7. REFRIGERACIÓN DE MOTOR


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1 7.1 Introducción 7.2 Técnica Modular de Refrigeración 7.3 Gestión Térmica Inteligente 7.4 Diseño de Sistema de Refrigeración: Metodología de Análisis 7.5 Refrigeración en Vehículos Eléctricos 2

2 7. REFRIGERACIÓN COMPARTIMENTO MOTOR 7.1 Introducción Necesitad del sistema de refrigeración motor Cuando se quema combustible en el motor, la energía producida se distribuye de la siguiente forma: 30 % de energía utilizada en generar el movimiento del vehículo 70 % se convierte en energía térmica: o 33 % se pierde por el tubo de escape o 7 % se disipa al ambiente por convección natural o 30 % va al agua y al aceite para ser disipado en el sistema de refrigeración del motor INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.2

3 Importancia del sistema de refrigeración motor Los motores de combustión interna están diseñados para operar eficientemente mientras se mantenga la temperatura interna del mismo entre 82 y 100ºC. (Existe un punto óptimo de temperatura para cada marca y tipología de motor, pero todas están dentro de ese rango). Si se trabaja con una temperatura por encima de ese rango: Existe el riesgo de reducir la viscosidad del aceite, disminuyendo la protección al desgaste Puede producirse un incremento de fricción entre piezas móviles Se puede incrementar el calentamiento de las piezas por efectos de rozamiento Puede generarse un efecto de detonación picado de biela por encender el combustible en el cilindro antes de tiempo. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.3

4 Si se opera con una temperatura por debajo de este rango: Aumenta el consumo de combustible porque el sistema ajusta la mezcla para la temperatura del motor. Se puede acumular agua en el aceite como residuo de la combustión, causando corrosión, herrumbre, formación de lodos, taponamiento del filtro de aceite y por ende la circulación de aceite sucio por el motor. Se aumenta el consumo de aceite y desgaste de piezas debido a que están diseñadas para expandir hasta su tamaño y tolerancia normal cuando están en el rango correcto de temperatura. Se reduce la potencia del motor por la pérdida de compresión y la falta de temperatura para una combustión eficiente. Se puede producir herrumbre en el sistema de escape por la falta de evaporación del agua residual de la combustión. Se pueden generar depósitos de nitración, carbón y barniz en las válvulas, bujías y pistones. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.4

5 7.2 Técnica Modular de Refrigeración Los módulos de refrigeración son unidades compuestas de diferentes componentes para la refrigeración y climatización de un vehículo, incluyendo una unidad de ventilador con accionamiento. La técnica modular de refrigeración comprende la disposición de los componentes teniendo en cuenta sus efectos de cambio, las dimensiones de los componentes respecto al espacio disponible en el vehículo y el tratamiento de los puntos de conexión. En esta última parte hay que considerar los siguientes aspectos: o La técnica de fijación o Las canalizaciones de aire de refrigeración. o Las juntas del lado de refrigeración o Conexiones del lado de fluido en los distintos componentes o Conexiones eléctricas INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.5

6 Condensador Radiador Intercooler Ventilador INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.6

7 La técnica modular ofrece en principio varias ventajas técnicas y económicas: o Logística más simple por la agrupación de los componentes en una única unidad constructiva o Reducción de la cantidad de puntos de conexión o Montaje más sencillo o Disposición óptima de los componentes gracias al ajuste de los mismos entre sí. o Sistema modular para abarcar diferentes variantes de motor y equipamiento Para una disposición óptima de los componentes y su distribución en el módulo de refrigeración se aplican métodos de simulación y ensayo. Partiendo del conocimiento exacto de las curvas características del ventilador, del accionamiento del ventilador y de los sistemas de intercambio de calor, se representan mediante programas de simulación tanto el aire de refrigeración como el lado del fluido. Mediante el acoplamiento entre los componentes se pueden investigar los efectos de cambio de los componentes para los diferentes estados de funcionamiento. Esta fase de investigación virtual va ganando cada vez más importancia. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.7

8 7.3 Gestión Térmica Inteligente Los desarrollos futuros van encaminados a conseguir una regulación optimizada de los diferentes flujos de calor y materiales existentes en el sistema. La gestión térmica va más allá de la técnica del sistema de refrigeración, ya que tiene en cuenta todos los flujos de calor y materiales existentes en el vehículo, es decir, teniendo en cuenta, además de los elementos del sistema de refrigeración, los del sistema de climatización. Los objetivos de la optimización buscan: o Reducir el consumo de combustible y las emisiones de materiales nocivos o Aumentar el confort climático dentro del vehículo o Aumentar la duración de los componentes o Mejorar la potencia refrigeradora en estados de carga parcial. Uno de los puntos de partida de la gestión térmica es la realidad de que las energías auxiliares para el funcionamiento del sistema de refrigeración representan siempre una pérdida para el consumo de energía del vehiculo y que la capacidad de rendimiento de los componentes con una alimentación de energía auxiliar no se puede aumentar a voluntad. Por ello, y para alcanzar los objetivos de optimización, se dota al sistema de refrigeración de inteligencia en forma de actuadores, así como de sistemas de regulación controlados por microprocesadores para mejorar el funcionamiento de dichos actuadotes. (Ejemplo: Cortinas de aire de refrigeración y ventiladores regulables) INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.8

9 Otro criterio importante es mantener constante en la medida de lo posible la temperatura de los componentes a refrigerar, independientemente del estado de funcionamiento y de las condiciones ambientales (Ejemplo: Regulación de temperatura del aceite de la caja de cambios). Finalmente, la visión global de refrigeración y climatización ofrece la posibilidad de la integración calorífica. Los caudales de calor de una sistema pueden ser aprovechados o transmitidos por otro sistema sin que sea necesaria una energía auxiliar de consideración. (Ejemplo: Aprovechamiento del calor resultante de la refrigeración de los gases de escape). Las medidas para la gestión térmica inteligente en la zona de la refrigeración de motor son: o Regulación de temperatura del aceite de la caja de cambios o Termostato de campo característico o Acoplamiento viscoso de regulación eléctrica o Bomba de líquido de refrigeración eléctrica, regulable o Control de aire de refrigeración, por ejemplo por cortina de aire de refrigeración. o Refrigeración de los gases de escape. o Refrigeración del aire de sobrealimentación mediante líquido refrigerante. El potencial ahorro de combustible sumando todas estas medidas se estima en un 5% (para turismos) INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.9

10 7.4 Diseño de Sistema de Refrigeración: Metodología de Análisis Aplicación de herramientas de simulación y ensayo: o Diseño de componentes de sistema de refrigeración o Disposición óptima de los componentes en el vehículo. o Distribución de los componentes en el módulo de refrigeración. Datos iniciales para diseño del sistema: o Curvas características del ventilador o Curvas de comportamiento de los equipos de transmisión de calor. Diseño del sistema para distintas condiciones de operación: o Distintas velocidades de circulación o Distintas potencias de accionamiento de ventilador o Casos extremos: invierno o verano, circulación tras camión etc. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.10

11 Metodología de diseño de un sistema de refrigeración 1ª FASE: Diseño de los distintos sistemas de intercambio de calor necesarios (radiadores, intercooler, EGR etc). Para el diseño de este tipo de sistemas se utilizan diferentes técnicas: Diseño mediante técnicas empíricas Modelos comparativos Ecuaciones de correlación. 2ª FASE: Dimensionamiento de las rejillas de entrada de aire, así como las canalizaciones de aire necesarias para la obtención del flujo de aire necesario en el módulo de refrigeración. Diseño mediante la utilización de herramientas de simulación termofluidodinámica Validación en túneles de viento o cámaras climáticas INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.11

12 Geometría Inicial Mallado adecuado Refinado en zonas críticas: Paq. De Refrigeración Entradas Preprocesado Post-Procesado Recopilación de datos iniciales Hipótesis de partida Preparación de caso Modelos de homologación INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.12

13 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.13

14 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.14

15 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.15

16 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.16

17 7.5 Refrigeración en Vehículos Eléctricos Un motor eléctrico no genera excedente de energía en forma de energía térmica, por ello, no es necesario introducir un sistema de refrigeración de motor. Los motores eléctricos tienen un alto rendimiento alrededor del 85% por tanto bajas pérdidas por calor. Esto presenta un problema secundario, la falta de energía térmica en el motor no permite un aprovechamiento de la misma para la calefacción del habitáculo, por lo que esta deberá generarse mediante elementos auxiliares. Las necesidades de refrigeración bajo motor en un vehículo eléctrico se deben principalmente a las baterías. Como regla general la temperatura en las baterías no debe rebasar los 60ºC durante el almacenamiento y 40ºC durante el funcionamiento. Para temperaturas inferiores a -5 ºC hay una apreciable reducción de las propiedades de la batería. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.17

18 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 7.18

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