SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO DE UN MÓDULO DE ION-LITIO

Geometría del conjunto

El conjunto está formado por 3 partes principales:

• Cold plates de aluminio
• Tubos de refrigeración
• Celdas de ion-litio

Dadas sus condiciones de simetría se ha creado solo la mitad del módulo.

Geometría en CATIA

Geometría exportada a Star CCM+

Mallado del conjunto

Simulación CFD

Una vez definidas las propiedades físicas y energéticas de los materiales y el flujo de refrigeración se procede a la simulación CFD con el software Star CCM+.

La simulación se divide en "steps" o pasos

Conociendo la capacidad nominal de cada celda (14Ah) y la intensidad máxima de nuestro módulo (32,55 A) podemos calcular el tiempo total de la simulación:





Se ha definido un tiempo por paso de 10 segundos, por lo que tendremos 155 pasos

Cada uno de estos pasos se iterará un número de veces definido por nosotros, en este caso, 40.

Luego el número final de iteraciones será:







Del mismo modo se realiza el sistema con el cold plate extruido en lugar de un bloque sólido de aluminio

Cold plate macizo de aluminio

Cold plate extruido de aluminio

Imagen en planta de la simulación

De esta forma, podemos conocer la temperatura, tanto interna como superficial, de cada una de las celdas de ion-litio y comprobar si se encuentran dentro del rango de funcionamiento que indica el fabricante.

ANALISIS FLUIDO-DINÁMICO DE COPA VOLUMÉTRICA PARA RECEPTOR CENTRAL SOLAR

El siguiente proyecto tiene como objetivo principal optimizar el rendimiento de un receptor central solar. Para ello se quiere comprobar mediante herramientas CFD si una serie de mejoras propuestas son de utilidad para conseguir dicho objetivo.

Tras estudiar las diferentes posibilidades las mejoras que se van a probar son:

1. Un nuevo material absorbente a la entrada del receptor.
2. Mejorar la recirculación del aire absorbido.

Por motivos de confidencialidad no puedo publicar en detalle planos, datos o resultados sobre este proyecto en el que participé junto a la empresa Ingeteam.

Esquema de funcionamiento de un sistema de receptor central solar

Geometría

El receptor volumétrico consta de un numero de elementos iguales que llamaremos copas, por los cuales entra el aire atmosférico. Realizaremos la simulación de una de ellas.

Geometría real de la copa

La imagen de la izquierda corresponde con la geometría de una de las copas que componen el receptor. En la sección de la derecha se puede apreciar las       

  

Geometría simulación

Imagenes mallado

Simulación

Definir las condiciones energéticas y de transferencia de calor del material absorbente al aire que circula es clave para aproximar los resultados a la realidad. También se debe cuidar las presiones del modelo de tal forma que el aire del canal de recirculación vaya en la dirección correcta.

Plano de temperaturas en la entrada al material absorbente

SIMULACIÓN DE UNA HÉLICE

A continuación se expone un caso práctico para el empleo de herramientas de análisis fluido-dinámicas

Geometría

Mallado de la geometría

Para el mallado la geometría se ha dividido en 3 partes:

• Sección de entrada: Malla poliédrica de 1cm (3733 celdas)
• Sección de los álabes: Malla poliédrica de 1cm (79327 celdas)
• Sección de salida: Malla poliédrica de 2cm (2145 celdas)

Distribución de velocidades

                         

Se observa que en la sección de los álabes la velocidad aumenta (propulsión) creando una estela de altas velocidades en la sección de salida.

                         

 Distribución de presiones

• La presión en la hélice disminuye respecto a la de la entrada
• Una vez pasa la hélice aumenta la presión en la estela de deslizamiento.

Turbulencias y flujo de retorno

El aire entra a los álabes con una turbulencia baja pero en la parte superior, una vez pasa los álabes, aumentan los esfuerzos viscosos y por ello el espesor de la capa límite. Podría llegar un punto en el que se desprenda la capa límite, el gradiente de velocidades se anule y por ello aparezca un flujo de retorno de carácter turbulento de dirección contraria.

MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) CON COSMOS

COSMOS es un software para la simulación mediante elementos finitos.

Los elementos finitos permiten obtener una solución numérica y aproximada sobre un cuerpo o estructura sobre el que están definidas una serie de condiciones que caracterizan su comportamiento físico.

Las fases de análisis se pueden dividir en:

1. Pre-proceso
• Construcción/Lectura de la geometría
• Mallado y condiciones materiales
• Aplicación de cargas y condiciones de contorno
2. Proceso
• Formación de matrices de rigidez de cada elemento
• Generación de la matriz de rigidez del modelo
• Resolución del sistema de ecuaciones
3. Post-proceso
• Variar condiciones para estudiar diferentes hipótesis
• Cálculo de tensiones a partir de desplazamientos
• Representación gráfica y listado de resultados

EJEMPLO PRÁCTICO 1

Tenemos un tubo de sección rectangular, una cara del tubo está empotrada y en la otra se aplica una fuerza de 100N provocando flexión. Necesitamos calcular:

1. Desplazamiento lineal máximo
2. Tensión normal máxima

Geometría, mallado y condiciones de contorno

Las condiciones de contorno (empotramiento y fuerza aplicada en un extremo) provocan la siguiente deformada, que se puede apreciar en color rosa.

Deformada de la geometría

Los mayores desplazamientos absolutos se producen, como no podía ser de otra forma en este caso, en el extremo del objeto donde está aplicada la fuerza

Desplazamientos absolutos

La mayor tensión normal se produce en la sección del empotramiento con un valor aproximado de 36,86N

Tensión normal

A continuación se compara este valor obtenido con los valores del cálculo teórico, obteniendo valores bastante similares (35,86N frente a 35,3N)

Cálculo teórico tensión máxima

EJEMPLO PRÁCTICO 2

Tenemos una placa metálica rectangular de 5x1 metros y 0.1 metros de espesor sobre la cual aplicamos una fuerza total de 30 kg a 2 metros de un extremo (o 3 del otro extremo). La estructura está empotrada en los dos lados menores.

Realizar un análisis estático-lineal calculando:

1. Espectro de tensiones (componente de Von Misses)
2. Espectro de deformaciones absolutas
3. Deformada del sistema material plano

Geometría, mallado y condiciones de contorno (imagen inferior derecha)

Deformada provocada por las condiciones de contorno (imagen inferior izquierda)

Desplazamiento en eje Z provocada por la actuación de la fuerza de 30 kg (imagen superior derecha)

Espectro de tensiones, componente Von Misses. (imagen superior izquierda)

Los máximos valores de desplazamiento se producen, como no podía ser de otra manera, en los puntos de aplicación de la fuerza. Los valores de tensión máxima corresponden a la sección empotrada más cercana a dicha fuerza.

MOLDE DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO (SOLIDWORKS)

En el siguiente proyecto se realizó un molde de inyección de plástico para crear tapones como el de la siguiente figura.

El molde consta de las siguientes partes:

• Parte fija

• Parte móvil

• Engranajes

• Cámara caliente

• Expulsión

Conjunto completo y vista de sección