Ingeniero Civil Mecánico / Una batería ion-Litio es un dispositivo de almacenamiento energético compuesto de celdas eléctricas con sales de Litio, que se agrupan en módulos para conformar una estructura mayor llamada empaquetamiento. Son la mejor alternativa de almacenamiento en autos eléctricos o sistemas de energías renovables, sin embargo su rendimiento y vida útil se ven altamente afectados por las temperaturas de operación. Esto motiva la realización del presente trabajo de título apoyado por el Centro de Energía de la FCFM, en el marco del proyecto EOBLI que busca optimizar el desempeño de baterías ion-Litio a través del diseño óptimo de empaquetamientos. El objetivo de este trabajo es implementar un modelo fluidodinámico computacional (CFD), para determinar los efectos térmicos de la carcasa de un empaquetamiento, sobre el enfriamiento de celdas cilíndricas ion-Litio sometidas a refrigeración forzada con aire. El modelo es la representación 3D de un montaje experimental, del cual se conoce la medición de temperatura de enfriamiento de las celda en el tiempo y que consta de un módulo con carcasa de madera y 5 celdas cilíndricas enfriadas con aire desde 302 [K] hasta 292 [K] luego de 2500[s]. Se utiliza el software ANSYS basado en el cálculo de volúmenes finitos con mallado de geometrías, seleccionando un mallado de 1600000 elementos y un modelo de turbulencia k-e RNG, con un tratamiento de pared Enhanced Wall Treatment para resolución de capa límite. La validación y calibración del modelo se logra satisfactoriamente ajustando la temperatura de enfriamiento de las celdas entregada por el modelo con la curva de temperatura conocida del montaje experimental. La pérdida de carga resultante es de 12 [Pa], la velocidad máxima entre celdas es de 6 [m/s] y el coeficiente convectivo por celda es cercano a los 60 [W/m2K], lo que se verifica con bibliografía para intercambiadores de calor de tubo con flujo cruzado. Para el análisis térmico se varía la materialidad, longitud y temperatura de la carcasa. Se analizan 5 materiales, comparando resultados para el campo de temperaturas, coeficientes convectivos y el flujo de calor en las interfaces batería-aire y carcasa-aire. Se concluye que la materialidad de la carcasa a temperatura, T=292[K], no afecta el enfriamiento de las celdas, pero una carcasa refrigerada a T=275 [K] permite reducir el tiempo de enfriamiento de las celdas hasta en un 40% respecto al caso inicial, aunque esto es un resultado independiente del material de carcasa utilizado, ya que entre usar un conductor térmico o un aislante, la diferencia es solo de 1[min] y un ΔT=1[K], valor que de todos modos podría mitigar envejecimiento después de varios ciclos de carga y descarga. Por último, aumentar la superficie de intercambio carcasa-aire, favorece la disipación térmica y el enfriamiento de las celdas. Basado en los resultados obtenidos, se propone un estudio futuro de carcasas con el uso de materiales conductores y aislantes en forma estratégica para direccionar el flujo de calor. Se recomienda validar lo anterior con el diseño de geometrías orientadas a la refrigeración.

Ingeniero Civil Mecánico / El aire del ambiente ha sido utilizado ampliamente en distintos procesos como medio de enfriamiento, pero también puede ser utilizado como medio de calentamiento si lo que se desea calentar se encuentra a menor temperatura que la temperatura ambiente. Por ejemplo, se tiene el caso de los enfriadores por aire inducido. Estos enfriadores son utilizados para, como su nombre lo dice, enfriar fluidos debido a que la temperatura ambiental por lo general se encuentra por debajo de la temperatura del fluido. Sin embargo, existen fluidos de trabajo que se encuentran a una temperatura menor que la ambiental, por lo que se puede utilizar el aire presente en la atmósfera para calentar el fluido, permitiendo así obtener calor sin emitir agentes contaminantes. Es por esto que surge la inquietud de desarrollar un estudio fluido-dinámico de un arreglo de ventiladores utilizados en un grupo de condensadores para optimizar el rendimiento de estos equipos. En el presente informe se entregan los antecedentes y la metodología a utilizada para estudiar el flujo másico de un arreglo de condensadores de flujo inducido. Para ello, se analizó un arreglo de 72 enfriadores conformando un sistema de 10x32 metros. Sin embargo, el estudio aborda solamente las variables de flujo másico de aire, debido a que la variación que presenta la temperatura del aire es muy baja, por lo que la variación de sus propiedades termodinámicas es despreciable. Para realizar el estudio anteriormente mencionado, se realizaron modelaciones con la ayuda del módulo FlowSimulation del software SolidWorks. Debido al gran número de equipos utilizados en el arreglo de enfriadores a estudiar, fue necesario validar simplificaciones que permitan reducir los recursos computacionales necesarios para realizar los cálculos. Una vez que se obtuvo la validación de estas simplificaciones, se estudió el fenómeno de recirculación de aire y la influencia de otros factores (obstáculos, meteorológicos) que disminuyan la eficiencia del arreglo de intercambiadores. Con los resultados obtenidos en los análisis realizados, se determinó que el caso inicial está sobredimensionado. El arreglo puede disminuir su altura a 3 metros sin ver afectado el flujo másico impulsado. Esta altura puede disminuir a 2 metros si se divide el arreglo en 2 grupos separados por una distancia de 6 metros. Finalmente, se recomienda realizar la instalación de estos equipos cerca de una estructura o edificio de mayores dimensiones que el sistema analizado para disminuir los efectos negativos que pudiesen generar las condiciones meteorológicas del lugar de la instalación.