análisis numérico de la geometría de un intercambiador de calor...

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Análisis numérico de la geometría de un intercambiador de calor para su

acoplamiento en un sistema de generación termoeléctrica para los gases de escape

de un motor de combustión interna mediante CFD

E. Aguiñaga-Ramírez, P. Hernández-Ortiz, S. Martínez-Martínez, Fausto A. Sánchez-Cruz, Daniel De La

Rosa-Urbalejo

Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), Laboratory

for Research and Innovation in Energy Technology (LIITE), Av. Universidad s/n. Ciudad Universitaria,

San Nicólas de los Garza, Nuevo León, C.P. 66455, México.

*Autor contacto: [email protected]

R E S U M E N

En este trabajo se lleva a cabo el análisis numérico de la geometría de un intercambiador para su acoplamiento en un

sistema de generación termoeléctrica automotriz. El análisis se lleva a cabo mediante el programa computacional

ANSYS para cuatro regímenes de giro; 800, 1200, 1600 y 2000 rpm. Se analizan los parámetros de calor transferido

hacia el exterior, temperatura, velocidad y presión de los gases de escape. Se encuentra que para el régimen de 800 rpm

se obtiene una eficacia de 29.7%, que disminuye conforme se aumenta el régimen, llegando a 29.0% para 2000 rpm. La

caída de temperatura en la superficie del intercambiador es de alrededor 26 °C para todos los regímenes. La velocidad

de los gases de combustión varía de 1.28 a 2.51 m/s, conforme se aumenta el régimen de giro de 800 a 2000 rpm. La

caída de presión en el intercambiador no sobrepasa los 600 Pa.

Palabras Clave: Gases de escape, Motor de combustión, Intercambiador de calor, Termoelectricidad, CFD

A B S T R A C T

In this work, the numerical analysis of the geometry of an exchanger is carried out for its coupling in an automotive

thermoelectric generation system. The analysis is carried out through the ANSYS software for four rotation regimes;

800, 1200, 1600 and 2000 rpm. The parameters of heat transferred to the outside, temperature, velocity and pressure of

the exhaust gases are analyzed. It is found that for the 800 rpm regime an efficiency of 29.7% is obtained, which

decreases as the rate increases, reaching 29.0% for 2000 rpm. The temperature drop on the surface of the exchanger is

around 26 ° C for all regimes. The speed of the combustion gases varies from 1.28 to 2.51 m/s, as the speed of rotation

increases from 800 to 2000 rpm. The pressure drop in the exchanger does not exceed 600 Pa.

Keywords: Exhaust gas, Internal combustion engine, Heat exchanger, Thermoelectricity, CFD

1. Introducción

En los motores de encendido por compresión, la

combustión se inicia mediante un proceso de

autoencendido de la mezcla de combustible al conseguirse

temperaturas suficientemente altas en la cámara de

combustión debido al proceso de compresión. Para

controlar de modo aproximado el instante de encendido,

durante el proceso de admisión se introduce solamente aire.

Después el combustible se inyecta hacia el final de la

carrera de compresión, cuando el aire alcanza niveles de

temperatura altos para producir el autoencendido [1].

En el proceso de combustión, no toda la energía se

logra transformar en energía mecánica para movimiento

del automóvil, por ejemplo, de acuerdo a análisis

energéticos [2], se encuentra que utilizando un análisis de

primera ley, la energía de la combustión se distribuye en un

10.4% de potencia al freno, 27.7% en forma de calor

contenida en los gases de escape y el 61.9% distribuida

entre la fricción, el refrigerante, entre otros; mientras que,

si se realiza un análisis exergético de segunda ley, se

obtiene una distribución de energía de 9.7% de potencia al

freno, 8.4% de energía en forma de calor contenida en los

gases de escape y el 81.9% restante está distribuido entre

ISSN 2448-5551 TF 39 Derechos Reservados © 2018, SOMIM

irreversibilidades, fricción, refrigerante, entre otros. Lo

anterior queda representado en la Fig. 1.

Otro estudio [3], por ejemplo, menciona que la energía

usada en la combustión de diésel, de acuerdo a la primera

ley, se distribuye en 25% movilidad, 30% refrigerante,

40% gases de escape y 5% pérdidas varias.

Lo anterior cobra relevancia si se considera que el

motor es la pieza fundamental que conforma a la mayoría

de los medios de transporte. Tan solo en México, en el año

2015 de acuerdo a datos de la SENER [4], el total de

vehículos en el país era de 33.4 millones. De esta cantidad,

las camionetas representan el 36.5%, los vehículos

compactos el 21.9% y los subcompactos el 17.7%, el

restante se dividía en otro tipos de autos. Junto con esto, en

el mismo año la obtención de gasolina y diésel,

representaban el 33.3% y el 29.8% de la producción total

nacional de petrolíferos, respectivamente. De acuerdo a

SENER [4], también se espera que en los próximos 15 años

el sector transporte incremente 40.0% la demanda de

combustibles. Es por esta razón, que no se puede pasar por

alto el hecho de la baja eficiencia del motor. Con la

finalidad de atender la problemática anterior, se han

desarrollado diferentes tecnologías.

Figura 1 – Diagrama de Sankey para la distribución de la energía de

combustión en un motor diésel.

Por ejemplo, existe el trabajo desarrollado por Conklin

y Szybist [5] que consiste en el esquema teórico de un

motor de 6 tiempos. Está el ciclo Rankine de fondo [6–8],

el cual utiliza el concepto del ciclo Rankine convencional.

Hay otro tipo de tecnología más clásica como lo es el

turbocargador [2, 9]. Están también los generadores

termoeléctricos [2, 3, 10], tecnología que ha estado

ganando auge recientemente, debido a su generación de

electricidad a partir de un gradiente de temperaturas.

En este trabajo se lleva a cabo el análisis numérico de la

geometría de un intercambiador para su acoplamiento en

un sistema de generación termoeléctrica automotriz. El

análisis se lleva a cabo mediante el programa

computacional ANSYS para cuatro regímenes de giro; 800,

1200, 1600 y 2000 rpm. Se analizan los parámetros de

calor transferido hacia el exterior, temperatura, velocidad y

presión de los gases de escape.

1.1. Generadores termoeléctricos

Son dispositivos de estado sólido que producen energía

eléctrica a partir de diferencias de temperaturas aplicadas a

lo largo del generador termoeléctrico [10]. Los módulos

termoeléctricos están conectados eléctricamente en serie y

térmicamente en paralelo, cada módulo termoeléctrico está

compuesto de varias decenas a centenares de duplas de

termopares tipo p y n, donde el primero tiene espacios

libres en su última capa de valencia y el segundo tiene un

exceso de electrones para llevar la corriente eléctrica.

Cuando el calor fluye de la superficie caliente a la

superficie fría a través del material termoeléctrico, cargas

libres de los semiconductores también están en movimiento

[10]. El interior de un módulo termoeléctrico se muestra en

la Fig. 2 [11].

Éste movimiento de carga convierte la energía térmica

en energía eléctrica. El fenómeno anterior se le conoce

como efecto Seebeck y fue descubierto en 1821 por

Thomas Johann Seebeck [10].

Figura 2 – Diagrama de un módulo termoeléctrico.

Seebeck reportó que una energía potencial

termoeléctrica podría ser desarrollada en la presencia de

una diferencia de temperaturas a lo largo de dos materiales

disímiles. Al incrementar la diferencia de voltaje, V,

incrementa la diferencia de temperaturas entre las dos

juntas. La constante proporcional relacionada con la

propiedad intrínseca del material es conocida como el

coeficiente Seebeck, el cual se presenta en la ecuación (1).

Este coeficiente es relativamente bajo para materiales como

metales, aproximadamente 0 V/K, mientras que podría ser

mucho más grande para un semiconductor,

aproximadamente + 200 V/K [12]. El coeficiente de

Seebeck está relacionado con el cambio de voltaje y

temperatura como se muestra en (1).

𝛼 =∆𝑉

∆𝑇 (1)

Los generadores termoeléctricos poseen las siguientes

ventajas [3, 12, 13] :

Conversión directa de energía

No contienen partes móviles



No utilizan fluidos de trabajos

Un periodo de vida más largo

No se ven afectados por el escalamiento

No son ruidosos al momento de la operación

Cualquier posición de trabajo es posible

No emiten gases nocivos

Utilizan tecnología reversible

Operación confiable

A pesar de lo anterior, la baja eficiencia y el alto costo

de fabricación han sido una barrera para su desarrollo en

aplicaciones comunes [3].

Para mejorar el desempeño de un módulo

termoeléctrico, se utiliza la eficiencia, ecuación (2)

presentada de esta forma en [3], que se define como la

relación de la energía eléctrica producida Welec con

respecto a la energía térmica que entra por la cara caliente

Qh, de un módulo termoeléctrico y el término ZT, llamado

figura de mérito [12], que es una forma muy conveniente

de comparar las propiedades de los materiales, además de

jugar un papel muy importante en la maximización de

energía [14], el término ZT queda expresado en la ecuación

(3).

𝜂𝑡ℎ =𝑊𝑒𝑙𝑒𝑐

𝑄ℎ=

∆𝑇

𝑇𝐻

√1 + 𝑍𝑇 − 1

√1 + 𝑍𝑇 + 𝑇𝐶𝑇𝐻

(2)

𝑍𝑇 =𝛼2

𝑘𝜎𝑇 (3)

Los materiales termoeléctricos que actualmente están

disponibles tienen un ZT alrededor de 1 o menor. En las

últimas décadas, telururo de bismuto, Bi2Te3, ha sido el

único material que ha sido utilizado para módulos

termoeléctricos industriales. Para estos módulos el valor

promedio de ZT está entre 0.5 y 0.8. La meta de los

laboratorios es desarrollar materiales con un ZT de 2 para

obtener una eficiencia por encima de 10% [3]. La estrategia

convencional para mejorar los valores ZT consiste en

modificar la estructura cristalina de los materiales que

posean por naturaleza buenas propiedades eléctricas

aleando y/o insertando especies externas para disminuir la

conductividad térmica. Otra manera es, diseñar materiales

nuevos con valores bajos de conductividad térmica

intrínsecos, lo cual dejaría el factor de energía 2/ como

el único parámetro relevante a optimizar [12].

2. Aplicaciones de generadores termoeléctricos

Los generadores termoeléctricos se utilizan en varias

áreas de interés en dónde se ven involucrados fenómenos

de transferencia de calor y electricidad, como lo son, en

motores de automóviles [15, 16], hornos industriales,

dispositivos biomédicos, sistemas de calentamiento solar

Sistemas de telemetría, en el área aeroespacial, entre otras.

2.1. Prototipos de generadores termoeléctricos

Los prototipos utilizados, constan generalmente de tres

secciones: un intercambiador de calor por donde fluyen los

gases de combustión, una sección en donde están

colocados los módulos termoeléctricos y un disipador de

calor. En la Fig. 3, se muestra el esquema típico de un

generador termoeléctrico para los gases de escape de un

motor de combustión interna [25].

Figura 3 – Esquema de un generador termoeléctrico típico para

los gases de escape de un motor de combustión interna.

Park et al [16], lograron reemplazar el radiador

convencional de un automóvil para pasajeros mediante el

uso de módulos termoeléctricos y tubos evacuados.

Lograron generar 75 W. Cabe mencionar que el fluido

caliente era el anticongelante del radiador y el fluido frío

era el aire exterior. Hsu et al [15], lograron instalar un

generador termoeléctrico en un Chrysler Neon de 2000

cm3. La energía que lograron obtener fue de 12.4 W por

módulo. En ambos estudios utilizaron Bi2Te3.

Por otro lado, varias empresas automotrices se han

involucrado en el estudio de generadores termoeléctricos.

Por ejemplo, Gentherm, antes Amerigon y BSST ha

llevado a cabo estudios en cuanto a la geometría específica

de módulos termoeléctricos para BMW y Ford [26];

también Ford ha conducido experimentos en conjunto con

el Departamento de Energía, DOE por sus siglas en inglés,

de los Estados Unidos, ha llevado a cabo la instalación de

un generador termoeléctrico en un Ford Fusion de 3.0 L V6

[27], el objetivo era producir 500 W cuando el vehículo

viaja a 100 km/h, de los cuales solo se produjeron 250 W

[28].

En Europa, Renault, Volvo, Valeo y laboratorios

académicos trabajaron en el proyecto RENOTER, del 2008

al 2011 [29, 30]. En el proyecto se estudió un automóvil

con motor diésel de 2.0 L, al cual se le montó un generador

termoeléctrico en el escape para alcanzar 300 W y se

estudió también, un camión grande con motor diésel de 11

L, al cual se le montó un generador termoeléctrico en el

sistema de recirculación del gas de escape con la finalidad

de alcanzar 1 kW. En ambos casos, la caída presión en el

intercambiador de calor no sobrepasó los 30 mbar. El

generador termoeléctrico estuvo constituido por materiales

no tóxicos como el MnSi y el Mg2Si. Los resultados

obtenidos indicaron que para el automóvil se pueden

obtener 130 W en condiciones de autopista, pero se puede



elevar hasta 250 W para un carro a gasolina y hasta 350 W

si se utiliza un condensador adecuado en la recirculación

del gas de escape de un camión.

FIAT y Chrysler presentaron un vehículo comercial

ligero equipado con un TEG [31] mediante el proyecto

HEATRECAR. Los resultados obtenidos de dicho proyecto

indicaron que se tuvo un ahorro de combustible del 3.9 %,

lo que equivale a una reducción de 6.7 g CO2/km. El

generador termoeléctrico utilizado era de Bi2Te3. El

prototipo ayudó a descubrir que el costo por watt de

energía producida era de 8.4 libras por watt, un 20% del

costo recaía en el precio del material con el que se

elaboraba el generador termoeléctrico y hasta un 73% del

costo recaía en la manufactura. El máximo costo permitido

por la industrias en términos de libra por watt se ha

estimado como sigue [3]: para un automóvil convencional

privado o taxi híbrido a gasolina, 0.5 libras por watt; para

un camión ligero en los Estados Unidos de América, 0.7

libras por watt; para un camión ligero a diésel, 1.5 libras

por watt; para un taxi convencional a diésel, 3 libras por

watt.

2.2. Trabajos relacionados con generadores

termoeléctricos en el mundo

De acuerdo a la investigación de Karvonen [32], entre

1993 y 2012 hubo 15 755 aplicación de patentes

relacionadas con tecnologías de recuperación de calor,

distribuidas en 64 países. Del total de patentes, 208 estaban

relacionadas con generadores termoeléctricos. Las cuales

estaban distribuidas en su mayoría, entre países como:

Estados Unidos, Corea del Sur, Alemania, China, Japón,

así como la Oficina europea de patentes y otros países que,

en conjunto, han aportado patentes de impacto relacionadas

con dicha tecnología. Lo anterior se presenta en la Fig. 4.

Por otro lado, de las 208 patentes, 118 se distribuyen entre

las empresas que se presentan en la tabla 1.

Tabla 1 – Empresas que más patentes relacionadas con los

generadores termoeléctricos en aplicaciones automotrices aportaron

entre 1993 y 2012.

Empresa (País) Patentes

BMW (Alemania) 24

Toyota (Japón) 24

Emitec (Alemania) 21

Denso (Japón) 7

BSST LLC (USA) 8

Daimler (Alemania) 8

Bosch (Alemania) 7

Eberspächer (Alemania) 7

Hyundai (Corea del sur) 7

AVL (Austria) 5

Figura 4 – Distribución mundial de las patentes relacionadas con

generadores termoeléctricos, entre 1993 y 2012.

3. Metodología

3.1. Adquisición de datos para la simulación

Los datos utilizados en la simulación fueron adquiridos

mediante un banco de pruebas como el que se presenta en

la Fig. 5. El banco de pruebas consta de un motor de

combustión interna de diésel de la marca Cummins,

modelo 6BTA, de 5.9 litros. Seguido del mismo, está

instalado un sistema modular de postratamiento compuesto

por el catalizador de oxidación de diésel y por un filtro de

partículas. A continuación está un sistema de

recalentamiento de gases el cual consta de un recipiente

que actúa como remanso para amortiguar las vibraciones y

pulsaciones provenientes del motor cuando está encendido.

El sistema de recalentamiento cuenta con 4 resistencias

eléctricas de calentamiento, 2 de 3.5 kW y 2 de 5 kW. Al

final de los componentes antes mencionados se planea

colocar el intercambiador de calor, que se muestra en la

Fig. 6. Está fabricado en acero inoxidable, posee una

longitud total de 60 cm, en el centro hay una sección

rectangular de 20 cm de largo, 4.4 cm de alto y 10.1 cm de

ancho. Está integrado por 19 aletas de 1 mm de espesor y

separadas 4 mm una de otra. En la Tabla 2 se presentan los

datos obtenidos experimentalmente con los cuales se

realiza la simulación

3.2. Condiciones utilizadas en ANSYS

Para utilizar la dinámica de fluidos computacional, se

utiliza el programa de computadora ANSYS Workbench.



Con dicha herramienta es posible la discretización de la

pieza, poniendo mayor énfasis en el centro del

intercambiador, lugar en donde están situadas las aletas que

retiran el calor de los gases de escape.

Figura 5 – Instalación experimental del banco de pruebas.

Figura 6 – Intercambiador de calor.

Tabla 2 – Datos experimentales recopilados

RPM Flujo másico

(kg/s)

Temperatura de

entrada (°C)

Presión de

salida (Pa)

800 0.0395 120 94873

1200 0.0569 150 95174

1600 0.07024 180 95587

2000 0.0804 200 96095

La discretización consiste en dividir en pequeñas partes

una pieza tridimensional continua. Con lo anterior se logra

la formación de nodos a lo largo de la pieza de interés. Con

ello es posible resolver las ecuaciones de conservación de

energía, masa y/o momento en cada nodo. Lo anterior da

un resultado aproximado del comportamiento real del

fenómeno, además de hacer uso de recursos

computacionales menores a si se tratara de resolver de

manera continua la pieza tridimensional. La simulación se

lleva a cabo en ANSYS Fluent, el solucionador utilizado es

el basado en presión, ya que es el tradicionalmente usado

para fluidos incompresibles y medianamente compresibles.

Además de lo anterior, un fluido compresible se puede

manejar como incomprensible si la velocidad del mismo es

menor a 100 m/s o si su número de Mach es menor a 0.03

[33]. Debido a que en un motor diésel la relación

aire/combustible es de 15:1, para los fines de la simulación,

se considera que los gases de escape son solo aire. Se

activan los modelos de energía y de turbulencia de

FLUENT. Para la turbulencia se escoge el modelo k-

realizable, ya que posee una razonable precisión para un

amplio rango de flujos turbulentos y utiliza poco recurso

computacional en comparación con otros modelos de

FLUENT. Se incluye la opción de un tratamiento cercano a

las paredes de las aletas. Esto con la finalidad de conocer

de manera más precisa el comportamiento del fenómeno

pero sin la necesidad de aplicar un mallado más fino a la

capa límite de las aletas. Lo anterior significaría hacer un

mayor uso de las capacidades del ordenador, retardando la

convergencia de la solución. El esquema de interpolación

utilizado para la presión es el de segundo orden, debido a

que se utiliza para flujos compresibles o incompresibles en

los que no hay medios porosos, saltos, abanicos o modelos

multifásicos. Para los demás esquemas de discretización, se

utiliza el modelo QUICK, ya que es aplicable a mallas

cuadrilaterales o hexahédricas, Se utilizada el método de

Green-Gauss basado en celdas, debido a que la malla es

ortogonal y está alineada con el fenómeno, haciendo

posible que, la resolución de la simulación sea más rápida.

La información se transmite por medio de los centroides de

los volúmenes de control.

Para estimar el flujo de calor que se transfiere al

exterior, se utiliza la opción de Fluent para crear iso-

superficies. También se crean zonas mediante el apoyo de

ANSYS Workbench para resaltar las secciones de interés.

Se utiliza la opción de contornos que aparece en el

apartado de gráficas y animaciones de Fluent. En dicha

opción se escoge el contorno del flujo de calor total en la

superficie, de tal manera que, se puede obtener un estimado

de la transferencia de calor a través de las paredes del

intercambiador. La efectividad se calcula a partir de la

relación del flujo de calor que sale de la superficie plana

del intercambiador con respecto a la que está entrando.

3.3. Caso de estudio

Los regímenes que soporta el motor Cummins, modelo

6BTA, de 5.9 litros van desde los 800 hasta los 2000 rpm.

Por lo tanto, se harán cuatro simulaciones numéricas con el

apoyo del programa computacional ANSYS. En ellas, se

incluyen los regímenes de 800, 1200, 1600 y 2000 rpm.

Se lleva a cabo un análisis de dependencia de malla en

donde se considera la simetría del intercambiador. Se

escogen 4 diferentes tamaños de malla, los cuales son de 3,

5, 10 y 15 millones de elementos. Se selecciona a la

temperatura y a la velocidad como las variables de interés.

Además, como una variable de interés secundario, se añade

la presión de los gases de combustión. Se escoge la malla

que mejor nos represente el fenómeno de estudio y que use



el menor tiempo computacional para llevar a cabo las

simulaciones.

Finalmente, se lleva a cabo un análisis de los resultados

obtenidos de las simulaciones llevadas a cabo mediante el

programa de ANSYS.

4. Resultados

En la Fig. 7 se presenta la sección en la que se llevó a

cabo el análisis de dependencia de malla. Se escogió esa

sección debido a que se tiene un estimado del

comportamiento hidrodinámico del fluido a lo largo del

intercambiador.

Figura 7 – Sección lateral del intercambiador en donde se lleva a

cabo el análisis de dependencia de malla.

En la Fig. 8 se muestran los resultados obtenidos del

análisis de dependencia llevado a cabo. En la Fig. 8(a) se

presentan los resultados para la temperatura y en la Fig.

8(b) se presentan los resultados para la velocidad.

Las gráficas que se presentan tanto en la Fig. 8(a) y en

la Fig. 8(b) muestran que, independientemente del número

de elementos, se tienen comportamientos similares, se

escoge la malla de 5 millones de elementos. El motivo de

lo anterior es asegurar que se está utilizando una malla que

está dentro de un número de elementos en el que se puede

esperar una predicción del fenómeno a estudiar coherente.

La simulación con 5 millones de elementos tarda entre un

día y día y medio en llevarse a cabo con un equipo de

cómputo Dell modelo Precision T7610 con un procesador

Intel Xeon de 2.10 GHz.

Se realiza un estudio del comportamiento hidrodinámico

del flujo de gases de combustión mediante los parámetros

de temperatura, presión y velocidad para secciones

específicas del intercambiador.

En la Fig. 9 se muestra una sección transversal del

intercambiador en donde se llevó a cabo el estudio

numérico del perfil de velocidades para el régimen de 1200

rpm. En la Fig. 9 se aprecia que en gran parte del

intercambiador la velocidad toma un valor constante, salvo

en los extremos del mismo. Lo anterior se debe a los

efectos de los gradientes térmicos y de presión. A pesar de

lo anterior, es un buen diseño para aprovechar un flujo

uniforme de los gases de combustión. Las velocidades que

se alcanza dentro de la zona aletada son: 12.8 m/s para 800

rpm, 18.1 m/s para 1200 rpm, 22.1 m/s para 1600 rpm y

25.1 m/s para 2000 rpm.

La simulación numérica se llevó a cabo para un plano en

la mitad del intercambiador. En la Fig. 9(a) se muestra la

sección del intercambiador en donde se llevó a cabo la

simulación. En la Fig. 9(b) se muestra los resultados de la

distribución del perfil de velocidades para dicha sección.

Figura 8 – Análisis de Malla de: a) Temperatura; b) Velocidad.

Figura 9 –Análisis numérico del perfil de velocidades para una

sección del intercambiador: a) Sección del intercambiador en donde

se lleva a cabo la simulación; b) Distribución de la velocidad de los

gases de combustión a lo largo del intercambiador a 1200 rpm.

a)

b)

a)

b)



En la Fig. 10 se muestra la distribución de la presión de

los gases de combustión para una sección dada para el

régimen de 1200 rpm. De la Fig. 10 se aprecia que la

distribución de presión tiene un comportamiento esperado.

A la entrada se encuentra una magnitud de presión mayor

que a la salida. Además, la distribución de presión se casi

constante si se analiza por secciones del intercambiador.

De acuerdo a los resultados obtenidos, se esperaría que no

hubiera problema con el hecho de tener casos de

contrapresión en donde hubiera retroceso de flujo o que

existiera alguna situación en donde se comprometiera el

buen funcionamiento del motor.

El comportamiento es similar para los otros regímenes

de motor utilizados en la simulación. La caída de presión

para los regímenes estudiados son: 100 Pa para 800 rpm,

300 Pa para 1200 rpm, 500 Pa para 1600 rpm, y 600 Pa

para 2000 rpm. En la Fig. 10(a) se muestra la sección

utilizada en la que se lleva a cabo la simulación. En la Fig.

10(b) se muestran los resultados de la simulación para la

sección dada.

En la Fig. 11 se muestra la distribución de temperaturas

para la superficie en donde se acoplarán los módulos

termoeléctricos. Lo anterior es para el régimen de 1200

rpm. De la Fig. 11 se aprecia que se alcanza una

distribución de temperaturas uniforme en las aletas.

Además, conforme se desplaza el flujo de la entrada a la

salida, hay un decremento de temperatura superficial. Se

aprecia que en los extremos, es donde se tiene la menor

energía térmica para ser aprovechable. Lo anterior es algo

que se puede ignorar hasta cierto punto, ya que se pretende

que los módulos termoeléctricos sean montados cerca del

centro, que es en donde se tiene la mayor cantidad de

energía térmica para ser aprovechable. El comportamiento

es similar para los otros regímenes de motor utilizados en

la simulación. En la Fig. 11(a) se muestra la parte del

intercambiador en donde se lleva a cabo la simulación. En

la Fig. 11(b) se presentan los resultados de la distribución

de temperatura para la superficie superior del

intercambiador de calor

Figura 10 – Análisis numérico de la distribución de presión para

una sección del intercambiador: a) Sección del intercambiador en

donde se lleva a cabo la simulación; b) Distribución de la presión de

los gases de combustión a lo largo del intercambiador a 1200 rpm.

En la Fig. 12 se muestra la tasa de transferencia de calor

superficial para el régimen de 1200 rpm. La simulación fue

llevada a cabo para la misma sección presentada en la Fig.

11(a). En la Fig. 12 se aprecia que se tiene una tasa de

transferencia de calor casi constante a lo largo de la

superficie del intercambiador. Salvo por la sección de

entrada y salida donde la variación de transferencia de

calor se aprecia de mejor manera. Se obtiene una caída de

temperatura de 17 °C para 800 rpm, 15 °C para 1200 rpm y

14 °C para los regímenes de 1600 y 2000 rpm.

Figura 11 – Análisis numérico de la distribución de temperatura

para la superficie superior del intercambiador: a) Sección del

intercambiador en donde se lleva a cabo la simulación; b)

Distribución de la temperatura superficial del intercambiador a 1200

rpm.

Se encuentran que para el régimen más bajo es posible

remover el 29.7% de la energía térmica, mientras que, para

el régimen más alto es posible remover el 29%. Lo

anterior es considerando que el intercambiador está

expuesto al ambiente y no se está utilizando un fluido

mediante convección forzada para remover energía

térmica.

Figura 12 – Distribución de la tasa de transferencia de calor

superficial para

En la Tabla 3 se muestra la cantidad de energía que

podría ser aprovechada del intercambiador en total para las

superficies superior e inferior en conjunto.

a)

b)

a)

b)



Tabla 3 – Calor transferido al exterior a partir de lo calculado

teóricamente y de lo recopilado experimentalmente.

Régimen de motor

(RPM)

Tas de transferencia de

calor (J/s)

800 48.0

1200 66.6

1600 84.8

2000 97.2

5. Conclusiones

En este trabajo se lleva a cabo el análisis numérico de la

geometría de un intercambiador para su acoplamiento en

un sistema de generación termoeléctrica automotriz. El

análisis se lleva a cabo mediante el programa

computacional ANSYS para cuatro regímenes de giro; 800,

1200, 1600 y 2000 rpm. Se analizan los parámetros de

calor transferido hacia el exterior, temperatura, velocidad y

presión de los gases de escape. De acuerdo a lo realizado

en este trabajo se concluye que:

La efectividad del intercambiador es: para el régimen de

800 rpm se obtiene una eficiencia de 29.7%, para el

régimen de 1200 rpm, una de 29.3%, para el régimen de

1600 rpm, una de 29.1% y para el régimen de 2000 rpm,

una de 29.0%. Se aprecia que la eficiencia se mantiene

casi constante para los regímenes estudiados.

De acuerdo a los resultados de la simulación, la caída de

presión para los regímenes estudiados son: 100 Pa para

800 rpm, 300 Pa para 1200 rpm, 500 Pa para 1600 rpm,

y 600 Pa para 2000 rpm. Los resultados sugieren que las

caídas de presión son pequeñas, por lo tanto, el

desempeño del motor no debe verse afectado al colocar

el intercambiador en el múltiple de escape.

La distribución de velocidad en la zona aletada del

intercambiador, en su mayoría es uniforme, lo que

aseguraría una buena distribución de la temperatura

superficial del intercambiador, las velocidades que se

alcanza dentro de la zona aletada son: 12.8 m/s para 800

rpm, 18.1 m/s para 1200 rpm, 22.1 m/s para 1600 rpm y

25.1 m/s para 2000 rpm.

La distribución de temperatura superficial es casi

uniforme, ya que se tienen caídas de temperatura de: 17

°C para 800 rpm, 15 °C para 1200 rpm y 14 °C para

1600 y 2000 rpm. Lo anterior está en relación con el

hecho de que a 800 rpm se tiene una transferencia de

calor hacia el exterior mayor que a 2000 rpm.

Agradecimientos

Se agradece a la Fundación Denso de Norteamérica por su

apoyo económico mediante el proyecto titulado

“Thermodynamics performance of heat exchangers and

termal electric generators coupled for internal combustion

engines applications”. Se agradece también al Consejo

Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y a FIME

UANL.

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