Diseño y Fabricación de un Micro Intercambiador de

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Diseño y Fabricación de un

Micro Intercambiador de

Calor de Flujo Cruzado

5º Curso de Ingeniería Industrial Sistemas Electrónicos Avanzados

Microsistemas

Juan José Medina Barrio Constantino García Sánchez

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INDICE

Introducción

Parámetros de Realización Diseño del Intercambiador Predicciones del Modelo Fabricación

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Introducción.

• La importancia de transferencia de calor entre fluidos

• ¿Qué es un microintercambiador de calor?

• Aplicaciones: Automóvil, Aerospacial, Aire Acondicionado.

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Introducción.

• No lo podemos comparar con los microintercambiadores existentes

• Usados principalmente en refrigeración electrónica.

Agua 11 W/K cm2

Aire 0.25 W/K cm2

Mezcla Bifásica 0.62 W/K cm2

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Introducción.

• Comparamos con los más recientes radiadores para automoción.

• Medida de comparación: q/A(T_R-T_aire)

• Esta medida en los actuales radiadores es del orden: 0.31 W/cm2 K

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Parámetros de Realización.

• Objetivo del radiador: disipar el calor del motor, evitar sobrecalentamiento

• Maximizar la transferencia de calor/área frontal

• Sujeto a restricciones: Caída presión y temperaturas entrada de los fluidos .

• Otras consideraciones(filtrado, tamaño, peso.ruido)

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Diseño del Intercambiador.

• Especificaciones • Geometría

• Cálculos

• Optimización, cálculos del volumen y masa.

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Diseño.Especificaciones.

• Caída de presión ∆p_aire= 175 Pa ∆p_refrig= 5 KPa • Temperatura de entrada. – T_aire= 20 ºC – T_refrig= 95 ºC

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Diseño. Geometría

Fig.1. Esquema del

microintercambiador de calor de flujo cruzado.

• Dimensiones F_w=5.1 cm F_h=5.1 cm

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Diseño. Geometría

• Variables:

– wxH: sección canal aire

– y: anchura aleta y≥200µm

– w :anchura canal aire w≥200µm – b :anchura canal refrigerante b≥500µm • Constantes: – a: espesor pared =125µm – L: profundidad canal aire=1.8 mm H y w a b

Canal de agua (∆p=5 kPa)

Profundidad del canal =L

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Diseño. Cálculos.

• Proceso Iterativo

• Objetivo:Obtener geometría maximice flujo calor/área frontal • Fijadas: ∆p, T_aire,e, T_refrig.e, L

– Diámetro hidraúlico :

– Caída de presión aire:

– Coeficiente convección: 2 2 2 2 V K D L V f p h + = ∆ ) 2 2 ( ) * ( * 4 H w H w P A D_h H w D L f k D h Nu h aire h aire _, Pr Re

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Diseño. Cálculos.

– Coeficiente convección refrigerante:

– Transferencia calor al aire: h refrig

refrig refrig D k h = 4 L= profundidad de canal w y w y w Q_CD Q_A a T_refrig T_aire T_aire Q_A Q_CV T_aire ) ( ) ( _refrig _s refrig CV h w y L T T Q ) ( ) ( base s pared CD T T a L y w k Q ) ( ) ( _a _base _aire aire A h H w L T T Q η 3 2 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1 R R R T T L w H h L y w k a L y w h T T Q refrig aire a aire pared refrig aire refrig T η

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Diseño. Cálculos.

– Red de resistencias térmicas.

q_CANAL=2Q_T L y w h R refrig( ) 1 1 L y w k a R pared( ) 2 L w H h R a aire( ) 1 3 η 2 2 2 2 H yk h H yk h tanh plástico aire plástico aire a η 2 3 2 1 R R R R_tot

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Diseño. Cálculos.

– Usando ecuación transferencia+balance de energía, suponiendo T_refrig=cte:

– Obtenemos: T_aire-salida q_canal

) ( _aire _salida _aire _entrada

aire p aire canal TOT canal T T c m q R DTLM q − = = − − − tot aire p aire entrada aire refrig salida aire refrig R c m T T T T 1 exp canal Nq q ) )( 2 ( ) ( control volumen del Área total frontal Área y w H a b F x F N w h

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Diseño. Cálculos.

– Suponer T_refrig=cte es incorrecto.

– Usamos otro proceso iterativo ↓ error:

– Hacemos la media entre y , introducimos este valor en la ec. transferencia, volviendo a iterar

– Paramos cuando - < 0.5 K H a b F N h refrig 2 w refrig refrig refrig h refrig F p D V 32 2 − mm . x b A_refrig 12 refrig refrig refrig refrig A V m = · · ) ( _refrig _entrada _refrig _salida

refrig p refrigc T T m q = − salida refrig T entrada refrig T T_refrig _salida entrada refrig T salida refrig T

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Diseño. Optimización,

cálculos de volumen y masa.

• Optimización

– Variables: b, w, H, y.

• Volumen del intercambiador

– Vinter=Afrontal x L (longitud canales aire)

• Masa del intercambiador

– Def. volumen material efectivo

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Predicciones del Modelo.

TABLA II

COMPARACIÓN EN LA REALIZACI ÓN DE INTERCAMBIADORES

I ntercambiador

de calor paire(Pa) prefrig( Pa) q/ A( W/ cm

2₎ _{q/ A(W/ cm}3₎ _{q/ m( KW/ kg)} Webb [4]-1 Fila 179 1.7 23.3 9.16 21.2 Webb [4]-2 Filas 204 7.5 23.3 8.15 18.9 Parrino [5] 179 2.5 24.0 7.50 14.6 Plástico MIC 175 5.0 6.0 33.3 57.9 Cerámico MIC 175 5.0 9.7 53.9 40.8 Aluminio MIC 175 5.0 10.7 59.4 44.0 TABLA I

DISEÑO ÓPTIMO DEL I NTERCAMBIADOR DE CALOR (LONGITUDES EN m)

Material k( W/ mK) w H y L a b V( m/ s) N q( W)

Plástico 0.20 200 650 200 1800 125 500 7.1 10750 154

Cerámico 3.0 200 1000 200 1800 125 500 7.7 8540 249 Aluminio 2.37 200 1200 200 1800 125 500 7.8 7640 276

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Fabricación

• Proceso LIGA. • Mecanizado.

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Fabricación. Proceso LIGA.

Fig. 4. Oro sobre la máscara de grafito para rayos-X.

Fig. 4. Oro sobre la máscara de grafito.

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Fabricación. Mecanizado.

Fig.6.Insertado del

molde de níquel. Fig.7.Grabado en relieve de una _{de las caras del intercambiador} de calor.

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Fabricación. Alineación y

Ensamblaje.

Fig. 9. Intercambiador de plástico, ya ensamblado (canales de aire)

Fig. 8. Película cubierta por Uretano

Fig.10 Intercambiador de plástico,ya ensamblado (canales de refrigerante)

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Conclusiones

• Comparación con métodos tradicionales.

– MIC Plástico 33.3 W/cm3

– MIC Aluminio 59.4 W/cm3

– Radiadores más recientes 9/Wcm3