Modelado de Gestión Térmica mediante Canalización Híbrida

Abstract

[ES] La canalización híbrida es una nueva técnica que permite la fabricación de canales internos en materiales metálicos y la unión de varios elementos en una acción simultánea que tiene lugar en un solo paso. Mediante esta técnica se pueden adoptar diferentes diseños para el recorrido del canal y es aplicable a una amplia gama de metales. El proceso se lleva a cabo mediante una herramienta no consumible que puede ser reutilizada en sucesivos procesos y es respetuosa con el medio ambiente al no producir residuos. La herramienta se introduce en el metal deseado y mediante un movimiento de rotación y otro de traslación ablanda y desplaza el metal desde la zona del canal al exterior en forma de viruta. Al mismo tiempo, la punta de la misma está en contacto con el segundo material produciendo la unión soldada entre ambas. Esta soldadura se produce en seco, es decir, ninguno de los materiales alcanza su punto de fusión, lo que permite un amplio rango a la hora de juntar metales con diferencias destacables en sus propiedades. El principal uso de ésta técnica se destina a la fabricación de intercambiadores de calor. Los canales continuos producidos son idóneos para introducir un líquido refrigerante a través de ellos y llevar a cabo la extracción de calor. El objetivo del trabajo es el estudio de los parámetros involucrados en el proceso y que afectan al rendimiento. Dos parámetros están relacionados con la técnica de fabricación: rugosidad y unión soldada. Por otro lado, otro parámetro estudiado está relacionado con el punto de funcionamiento: velocidad de entrada del fluido. El estudio de la influencia de estos parámetros permite una optimización de los prototipos fabricados y un mejor entendimiento de las ventajas proporcionadas. La rugosidad propia de las paredes del canal propiciada por las herramienta proporciona una mayor superficie de contacto entre el metal y el líquido así como la creación de flujo turbulento incluso a velocidades reducidas. Ambos factores mejoran notablemente la el intercambio de calor. Los análisis y simulaciones llevados a cabo demuestran una reducción de hasta 4 Kelvin mayor por metro de canal que si la superficie fuera lisa. La principal ventaja ofrecida por la unión soldada radica en evitar la resistencia térmica de contacto que se produce al tener dos superficies en contacto. Debido a la rugosidad y ondulación propios de cualquier superficie, el contacto entre ambas no es total de manera que quedan huecos donde suele existir aire que actúa como barrera al flujo de calor debido a su baja conductividad térmica. En esta zona se alternan mecanismos de transmisión de calor: convección en las zonas de aire y conducción en los puntos en contacto. Por ello, la zona soldada garantiza la no existencia de estos huecos y permite un mejor flujo de calor por conducción a través de esta región. En cuanto a la velocidad del fluido, una mayor velocidad permite una mejor extracción del calor. No obstante, a partir de 1.5 m/s las diferencias en temperatura son mínimas comparadas con las velocidades requeridas (aumentar 2.5 veces la velocidad apenas reduce las temperaturas máximas). Además, mayores velocidades implican mayor potencia requerida para el bombeo del fluido así como mayores presiones a lo largo del canal. Las condiciones de diseño permiten altas presiones, pero desde el punto de vista económico y con el fin de utilizar los prototipos durante períodos de al menos 10 años se debe buscar un punto medio que balancee las pérdidas y presiones generadas con las temperaturas máximas obtenidas. Se demostró que los valores más adecuados estaban en el rango de 0.5-1 m/s. Los conocimientos adquiridos permitieron un rápido posterior diseño de los prototipos solicitados por compañías externas. El primer prototipo estaba destinado a la refrigeración de baterías en coches eléctricos y el segundo para componentes electrónicos. Por medio de Ansys y su herr