Diseño de un sistema de refrigeración de baterías mediante cámara de vapor

Abstract

Gracias al desarrollo de las energías renovables en los últimos años, el interés por los coches eléctricos es cada vez más frecuente en la industria automotriz, siendo la eficiencia de las baterías un punto crítico. Durante el proceso de carga y descarga se genera energía térmica que, de no dispersarse, puede ocasionar diversos problemas como la explosión de las baterías o la pérdida de su eficiencia, entre otros. En consecuencia, resulta necesario el uso de un sistema de refrigeración.

Hasta hace poco, los elementos de refrigeración más utilizados y consecuentemente desarrollados dentro de los sistemas de refrigeración han sido los elementos de refrigeración por aire y agua. Sin embargo, como resultado de la continua evolución de la tecnología, se ha creado un nuevo elemento de refrigeración, la cámara de vapor.

El proceso de refrigeración de este elemento tiene lugar dentro de una cámara a través de las fases de evaporación y condensación, obteniendo así varias ventajas sobre otros elementos. Por un lado, presenta una mejor refrigeración en comparación con los elementos de refrigeración basados en aire, ya que tanto el agua como el vapor de agua tienen una mejor conductividad térmica. Por otro lado, no es necesario emplear equipos auxiliares como en los elementos de refrigeración por agua, ya que todo el proceso tiene lugar dentro de la cámara.

En este trabajo se presenta el diseño de un sistema de refrigeración de un conjunto formado por cuatro baterías mediante una cámara de vapor y la modelización del flujo líquido-gas que se mueve en su interior, tomando como resultado los cambios de temperatura sufridos por el flujo dentro de la cámara y el ciclo experimentado.

Azken urteotan emandako energia berriztagarrien garapenari esker, auto elektrikoen inguruko interesa nagusitzen ari da automobilgintzan, baterien efizientzia puntu kritiko bat izanik. Hauen kargatze zein deskargatze prozesuan, energia termikoa sortzen da, non barreiatu ezean hainbat arazo sor ditzakeen, hala nola baterien eztanda edota, hauen efizientziaren galera besteak beste. Honen ondorioz, beharrezkoa suertatzen da hozte- sistema baten erabilera. Orain dela gutxi arte, hozte-sistemen barnean gehien erabili eta ondorioz gehien garatu diren hozte-elementuak aire eta ur bidezkoak izan dira. Hala ere, teknologiaren eboluzio jarraituaren ondorioz, hozte-elementu berri bat sortu da, lurrun ganbera. Elementu honen hozte-prozesua ganbera baten barnean gertatzen da lurrunketa eta kondentsazio faseen bitartez. Honela, beste elementuen aurrean hainbat abantaila aurkezten ditu. Batetik, airea erabiltzen duten hozte-elementuekin alderatuz, hozketa hobea du, urak zein ur lurrunak eroankortasun termiko hobea baitu airearen aurrean. Bestalde, ur bidezko hozte-elementuekin alderatuz, aparteko elementuen beharra murriztu egiten da, prozesu osoa ganbera barnean gertatzen baita. Lan honetan, lau bateriaz osaturiko multzo baten lurrun ganbera bidezko hozte sistema baten diseinua eta bere barnean mugitzen den likido-gas fluxuaren modelizazioa azaltzen da, fluxuak ganbara barnean jasandako tenperatura aldaketak eta izandako zikloa emaitza gisa harturik.

Thanks to the development of renewable energies in recent years, the interest in electric cars is increasing in the automotive industry, being the efficiency of batteries a critical point. During the charging and discharging process, thermal energy is generated which, if not dispersed, can cause various problems such as the explosion of the batteries or the loss of their efficiency, among others. Consequently, the use of a cooling system is necessary.

Until recently, the most widely used and consequently developed cooling elements within cooling systems have been air- and water-cooling elements. However, as a result of the continuous evolution of technology, a new cooling element has been created, the vapor chamber.

The cooling process of this element takes place inside a chamber through the evaporation and condensation phases, obtaining several advantages over other elements. On the one hand, it presents better cooling compared to air-based cooling elements, since water and water vapor have better thermal conductivity. On the other hand, it is not necessary to use auxiliary equipment as in water-cooled elements since the entire process takes place inside the chamber.

This work presents the design of a cooling system for a set formed by four batteries through a vapor chamber and the modelling of the liquid-gas flow that moves inside it, taking as a result the temperature changes suffered by the flow in the camera and the cycle experienced.