En muchos proyectos de refrigeración de baterías, a menudo me encuentro con clientes con requisitos muy específicos: quieren que el sistema sea muy eficiente en refrigeración, estructuralmente compacto y, preferiblemente, capaz de ajustarse estrechamente alrededor de celdas cilíndricas. Es entonces cuando el tubo serpentina se convierte en una opción muy común y práctica.
Es un tipo de curva tubo de refrigeración líquida que pueden seguir con flexibilidad la disposición de las células y evacuar el calor uniformemente por los lados. Los tamaños más comunes, como 1865, 2170, 4680 y 4695, suelen ser compatibles. Gracias a su gran superficie de contacto, trazado flexible y gran adaptabilidad, es ideal para sistemas en los que el espacio es reducido pero la transferencia de calor eficaz sigue siendo imprescindible. Estos sistemas suelen funcionar en condiciones exigentes en las que incluso pequeñas ineficiencias pueden tener un impacto notable en el rendimiento.
Dicho esto, las ventajas de los tubos serpentina vienen acompañadas de ciertos retos. Debido a sus muchas curvas, largos recorridos de flujo y estructuras complejas, a menudo plantean un problema que es fácil de pasar por alto, pero que en realidad es bastante crítico: la caída de presión. Para que el líquido fluya sin problemas a través de toda la tubería, tiene que superar bastante resistencia. Muchos diseños que parecen térmicamente sólidos sobre el papel acaban atascándose durante la fase de pruebas, simplemente porque la caída de presión no se calculó correctamente. Si no se gestiona con cuidado, esta resistencia puede limitar el caudal, reducir la uniformidad térmica y perjudicar la eficacia general del sistema.
Así que en este artículo, me gustaría partir de la experiencia del mundo real y hablar de lo que realmente afecta a la caída de presión en los tubos de serpentina, y lo más importante, lo que podemos hacer durante la etapa de diseño para optimizar para un mejor rendimiento del sistema y la capacidad de control.
Cuando se trata de la caída de presión, mucha gente no le presta mucha atención durante la fase inicial de diseño. A veces, incluso cuando se trabaja en el diseño de la placa fría, simplemente se omite este paso. Pero una vez que el sistema empieza a funcionar, los problemas relacionados tienden a aparecer gradualmente. En pocas palabras, la caída de presión es la resistencia que encuentra el refrigerante al fluir por el canal, que suele reflejarse como la diferencia de presión entre la entrada y la salida. En esta diferencia de presión influyen la geometría, la velocidad de flujo, las propiedades del fluido y la disposición del sistema. Cuanto mayor es la diferencia, más restringido se vuelve el flujo, y eso puede afectar negativamente al rendimiento de la refrigeración.
He visto algunos proyectos en los que el diseño térmico inicial parecía perfecto -se habían elegido bien los materiales y se había tenido en cuenta el área de contacto-, pero durante las pruebas se produjo un aumento inesperado de la temperatura. Aunque las simulaciones térmicas parecían exactas, los datos de las pruebas en el mundo real mostraban claras desviaciones. Después de investigarlo, nos dimos cuenta de que una caída de presión excesiva estaba provocando un descenso del caudal, lo que dificultaba la evacuación del calor a tiempo, lo que a su vez provocaba una mayor diferencia de temperatura en todo el sistema.
En el caso de los tubos de refrigeración líquida de tipo serpentina, el impacto es aún más notable: debido a sus frecuentes curvas y recorridos relativamente largos, la caída de presión tiende a ser más pronunciada. En realidad, esta estructura es bastante común en muchos diseños actuales de gestión térmica de placas frías, y si la caída de presión no se evalúa adecuadamente en las primeras etapas, podría acabar limitando el rendimiento del sistema una vez desplegado.
Así que, en mi opinión, la caída de presión no es un parámetro que se pueda ignorar. Está estrechamente ligada al funcionamiento de todo el sistema de placas frías. Especialmente cuando se trata de requisitos personalizados, tener en cuenta la caída de presión en las primeras etapas del diseño de una solución personalizada de tubos de refrigeración líquida puede ayudar realmente a mejorar la fiabilidad general y la idoneidad del sistema. Es uno de esos factores que, aunque a veces está oculto, puede influir significativamente en la eficiencia térmica y la vida útil de los componentes a lo largo del tiempo.
Dado que la caída de presión no es algo que podamos permitirnos ignorar, ¿qué es exactamente lo que la afecta? Según los proyectos en los que he participado, la estructura y el caudal son dos factores clave que suelen tener prioridad durante la fase inicial de diseño.
Empecemos por la propia estructura. La caída de presión está estrechamente relacionada con el tamaño de la cavidad interna del tubo serpentín aplanado. Cuanto menor es el espacio interno, más rápido fluye el líquido y mayor es la fricción entre el fluido y la pared del tubo, lo que a su vez aumenta la resistencia general al flujo. Este tipo de diseño es bastante habitual cuando se intenta conseguir estructuras de placas frías compactas y ajustadas. Sin embargo, incluso pequeños cambios dimensionales en la altura o anchura de los canales pueden dar lugar a diferencias exponenciales en la resistencia al flujo, especialmente en condiciones turbulentas, pero incluso entonces es importante lograr un equilibrio adecuado entre dimensiones y caída de presión.
Lo siguiente es la longitud total del recorrido. Cuanto más largo sea el recorrido de la serpentina, mayor será la distancia que tenga que recorrer el refrigerante y más pérdidas por fricción acumulará por el camino. Si la longitud del recorrido no se controla razonablemente, el efecto acumulativo de la caída de presión puede ser cada vez más significativo en todo el sistema. Esto es especialmente importante en aplicaciones de alta potencia o módulos de gran tamaño, donde una longitud excesiva puede provocar una distribución irregular del flujo.
Otro factor es el número de curvas. Cuando la estructura tiene curvas y cambios de dirección frecuentes, cada cambio en la dirección del flujo crea turbulencias locales que añaden resistencia adicional. Este tipo de pérdidas localizadas se hacen más evidentes en diseños con muchas curvas o en sistemas con limitaciones de espacio, y sin duda son algo que debe evaluarse detenidamente durante el modelado o la simulación. Incluso cambios aparentemente menores en el radio de curvatura o el ángulo de entrada pueden dar lugar a fuertes aumentos en la pérdida de presión localizada.
Además, el caudal también es un factor importante que influye en la caída de presión. A medida que aumenta la velocidad de flujo, también crece la resistencia que el líquido debe superar, lo que significa que se consume más energía cinética y aumenta el nivel de caída de presión. Esto es especialmente común en los casos en los que el caudal fluctúa o cuando se requiere una alta transferencia de calor. Por eso, durante las primeras fases del diseño de la placa fría, es importante evaluar no sólo la estructura, sino también cómo interactúa con los caudales de funcionamiento reales.Los diseños que son marginalmente aceptables a caudales bajos pueden resultar problemáticos a volúmenes más altos, sobre todo si el sistema experimenta comportamientos de flujo pulsátiles o transitorios.
Además, las propiedades físicas del refrigerante también pueden influir en la caída de presión. Factores como la viscosidad, la densidad y la temperatura pueden afectar al comportamiento del fluido, lo que a su vez influye en su estabilidad y resistencia a medida que fluye por los canales. Por ejemplo, a bajas temperaturas, el aumento de la viscosidad puede incrementar drásticamente la resistencia al flujo, mientras que a altas temperaturas, la reducción de la viscosidad puede provocar una inestabilidad no deseada del flujo o cavitación.
Aparte de estos factores principales, también hay algunas variables que son fáciles de pasar por alto, pero que siguen siendo importantes, como la rugosidad de las paredes del tubo interior, la forma en que se instala el tubo serpentín o la disposición de las estructuras de soporte. Estos detalles no siempre aparecen claramente en un dibujo, pero sin duda influyen en la forma en que fluye el refrigerante durante el montaje y el funcionamiento en el mundo real. Los ángulos de instalación deficientes, la desalineación o el hundimiento de los tubos también pueden provocar diferencias de presión, que no se tienen en cuenta en las simulaciones ideales pero que aparecen durante las pruebas.
Por eso, cuando trabajamos en el diseño de placas frías para gestión térmica o en una solución personalizada de tubo frío para líquidos, solemos ayudar a los clientes a evaluar todo, desde la estructura y el flujo hasta la disposición de la instalación, basándonos en las necesidades reales de aplicación de su producto. Así nos aseguramos de que el diseño no sólo sea práctico y estable, sino que también se adapte a su finalidad. Una consideración tan exhaustiva ayuda a minimizar las sorpresas durante la validación, ahorrando tiempo y costes.
Estas pequeñas cosas que parecen detalles sin importancia pueden tener un gran impacto en el funcionamiento estable de todo el sistema. El diseño de las placas frías no consiste sólo en dibujar unos cuantos canales de flujo, sino que en realidad se trata de todo un conjunto de tecnología de placas frías que funciona entre bastidores. Desde la precisión de la simulación hasta las tolerancias de fabricación, cada pequeña decisión tomada durante el diseño puede afectar a la fiabilidad del sistema durante todo el ciclo de vida del producto.
Así que cuando tengo que atender una solicitud personalizada, suelo empezar la conversación con el cliente analizando el escenario real de la aplicación. Por ejemplo, ¿este sistema se va a instalar en un vehículo comercial o se va a utilizar en un sistema de almacenamiento de energía? ¿Cuáles son las condiciones de flujo in situ? ¿Hay limitaciones de espacio? Todos estos factores afectarán directamente a la forma en que evaluemos más adelante la ruta de refrigeración líquida y el rendimiento de la caída de presión. Sólo cuando tenemos en cuenta todas estas condiciones del mundo real podemos equilibrar adecuadamente la estructura, la caída de presión y la eficiencia del sistema en un diseño de tubo serpentina personalizado, y asegurarnos de que la solución de refrigeración es práctica, estable y realmente utilizable.
ES 
EN 
DE 
KO 