transferencia de calor por condensación en la zona exterior del tubo es de hs=8000 W/(m2 ºC). Calcular la longitud del tubo L. Determinar la tasa de condensación en el tubo (Calor latente de cambio de fase h=2372400 J/Kg). Propiedades del agua a T=27ºC (Tm) µ=0.86x10-3 kg/(m s) Cp = 4180 J/(kg ºC) k = 0.61 W/(m ºC) INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.8 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Tipos de Intercambiadores de Calor: Según su Proceso de transferencia Contacto directo: La transferencia de calor se produce entre dos fluidos inmiscibles. o Torres de refrigeración o Scrubbers Contacto indirecto INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.9 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Tipos de Intercambiadores de Calor: Según su Tipo de Construcción Tubulares. Placas Tubulares con aletas Regenerativos: El fluido caliente y frío pasan por el mismo espacio en momentos diferentes (medios porosos de alta capacidad de almacenamiento) INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.10 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Tipos de Intercambiadores de Calor: Según su disposición Equicorriente Contracorriente Flujo cruzado INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.11 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Tipos de Sistemas de Refrigeración Refrigeración por aire o Directa o Forzada Refrigeración liquida o Circulación por termosifón o Circulación forzada por bomba Refrigeración mixta o Aire – agua o Aire – aceite INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.12 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.2 Refrigeración por Aire Consiste en evacuar el exceso de calor directamente a la atmósfera, a través del aire que esta en contacto con el motor. Se disponen a su alrededor una serie de aletas que incrementan la superficie de contacto con el aire, para así aumentar la disipación de calor. Ventaja de la refrigeración por aire estriba en su sencillez, incluso, dentro de unos márgenes, en su fiabilidad y en su menor consumo. Desventajas: ruidosos y altas emisiones contaminantes. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.13 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Tipos de Refrigeración por Aire Directa Es la propia marcha del vehículo la que genera la corriente de aire. Problemas en circulación lenta con tiempo caluroso, y de excesivo periodo de calentamiento en tiempo frío, por lo que, en general, hace que el motor funcione mas tiempo del deseado fuera de su temperatura de trabajo. Se emplea en ciclomotores básicos o motocicletas de estética clásica (custom, naked). Forzada. La corriente de aire que circula a través de las aletas, es impulsada por un ventilador, asegurándose la presencia de la misma, e independizando la refrigeración, de las condiciones de marcha del vehículo. Este sistema apenas es utilizado en algún automóvil. Algunos motores industriales y militares utilizan este tipo de refrigeración, pues en ellos ha de primar la fiabilidad por encima del rendimiento. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.14 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.3 Refrigeración por Líquido Es el estándar tanto en vehículos de pasajeros como de transporte. Se disponen una serie de conductos, de líquido refrigerante alrededor de los elementos a refrigerar, para que estos cedan el calor al liquido refrigerante, y este a su vez lo ceda a la atmósfera en un radiador o disipador. Permite al motor trabajar en un margen de temperatura muy estrecho lo que favorece un mejor rendimiento y mayor vida útil. Excelente aislamiento acústico, motivado por la presencia de las cámaras de agua. Desventajas: Mantenimiento y pérdidas de potencia por el accionamiento de la bomba de agua. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.15 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Termosifón El líquido circula por la diferencia de densidad que experimenta al variar su temperatura. En desuso, debido a la baja eficacia debido a la falta de velocidad lo que le da bajos rendimientos Necesita una gran cantidad de agua y una diferencia importante de temperaturas INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.16 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Circulación por bomba Se dispone una bomba para impulsar el líquido refrigerante por el circuito, con ello se asegura el caudal suficiente para garantizar la refrigeración del motor. Es el sistema de mayor rendimiento por lo que es el utilizado en la actualidad. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.17 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4 Intercambiadores de calor en automoción Camisas de agua Líquido refrigerante Bomba de agua Vaso de expansión Radiador Ventilador Termostato Manguitos Calefactor INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.18 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.1 Camisas de Agua Rodean la cámara de combustión, cilindros, asientos de las bujías, asientos y guías de válvulas y partes en contacto con los gases resultantes de la combustión INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.19 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.2 Líquido Refrigerante Se emplea el agua tratada con ciertos aditivos, como líquido refrigerante, debido a su estabilidad química, buena conducción, por su abundancia y economía. El agua sola presenta grandes inconvenientes como: o Sales calcáreas que obstruyen las canalizaciones del circuito (dureza). Se corrige destilando el agua. o A temperaturas de ebullición es muy oxidante, atacando el circuito y sus elementos. o Por debajo de 0º C solidifica y aumenta su volumen, pudiendo inutilizar el circuito de refrigeración. Para evitar estos inconvenientes se mezcla el agua con anticongelante y otros aditivos, denominándose a la mezcla líquido refrigerante. Este líquido presenta las siguientes propiedades: o Disminuye el punto de congelación del agua hasta – 30º C, según su concentración. o Evita la corrosión de las partes metálicas del circuito, debido a los aditivos que entran en su composición. Así, pues, el líquido refrigerante quedará compuesto por: o Agua destilada. o Anticongelante (etilenglicol). o Borax (2 a 3%): inhibidor de la corrosión y de la oxidación. o Antiespumante. o Colorante. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.20 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.3 Radiador Produce la cesión del calor sobrante a la atmósfera. Situado en la parte delantera, hace pasar el líquido refrigerante por unos conductos, rodeado de un gran número de aletas o laminillas, incrementándose por tanto la eficacia en la refrigeración. El material mas utilizado en la fabricación de radiadores, es el plástico para los depósitos, y el aluminio para las aletas o laminillas, siendo los conductos siempre metálicos. En vehículos deportivos se utiliza aluminio en todos sus componentes por su mayor capacidad de disipación de calor. Dos tipos de variaciones de montaje: Soldados y unidos mecánicamente. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.21 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Evolución del Radiador INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.22 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.23 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Consideraciones de Diseño del Radiador Tiene que transferir el calor sin importar las condiciones de funcionamiento y ambientales La capacidad de refrigeración puede ser obtenida: o o o Empíricamente Modelos comparativos Ecuaciones de correlación Se prioriza para minimizar la potencia del ventilador y tener baja carga aerodinámica La masa de corriente de aire es crítica ya que a mayor potencia del ventilador, mayor consumo de energía y radiador más pequeño Favorecer lo más posible la diferencia de temperatura entre el refrigerante y el ambiente, lo que implica aumento de presión Se introducen generadores de turbulencia para mejorar la transferencia en el lado del refrigerante siempre teniendo en cuenta no sobrepasar unas pérdidas de carga INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.24 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.4 Bomba de Agua Es la encargada de impulsar el líquido refrigerante a lo largo del circuito. Se utilizan las de funcionamiento centrífugo basadas en un rotor con paletas accionado por el cigüeñal a través de la correa de accesorios o la correa de la distribución. Se están instalando bombas eléctricas para así poder ser gobernadas por la centralita de gestión del motor, adecuando su velocidad y por tanto su caudal a la condiciones de marcha del vehículo. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.25 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.5 Vaso de Expansión Sirve de canal de escape de gases presurizados (actúa de purgador), evitando problemas de cavitación Debe tener un volumen suficiente para absorber las expansiones del líquido y prevenir la ebullición Están fabricados de plásticos inyectados en molde (generalmente polipropileno) Puede estar unido al depósito del radiador Llevan un sensor electrónico para ver su nivel INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.26 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.6 Termostato Su misión es acelerar el proceso de calentamiento del motor, impidiendo la circulación del líquido refrigerante hacia el radiador. Una vez que este ha alcanzado su temperatura de funcionamiento, el termostato se abre, dejando que el líquido llegue al radiador para su enfriamiento. Se dispone en la salida de líquido del motor hacia el radiador, para así controlar el paso del mismo. Está formado por una válvula, accionada por una cápsula rellena de un material muy sensible a la temperatura, el cual al dilatarse o contraerse, en función de la temperatura del refrigerante, abre o cierra la citada válvula. Cada termostato debe estar adaptado al motor en que va montado. La temperatura de cierre debe estar 5 o 10ºC por debajo de la de apertura, para así evitar las continuas aperturas y cierres a que se vería sometido por las condiciones de marcha. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.27 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Termostato controlado Electrónicamente El elemento de cera se calienta con el mapa del termostato controlado por la ECU de modo que siempre se alcanza la temperatura óptima de refrigeración INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.28 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.7 Ventilador Se necesitan ya que los vehículos necesitan gran capacidad de enfriamiento a bajas temperaturas Se usan ventiladores de una pieza inyectados en plástico Ventiladores de bajas potencias se activan eléctrica o electrónicamente (hasta 600 W) Tienen niveles de ruido altos debidos a la alta velocidad de giro Es muy importante el control del ventilador ya que el flujo de aire natural provee suficiente refrigeración el 95% del tiempo INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.29 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Ventilador de Accionamiento Directo El ventilador dispone de una polea, en la que se ubica una correa que le transmite el movimiento desde el cigüeñal. Poco utilizado hoy en día, ya que el ventilador gira siempre que el motor está en marcha, absorbiendo potencia del motor constantemente INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.30 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Ventilador de Accionamiento Eléctrico Mas conocido como electroventilador, el ventilador es accionado por un motor eléctrico de corriente continua, que utiliza la energía procedente de la batería. Su accionamiento está gobernado por el termocontacto el cual lo acciona cuando se alcanza una temperatura determinada. En la actualidad, se dispone un electroventilador de velocidad variable, gobernado por la centralita de gestión del motor. Es el sistema más empleado para bajas potencias ya que apenas absorbe potencia del motor. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.31 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Ventilador de Accionamiento Viscoso El ventilador posee un accionamiento similar al directo, mediante correa, pero con la particularidad de intercalar un embrague viscoso, a base de siliconas. Su funcionamiento está basado en la sensibilidad de la silicona a la temperatura, la cual tiende a solidificarse y actuar como transmisor de movimiento, cuando ésta aumenta, o por medio de una palanca variando la silicona en la cámara de trabajo. Este sistema ofrece pérdidas de potencia generadas por el arrastre del ventilador. Es muy usado en turismos de clase alta y vehículos todoterreno, por el alto grado de fiabilidad que ofrece INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.32 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Ventilador de Accionamiento Electromagnético Embrague de arrastre, de accionamiento electromagnético. Se disponen unas bobinas, que al ser atravesadas por la corriente, generan un campo magnético, que provoca el accionamiento del embrague. La alimentación es controlada por un termocontacto, similar al empleado en el accionamiento del electroventilador. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.33 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.8 Termocontacto Es un interruptor eléctrico, accionado en función de la temperatura del líquido refrigerante, con el que está en contacto, el cual gobierna el accionamiento del electroventilador. Se utiliza un material muy sensible a la temperatura, generalmente una lámina bimetálica, la cual, al dilatar por efecto de la misma, cierra el citado interruptor, juntando los contactos del mismo. En modelos de alta gama la gestión del motor gobierna el electroventilador modificando su velocidad, al aplicar diversos parámetros de entrada para su puesta en funcionamiento. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.34 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.9 Manguitos Los manguitos son los conductos exteriores, a través de los cuales el líquido se desplaza de un elemento a otro. Se construyen generalmente a base de caucho (elasticidad), y su interior esta constituido por un trenzado a base de nylon (robustez). En otros casos la mayor parte del manguito es rígida, construyéndose a base de PVC o aluminio, siendo flexible en los extremos, para los cuales se vuelve a recurrir al caucho. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.35 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.10 Radiador de la Calefacción Está formado por un radiador recorrido por el líquido refrigerante, el cual le cede parte de su calor. La dosificación del calor al habitáculo, se gobierna mediante una serie de trampillas situadas en los conductos, las cuales son gobernadas a su vez por el conductor desde el habitáculo, bien manualmente, bien a través de un climatizador de gestión electrónica. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.36 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.11 Intercambiador de Aceite Se emplean cuando las pérdidas a través del cárter no son suficientes Pueden servir tanto para enfriar como para calentar Originalmente de acero inoxidable ahora suelen ser de aluminio Pueden ser aire-aceite (baja refrigeración) o refrigerante-aceite Diversas construcciones: serpentín, placas. Su misión es transmitir calor al lubricante durante el periodo de calentamiento del motor y absorbiéndolo del mismo, cuando la temperatura es superior a la del refrigerante INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.37 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.12 Refrigeradores de Combustible En los sistemas de alimentación empleados en los motores Diesel, tales como el common-rail o el inyector bomba, dadas las elevadas presiones a que se ve sometido el combustible, próximas en algunos casos a los 2000 bares, la temperatura del combustible no sólo se ve aumentada sino que está sometida a grandes variaciones debido a las altas presiones. Dichas variaciones de temperatura influyen decisivamente en la dosificación, por cuanto se ve alterada la densidad del gasoil. También incrementa peligrosamente la temperatura del depósito, a causa del retorno del sobrante hacia el mismo. Este es otro de los motivos que justifican la presencia del refrigerador de combustible, un simple intercambiador de calor. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.38 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.13 Intercooler Consiste en una refrigeración del aire de admisión Reduce las temperaturas de escape (disminuyendo emisiones de NOx) Inhibe preencendido en MEP Pueden ser refrigerante – aire o o o o Más compactos Se pueden situar en cualquier lado Dimensiones reducidas Sólo se puede enfriar hasta la temperatura del refrigerante salvo circuito paralelo Pueden ser aire – aire o o o o Más habituales Se suelen situar en frente, al lado o debajo del radiador También pueden situarse independientemente con su propio ventilador (no usual) Construcción equivalente al radiador INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.39 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR Sirve para disminuir la temperatura sobre todo en motores con turbo ya que el proceso de compresión conlleva un aumento de temperatura y por tanto una disminución de la densidad y por tanto menos aire y menos carburante Se aumenta la potencia entre un 20 y un 25% Reducción del consumo entre un 3 y un 5% INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.40 8. SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE CALOR 8.4.14 EGR Cooler Se introduce por las regulaciones de gases de escape Disminuyen emisiones de NOx, partículas y la temperatura de admisión Aumentan el consumo Están a la salida del escape con lo que hay elevadas temperaturas v Engine Admission Inlet EGR Valve Exhaut gas outlet EGR-Cooler INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 8.41
