2. Marco teórico
5.3 Área superficial necesaria para el radiador de la PEMFC
El área superficial del radiador necesaria se ha calculado tomando el punto de operación nominal de la pila, el cual produce unos 150 kW de potencia eléctrica y un calor de 147,5 kW utilizando el poder calorífico superior del combustible. Se toma este calor debido a que es el mayor de entre todos los calculados por los varios métodos, es el que concuerda con el funcionamiento de las PEMFC (donde el calor producido por la pila es similar a la potencia eléctrica producida [14]) y porque es el cual toma en cuenta que la PEMFC produce agua líquida. Los datos utilizados para aplicar el método de la diferencia media logarítmica de temperatura se encuentran expuestos en la tabla 5.1, así como los resultados para el caso de un MCIA y una PEMFC. Las temperaturas de salida supuestas para cada uno de los flujos se han tomado de datos representativos en la literatura. Para el caso de las PEMFC, el salto de temperatura en los radiadores es relativamente bajo y no tiende a superar los 10ºC en el caso del refrigerante [29][40]. En el caso de los MCIA los saltos de temperatura del refrigerante son mayores, debido a las altas temperaturas de operación del motor, pudiendo conseguirse una variación de 20 ºC entre la entrada y salida del refrigerante en el radiador.
Se consideran dos casos para un MCIA. Uno donde los saltos de temperatura del refrigerante y el aire son altos, y otro donde los saltos de temperatura son iguales a los de la PEMFC. Las áreas de intercambio necesarias para cada caso se calculan, utilizando los coeficientes de transferencia de calor total expuestos en la tabla 3.2, y cuyos valores se exponen en la tabla 5.2.
64 Los resultados expuestos en la tabla 5.2 confirman que el área superficial de un radiador de un sistema de refrigeración de una PEMFC es mayor que en el caso de un MCIA. En el caso de la PEMFC y tomando un coeficiente de transferencia de calor total de unos 350 W/m2K se obtiene un área de unos 2,2 m2. En el caso de un MCIA con el mismo salto de temperatura que se supone para la PEMFC, se tiene un área de unos 1,4 m2. El área del radiador de la PEMFC es un 1,57 veces mayor que en el caso del MCIA,
lo cual concuerda con los datos presentes en estudios donde los radiadores de las PEMFC presentan un área 1,5 veces mayor que los de los MCIA.
Tabla 5.1. Valores de las temperaturas de los flujos del radiador en cada caso.
𝑄̇ (kW) 147,5
PEMFC MCIA MCIA*
Aire 𝑇𝑒𝑛𝑡 (ºC) 45 45 45 𝑇𝑠𝑎𝑙 (ºC) 60 80 60 Refrigerante t𝑒𝑛𝑡 (ºC) 63 102 102 t𝑠𝑎𝑙 (ºC) 53 82 92
*Considerando el mismo salto de temperatura que en el caso de la PEMFC.
Tabla 5.2. Valores de las áreas de intercambio necesarias en cada caso.
Área de intercambio necesaria (m2)
PEMFC MCIA MCIA*
U (W/(m2K))
13,1 59,5 41,0 36,5
30 26 17,9 16
205,7 3,8 2,6 2,3
350 2,2 1,5 1,4
*Considerando el mismo salto de temperatura que en el caso de la PEMFC.
Las áreas superficiales calculadas con los coeficientes U de mayor valor son las que habrá que considerar para elegir un radiador que pueda manejar los 147,5 kW de calor, por lo que hay que elegir un radiador que tenga tales características. Por ejemplo, un radiador con un área superficial de 2,2 m2 y con un U de 350 W/m2K o uno de 2,8 m2 y un U de 205,7 W/m2K.
Es importante considerar que las áreas superficiales calculadas son para el peor de los casos a un punto de carga de unos 150 kW y en condiciones ambientales extremas, lo
65 cual ocurrirá en pocas ocasiones en el uso de la pila. Además, se ha considerado a la pila como adiabática, de manera que el calor que pierde la pila a través de radiación al ambiente, por convección natural y por la refrigeración proveniente de los flujos que entran y salen de la misma tampoco es considerado. Es por ello que las características reales del radiador necesario serán menos restrictivas, pero aun así es de utilidad tener estos valores para comenzar con el dimensionamiento del sistema de refrigeración de la misma, como por ejemplo la cantidad de tubos que necesitará el radiador, la elección de la bomba de refrigerante, la potencia de los ventiladores del sistema, etc…
A su vez, se han calculado los flujos de refrigerante y de aire requeridos en el radiador para la disipación del calor en el rango de operación de la pila, considerado que el refrigerante utilizado es una mezcla en proporción 50/50 agua-etilenglicol. Fijándose en la figura 5.5 se observa cómo tanto el flujo de aire, como del refrigerante aumentan con el calor a disipar. Estos flujos se encuentran en el rango de lo esperado, según los datos expuestos en un estudio de la disipación de calor en un vehículo de pila de combustible [41], donde el flujo másico de refrigerante a 1,34 kg/s, un flujo másico de aire de unos 2,5 kg/s y a una temperatura ambiente de unos 47 ºC, el radiador del vehículo estudiado disipa unos 51 kW de calor aproximadamente. En el caso de los datos expuestos en la figura 5.6, a 45 ºC de ambiente, con un flujo másico de aire de unos 3,32 kg/s y un flujo másico de refrigerante de 1,39 kg/s, la transferencia de calor es de 50,22 kW (véase anexo I.2 para datos tabulados de cada punto de operación). De manera que se puede comprobar, con una discrepancia del 33% en el flujo másico de aire y de menos de 4% en refrigerante, que los datos calculados se encuentran en el rango de lo esperado en comparación a los resultados del estudio mencionado [41]. No se compara en el punto de diseño de 147,5 kW de calor a disipar debido a que la PEMFC tratada en el estudio no produce esa cantidad de calor.
Figura 5.6. Flujos de masa de aire y agua necesarios para transferir el calor
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