Análisis CFD 3D de la transferencia de calor y la condensación en un enfriador de recirculación de gases de escape de baja presión

Abstract

[ES] La recirculación de gases de escape de baja presión (LP-EGR) permite disminuir las emisiones nocivas a la atmósfera penalizando poco las prestaciones del motor. Una de las cosas que hay que tener en cuenta al incorporar este sistema es que los gases de escape han de ser enfriados antes de entrar de nuevo al motor. El principal problema del LP-EGR se presenta en el arranque, cuando la temperatura del motor es baja, ya que se puede llegar a la temperatura de rocío en el enfriador y el agua condensada sería conducida a la entrada del motor, dañando elementos de este como puede ser el compresor. Para ayudar a entender mejor este proceso, se va a modelar un enfriador real con CFD 3D y se va a estudiar el impacto de su geometría en proceso de intercambio de calor y la condensación.

[EN] The environmental consciousness is growing every year, and consequently, people is trying to reduce their negative impact on Earth. This has affected the automotive industry, evoking a change in the regulations which has become stricter with the time. As a result, to be capable of respect the law, this industry had to develop new technologies which could reduce the emissions, and among them, one of the most distinctive is the Recirculation of Exhaust Gases (EGR), plus it is going to be the main theme in this project. The Low-Pressure Recirculation of Exhaust Gases, or LP-EGR, allows the reduction of harmful fumes with a low impact in the engine properties. One important thing that must be taken into account when this system is used is that the gases are cooled before they enter again in the combustion chamber. Consequently, the main problem of the LP-EGR is in the starter motor, when the engine temperature is low, since the air may reach the dew temperature and its vapor can condensate. This implies droplets colliding with the compressor, causing a bid damage to it. In this project the process of condensation is going to be studied trying to understand it better inside the cooler. To do this, the software STAR-CCM+ of CFD (Computational Fluid Dynamics) is going to be used to model and analyze a real 3D cooler, with simplifications to make it easier and reduce the computational cost. Furthermore, this study is focused on the impact of the geometry in the heat transfer, the condensation and the droplets distribution. In addition, some energy conservation calculus is going to be made to prove the accuracy of the results. Once the geometry is modeled, one operating point is calculated. This point has been imposed to be like one tested in a bench, as lately all the results would be compared. By this comparison and a profound breakdown of the 3D geometry, this project tries to find a justification for the CFD 3D study of the condensation, as well as the irregular distribution of the flow in each channel, looking for the reason of the differences between the result iv from tests and the CFD model. Therefore, by the study of the 3D cooler, considering the interior phenomena and weighting how much these affect the process of condensation, a deeply knowledge about the water formation will be achieved.

[CA] Cada vegada és més gran l’interès per part de la població en ser més respectuosos amb elmedio ambient tractant de disminuir l’impacte ambiental negatiu generat, ja que el nombre de gent conscienciada ha augmentat. Això en la indústria automobilística ha suposat una normativa d’emissions més estricta amb el pas dels anys. És per això que per poder complir la legislació, la indústria de l’automoció ha tingut que desenvolupar noves tecnologies per a poder fer-ho possible, entre les quals està la recirculació de gasos d’escapament, més comunament conegut com EGR (les sigles en anglés). La recirculació de gasos d’escapament de baixa pressió o LP-EGR permet disminuir les emissions nocives a l’atmosfera penalitzant poc les prestacions del motor. Una de les coses que cal tenir en compte a l’incorporar aquest sistema és que els gasos d’escapament han de ser refredats abans d’entrar de nou a l’motor. En conseqüència, el principal problemadel LP-EGR es presenta en l’arrencada, quan la temperatura del motor és baixa, ja que es pot arribar a la temperatura de rosada en el refredador i l’aigua condensada seria conduïda a l’entrada del motor, danyant elements d’aquest com pot ser el compresor. En aquest treball es va a tractar d’entendre millor aquest procés. Per a això, es va a emplear el programari STAR-CCM + de dinàmica de fluids computacional (CFD) per modelar y analitzar un refredador real en 3D, amb simplificacions per augmentar la simplicitat i així el cost computacional. A més, cal afegir que l’estudi se centrarà en l’impacte de la geometria en el procés d’intercanvi de calor i la condensació. També es es realitzaran càlculs de conservació d’energia per comprovar la rigorositat dels valors i mapas obtinguts. Una cop s’hagi modelat la geometria, es calcularà un punt de funcionament el més similar possible a un assajat en banc per posteriorment poder comparar els resultats obtinguts. D’aquesta manera, a través de la comparació entre els diferents treballs i una anàlisi detallada de la geometria 3D, es tractarà d’justificar l’ús del anàlisi CFD 3D per poder estudiar les irregularitats del flux, així com la desigual distribució d’aquest en els vi canals; tots dos fenòmens responsables de la diferència entre els assajos i un model teòric. És per això que, al analitzar el refredador en 3D, tenint en comte els fenòmens que succeeixen al seu interior i ponderant quant afecten el process de condensació, s’aconseguirà conèixer millor la formació de gotes.