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3. MEJORAS EN LOS EQUIPOS DE REFRIGERACIÓN 

 

A primera vista aumentar el nº de aletas debería de aumentar la transferencia 

de  calor,  sin  embargo,  este  aumento  no  es  suficiente  para  que  cuando  el  vehiculo 

circule  a  120  km/h  el  intercambiador  de  calor  sea  capaz  de  aportar  toda  la 

refrigeración necesaria para que la pila funcione correctamente a dicha velocidad.  

 

En la Tabla 2 se muestran los resultados obtenidos al variar el nº de aletas para 

una temperatura del aire de entrada de 27ºC a 120 km/h: 

 

Nº aletas Qtérmica (W)

84  38.501 

86  38.953 

88  39.401 

90  39.846 

92  40.287 

94  40.724 

96  41.159 

98  41.589 

100  42.017 

102  42.441 

104  42.861 

106  43.279 

108  43.693 

110  44.104 

112  44.512 

114  44.916 

116  45.318 

118  45.717 

120  46.112 

122  46.505 

124  46.894  

Tabla 2. Variación del nº de aletas 

 

Como se puede observar en la tabla anterior,  tendríamos que añadir más de 40 aletas 

de  las  mismas  dimensiones  para  conseguir  una  buena  refrigeración  de  la  pila  de 

combustible,  lo  cual,  no  es  posible  ya  que  no  cabrían  tal  nº  de  aletas,  dadas  las 

dimensiones del intercambiador de calor.  

 

 

 

 

 

 

 

40

3.1. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE MICROCANALES 

 

Los  intercambiadores de microcanales  son unos dispositivos de  refrigeración, por  los que  el  fluido de  trabajo  circula por  canales de un  tamaño  característico del orden  de  micras.  Dentro  de  este  tipo  de  intercambiadores  de  calor,  se  pueden diferenciar entre  los que el  fluido no cambia de  fase  (single‐phase  flow) y  los que  si cambia (two‐phase flow). 

 

En los microcanales si  hay que tener en cuenta la caída de presión en ellos, no 

podemos suponerla despreciable.  

 

La potencia debido a  la fricción por unidad de área se calcula con  la siguiente 

expresión (Kays and London):  

 

  

Siendo Δp la caída de presión en el microcanal, ΔAs el área de transferencia de 

calor, Um  la velocidad del fluido, Ac el área de transversal del microcanal y V el flujo 

volumétrico.  

 

  

“Pequeños  cambios  en  el  peso  afectan  de  forma  significante  a  la  caída  de 

presión” 

 

 

Actualmente, en aplicaciones para refrigeración y aire acondicionado, existe un gran interés por introducir intercambiadores de calor de microcanales.   

Sus características le proporcionan altos coeficientes de transmisión de calor y por ello altas eficiencias.  Además poseen una gran compacidad, es decir, un cociente elevado  entre  el  área  de  intercambio  de  calor  y  el  volumen  del  intercambiador, resultando muy  compactos  y  ligeros,  con  las  ventajas  de  que: menor masa  implica menores costes de producción y menos volumen implica menos carga de refrigerante.   

  

 

 

41

Uno  de  los  primeros  sitios  donde  se  viene  aplicando  es  en  el  sector  de  la automoción  por  la  disponibilidad  de  área  frontal.  Se  utiliza  esta  tecnología  en  los condensadores de aire acondicionado, baterías de  refrigeradores de aceites y en  los radiadores.  

  Los  intercambiadores  de  calor  con microcanales  comenzaron  a  usarse  en  el 

sector  de  la  automación  a  finales  de  la  década  de  los  ochenta.  Con  la  retirada progresiva de los refrigerantes de clorofluorocarburo (CFC), el sector de la automoción se  vio  forzado  a  cambiar  del  R‐12  al  refrigerante  R‐134a  respetuoso  con  el medio ambiente. Este cambio conllevó desafíos similares a los que se enfrentaba el sector del aire acondicionado para conseguir el mismo resultado final: refrigeración confortable con distinto refrigerante. Los refrigerantes R‐134a y R‐12 son muy diferentes: cada uno con características de transferencia de calor y ventajas únicas. Al usar el R‐134a en los condensadores  de  automóviles  con  aletas  de  aluminio  y  tubos  de  cobre  convencionales,  se  produjo  una  disminución  importante  de  la  capacidad  en comparación con el R‐12. 

 Como  el  sector  de  la  automoción  no  podía  utilizar  tamaños  de  baterías 

mayores,  necesitaba  un mayor  rendimiento  térmico  que  le  permitiera  emplear  un intercambiador de calor más pequeño y compacto, que no añadiera peso ni tamaño al vehículo.  El  sector  recurrió  a  la  tecnología  del  intercambiador  de  calor  con microcanales.   

Esta  tecnología  aprovecha  principios  de  transferencia  de  calor  consolidados mediante el uso de múltiples microcanales paralelos para maximizar el contacto de la superficie de transferencia de calor. La consecuencia de una transferencia de calor más eficiente  es  la  capacidad  para mantener  o  reducir  potencialmente  la  superficie  de transferencia de calor necesaria. Además, puede disminuirse  la carga de refrigerante, con  lo  que  el  resultado  final  es  una  solución  aún  más  respetuosa  con  el  medio ambiente al combinarse con la transición al R‐134a. 

 Los  tubos  con  microcanales  del  intercambiador  de  calor  tienen  excelentes 

características de transferencia de calor en el lado del refrigerante. En el lado del aire, la transferencia de calor es mayor debido a un mejor contacto de  la superficie y a  la unión metalúrgica entre el tubo y la aleta. Se ha optimizado el diseño de la aleta para mejorar el rendimiento de la transferencia de calor de la aleta. La unión entre la aleta y el  tubo  reduce  la  resistencia  térmica  entre  éstos,  y  el  resultado  es  una  mejor conducción del calor. 

 Los principales factores que favorecen el aumento del rendimiento térmico y la 

mejor  eficiencia  asociada  a  la  tecnología  de microcanales  son  el  resultado  de  una mayor transferencia de calor del  lado del aire, una mayor   transferencia de calor del lado de refrigerante y un amplio contacto entre las superficies del tubo y la aleta. Los tubos planos con microcanales crean una capa límite de la transferencia de calor más favorable a la mejora de los coeficientes de transferencia de calor del lado del aire, que aumenta  el  intercambio  de  calor  en  general. Asimismo,  los  tubos  con microcanales favorecen  la transferencia de calor del  lado del refrigerante sin que se produzca una caída excesiva de a presión de éste.  

 

 

42

Por último,  la unión metalúrgica entre el  tubo y  la aleta aumenta el contacto entre  éstos,  con  lo  que  aumenta  la  superficie  global  y  la  conducción  térmica.  En esencia,  el  mayor  rendimiento  térmico  de  los  microcanales  permite  el  diseño  de sistemas equivalentes con una reducción de hasta el 25 % en el tamaño.  

 El  mejor  rendimiento  térmico  de  dicha  tecnología  tiene  como  resultado 

mayores  niveles  de  eficiencia  –aproximadamente  un  10 %–  en  comparación  con  la tecnología convencional.  

Junto  a  las  ventajas  asociadas  al  rendimiento  térmico,  el  sector  de  la automoción  ha  sido  capaz  de  conseguir  importantes  ventajas  con  relación  a  la integridad estructural del diseño de  la batería. Las baterías de  los condensadores de los coches se colocan directamente detrás de la rejilla delantera de éstos. Al exponerse la  batería  a muchos materiales  y  elementos,  la  rígida  estructura  de  la  batería  con microcanales resiste mejor el aceite, la sal, los vertidos de materiales, la arena y otros tratamientos  químicos  de  la  carretera  en  todo  tipo  de  lugares  costeros  húmedos  y calurosos  o  ambientes  con  nieve.  Además,  a  diferencia  de  las  baterías  de  cobre‐aluminio  tradicionales, el diseño de  la batería de aluminio con microcanales permite reducir considerablemente el ataque galvánico entre los materiales de la estructura. A partir del uso de los intercambiadores de calor de microcanales en los coches, el sector de la automoción ha conseguido las siguientes ventajas:  

- Menos peso, lo que aumenta el ahorro de combustible.  

-  Componentes más pequeños, que ocupan menos espacio bajo el capó.  

- Refrigeración más eficaz.   

- Mayor vida útil del componente.       Como resultado del rotundo éxito de esta tecnología y de las ventajas asociadas 

que  se  han  descrito,  se  estima  que  la  tecnología  de  microcanales  se  emplea  en aproximadamente  el  75  %  de  todos  los  vehículos  fabricados  y  vendidos  en  la actualidad.  

Dado el creciente interés en los refrigerantes naturales, una ventaja importante que  ofrece  este  tipo  de  intercambiadores  es  su  reducido  volumen  para  el  caso  de aquellos  refrigerantes que son  inflamables,  tales como el propano, donde existe una importante limitación, regulada por normativa, de la carga máxima que puede tener el sistema.          

 

 

43

En  este  proyecto,  se  simula  con  el  modelo  anteriormente  explicado  un 

intercambiador  de calor de microcanales de sección transversal circular cuyo diámetro 

exterior es de 0.001 m.  

 

Al  disponer  de microcanales  en  lugar  de  tubos  convencionales  el  cálculo  del 

coeficiente de película  interior se realiza con  la siguiente correlación experimental de 

Adams et al: 

 

int

intint

2Dint

0,5Dint

GN

i2

iDint

GNDint

1,164)logRe(182f

1)(Pr(f/8)12,71

Pr1000)((Re(f/8)Nu

D)/1,164)(D(1Re0,0000761F

F)(1NuNu

D

KNuh aguaD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

44

3.1.1 MICROCANALES (single‐phase flow) 

En  la mayoría  de  los  sistemas  de  refrigeración  activos,  la  resistencia  térmica dominante  es  debida  al  fluido,  debido  a  la  baja  conductividad  térmica  de  éstos (comparada  con  la  conductividad  del  material  del  que  están  fabricados  los disipadores).  Esto  se  puede mejorar  disminuyendo  la  sección  de  paso  del  fluido  y aumentando el área de contacto entre el material del disipador y el  fluido  (Frank P. Incropera, 1999). Este, es el principio fundamental de los microcanales, por esta razón este  tipo  de  disipador  evacua  hasta  50  veces  más  calor  que  los  disipadores convencionales.  

Dentro de los sistemas de refrigeración por microcanales, se puede diferenciar entre configuraciones de canales  tradicionales  (parrilla,  serpentín,…), ver Figura 22 y configuraciones  avanzadas  en  las  que  los  canales  se  forman  por  la  unión  de  placas perforadas (Figura 23).  

 

 

Figura 22. Configuración de microcanales en configuración convencional de parrilla (Paisarn Naphon, 2009). 

 

Además,  en  las  configuraciones  de  microcanales  convencionales,  se  suelen 

emplear  distintos  tipos  de  forma  de  canales.  Las más  empleadas  son  las  cuadradas  

(Figura 22) y en forma triangular (Figura 23). Para sistemas de microcanales sin cambio 

de fase, a igualdad del resto de condiciones, el empleo de una configuración u otra no 

mejora  la  transferencia  de  calor  en  el  dispositivo.  Sin  embargo,  cuando  se  existe 

cambio  de  fase  en  el  fluido,  la  configuración  triangular  es  más  eficiente  que  la 

cuadrada,  ya que,  la  circulación de  las burbujas de  vapor  se hace de un modo más 

eficiente desde la superficie al seno del fluido, aumentando por tanto la transferencia 

de calor. (X.F. Peng, 1998). 

 

 

 

 

 

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Figura 23. Configuración con los microcanales en forma triangular  

(G. Hetsroni, 2002). 

 

Los  sistemas de microcanales avanzados, están  compuestos por una  serie de 

capas metálicas perforadas de pequeño espesor (del orden 10‐4 m). Las perforaciones 

se realizan de tal modo que se formen microcanales entre una capa y otra. 

 

Las ventajas de este tipo de sistemas de refrigeración son las siguientes: 

 

‐ Mejoran  la  transferencia  de  calor  que  en  los  intercambiadores  de  canales 

convencionales, al disponer de canales más estrechos. 

‐ Son sistemas robustos y  fáciles de  implementar.  Incluso se pueden construir en el 

mismo  sustrato  del  sistema  fotovoltaico,  disminuyendo  la  resistencia  térmica  del 

conjunto. (Anja Royne, 2005). 

 

Las desventajas de  los  sistemas de  refrigeración de microcanales  sin cambio de  fase 

son: 

 

‐ Al no cambiar el fluido de estado, el único modo que tiene éste de absorber calor es 

aumentando su energía  interna, y por tanto, su temperatura. Esto, provoca que el 

sistema de refrigeración no tenga una distribución de temperaturas uniforme en su 

interior,  y  por  ende,  tampoco  lo  tendrá  el  sistema  fotovoltaico,  cayendo  el 

rendimiento eléctrico de éste debido al fenómeno de mismatching. En el sistema de 

refrigeración se tendrán temperaturas más bajas en las zonas de entrada del fluido 

refrigerante, y más altas en la zona cercana a la salida de éste. 

 

 

 

 

 

46

‐ Al  disponer  el  sistema  de  refrigeración  de  canales  de  distribución  estrechos,  la 

pérdida de carga es elevada, y por tanto, el consumo energético de  las bombas de 

circulación  también  será elevado. Además,  a medida que  aumenta el  caudal que 

circula por el  interior de  sistema de  refrigeración,  la presión a  la entrada de éste 

debe  de  aumentar.  Esto  hace  que  el  sistema  sea  más  ruidoso,  el  consumo 

energético sea aún mayor y que estructura física del sistema de refrigeración debe 

de poseer mayor espesor para soportar la presión en el interior. Por tanto, el coste 

del equipo de refrigeración será mayor. 

 

En la bibliografía, se han revisado numerosos artículos concernientes a esta tecnología, 

obteniéndose los siguientes resultados: 

 

‐ El precursor de los sistemas de refrigeración por microcanales fue D.B. Tuckerman, 

en  los experimentos  llevados a cabo por su  laboratorio se constataron resistencias 

térmicas  mínimas  de  valor  9∙10‐6  m2∙K/W  y  una  transferencia  de  calor  de  790 

W/cm2, en equipos de  intercambio de 1cm2 de  área.  (D.B. Tuckerman, 1981)  Las 

diferencias de temperaturas entre  la superficie de  la fuente de calor y el fluido de 

trabajo (agua) fue de 50 a 100 ºC.  

 

‐ Uno de  los  inconvenientes que presentaban  los experimentos de D.B. Tuckerman, 

eran  las diferencias de  temperaturas en  la  superficie a  refrigerar.  J.H. Ruy  realizó 

experimentos  en  los  que  la  distribución  del  fluido  de  refrigeración  a  los 

microcanales se hacía de modo perpendicular mediante colectores, ver Figura 24. 

Con esto se consigue uniformizar  la temperatura de  la superficie a tratar, pero  las 

resistencias  térmicas que  se  consiguieron en  los experimentos  fueron de 3,2∙10‐4 

m2∙K/W.  (J.H.  Ryu,  Numerical  optimization  of  the  thermal  performance  of  a 

microchannel heat sink, 2001) (J.H. Ryu, Three‐Dimensional numerical optimization 

of a manifold microchannel heat sink, 2002). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

47

  

Figura 24. Sistema de distribución de fluido mediante colectores en sistema de refrigeración 

de microcanales. 

 

 

‐ Isssam  Mudawar,  director  del  laboratorio  “Booling  and  Two‐phase  Flow 

Laboratory”,  de  la  Escuela  de  Ingenieros  de  la  Universidad  de  Purdue  (West 

Lafayette),  posee  una  gran  cantidad  de  artículos  de  investigación  sobre 

intercambiadores de calor con microcanales con cambio de fase, sin cambio de fase 

y con impigning jets. Dentro de los microcanales sin cambio de fase, ha constatado 

refrigeradores experimentales de 1  cm2 de área en  los que  la  resistencia  térmica 

mínima experimental ha sido de 10‐5 m2∙K/W, para flujos de calor de 200W/cm2 con 

una diferencia de  temperatura entre el  fluido y  la superficie a  refrigerar de 20 ºC 

aproximadamente  (la pérdida de carga del  fluido a su paso por el  intercambiador 

fue de 0,8 bar) (Weilin Qu, 2001), (Myung Ki Sung, 2008). En la Figura 25, se puede 

ver  el  montaje  experimental  y  la  configuración  del  refrigerador  con  los 

microcanales. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

48

  

Figura 25. Elementos de un montaje experimental de sistemas de refrigeración con micro‐

canales. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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3.1.2. MICROCANALES (two‐phase flow) 

 

El  principio  de  funcionamiento  y  tipos  de  canales  son  similares  que  los 

microcanales sin cambio de fase (subapartado anterior). La única diferencia es que el 

fluido de trabajo opera en unas condiciones de presión y temperatura a la entrada del 

sistema de refrigeración, que hace que al recibir calor, cambie de fase y pase a estado 

vapor.  A  igualdad  de  condiciones,  los  coeficientes  de  transferencia  de  calor 

convectivos  asociados  a un  fluido  cambiando de  fase,  son mayores que  los mismos 

coeficientes cuando el fluido no cambia de estado. (Frank P. Incropera, 1999). 

 

En  la  Figura  26,  aparece  un  esquema  de  conexionado  de  los  diferentes 

elementos que compondrían el sistema de refrigeración. 

 

  

Figura 26. Esquema de conexionado de los elementos de un sistema de refrigeración de 

microcanales con cambio de fase (two‐phase flow). 

 

 

Siguiendo el esquema de la figura anterior, el principio de funcionamiento es el 

siguiente: Un líquido es bombeado desde un tanque de almacenamiento [4], mediante 

el  empleo  de  una  bomba  de  circulación  [5],  hasta  el  evaporador  [6].  Éste,  se 

encontraría  unido  al  sistema  fotovoltaico  del  que  recibiría  el  calor  a  disipar, 

provocando la evaporación del líquido que circula por dentro del evaporador. El líquido 

conforme va evaporándose, va abandonando el evaporador por  la  línea de vapor [2], 

hacía el condensador donde este vapor se pone en contacto (indirecto) con otro fluido 

de  trabajo  (generalmente agua o aire) a menor  temperatura, al que  le cede su calor 

latente, condensando de nuevo, y retornando al tanque de almacenamiento.  

 

 

 

50

Según las condiciones de operación, podrá existir una parte de fluido que no se 

evapore en el evaporador, esta fracción de  líquido retorna a través de [7] también al 

tanque de almacenamiento. 

 

Los fluidos que se suelen emplear en este tipo de sistemas es agua desionizada, 

y fluido dieléctricos como Vertrel XP, HFE 7100, FC‐72, FC‐87…(todos ellos son fluidos 

orgánicos del tipo Fluor‐Carbonados). (Chanwoo Park, 2007), (G. Hetsroni, 2002), (W. 

Yu, 2002), (Jaeseon Lee, 2008). 

 

Las ventajas del empleo de agua frente los fluidos dieléctricos son: 

 

‐ La  entalpía  de  vaporización  de  ésta  es mayor  a  la  de  cualquier  fluido  dieléctrico 

(2600  kJ/kg  del  agua  frente  a  150  kJ/kg  aproximadamente  para  los  fluidos 

dieléctricos). 

‐ El  agua  es  un  fluido  de  trabajo  barato  y  fácil  de  reponer,  además  de  no 

contaminante. 

 

 

Las desventajas del agua frente a los dieléctricos son: 

 

‐ Para  evaporar  agua  a  temperatura  por  debajo  de  100  ºC,  la  presión  en  el 

evaporador debe  ser menor a  la atmosférica. Esto puede provocar  filtraciones de 

aire ambiente al circuito evaporador, y a largo plazo, se debe proceder a realizar de 

nuevo el vacío en el evaporador. Los  fluidos dieléctricos evaporan a temperaturas 

moderadas  (entorno a  los 60ºC) a presión atmosférica, evitando  los problemas de 

filtración del aire ambiental. 

 

‐ Los  fluido dieléctricos,  si bien, en general  tienen peores propiedades  termofísicas 

desde  un  punto  de  vista  de  la  transferencia  de  calor  que  el  agua,  presentan  la 

ventaja de que son aislantes eléctricos, por tanto, para aplicaciones de refrigeración 

de dispositivos eléctricos son más aconsejables que el agua. 

 

 

Las principales ventajas de este sistema de refrigeración son: 

 

‐ Al emplear fluidos que cambian de fase, la disipación de calor de la fuente térmica 

se  realiza  a  temperatura  uniforme. Desde  un  punto  de  vista  de  refrigeración  de 

sistemas  electrónicos,  la  uniformidad  de  temperaturas  en  éstos  hace  que  el 

comportamiento sea mejor y que la durabilidad de los equipos también aumente. 

 

 

 

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‐ Los  consumos  energéticos  asociados  a  la  bomba  de  circulación  del  fluido 

refrigerante, son bajos, debido a que el fluido se bombea en estado líquido. 

 

La principal desventaja de este tipo de sistemas es que se consiguen altas tasas de 

transferencia de calor en reducidas áreas de transferencia.  

 

En  la  actualidad,  este  tipo  de  sistemas  de  refrigeración  están  siendo  muy 

estudiados  para  aplicaciones militares,  electrónicas  y  espaciales,  debido  a  su  gran 

capacidad de disipación de calor en superficies de transferencia reducidas, del orden 

de 10‐4 m2. 

 

De  la  búsqueda  realizada,  la  mayoría  de  las  referencias  bibliográficas 

pertenecen a centros de investigación, salvo (Chanwoo Park, 2007), que pertenecen a 

una  empresa  norteamericana  denominada  “Advanced  Cooling  Technologies  (ACT)” 

(Vallury, 2009). Este fabricante se dedica a diseñar sistemas de transferencia de calor 

de alta eficiencia, y está especializado en sistemas de microcanales y heat‐pipe. Dentro 

de su catálogo de soluciones se encuentra un sistema de microcanales con cambio de 

fase híbrido “Hybrid two‐phase loop technology”. 

 

Esta  tecnología,  combina  la  circulación  activa  del  fluido  de  refrigerante, 

mediante  el  empleo  de  una  bomba  de  circulación,  con  la  circulación  pasiva  en  el 

evaporador por el empleo de capilares (microcanales). El evaporador está fabricado en 

Cobre. Debido a que el fluido es movido por una bomba, varios de estos evaporadores 

pueden estar conectados a ésta, no viéndose mermado el comportamiento conjunto 

de los evaporadores. Este sistema emplea agua desionizada como fluido de trabajo. En 

la Figura 27, se muestra el montaje experimental con cuatro evaporadores. 

 

Actualmente,  este  sistema  presenta  una  resistencia  térmica  que  varía  entre 

8,3∙10‐5 y 9,2∙10‐5 m2∙K/W,  la cual,   puede bajar si se reduce  la presión de cambio de 

fase del agua en el evaporador. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Figura 27. Montaje experimental de un sistema “Hybrid two‐phase loop” (Chanwoo Park, 

2007).