HVAC

Capacidad de garantiza el acondicionamiento de la temperatura de los transportes, tanto en cabinas como en compartimentos donde llevan su carga de pago por diversos motivos, como la conservación o el confort de pasajeros.


Período

2017-2023

Sector

Automoción

Servicio

Fluidodinámica: sistemas de climatización en vehículos
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CONTEXTO

Los transportes tienen la necesidad de acondicionar la temperatura en las cabinas o compartimentos donde llevan su carga de pago por diversos motivos, como la conservación o el confort de pasajeros. Para poder garantizar la adecuada climatización se precisa acometer el diseño de un sistema HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) eficiente que permita regular los diferentes parámetros ambientales como temperatura y presión para ajustarlos a los requeridos para cada situación.

La definición de un sistema HVAC se apoya en simulaciones fluidodinámicas, CFD, que consisten en análisis matemáticos de la geometría del entono, incluyendo el modelado de las condiciones y los parámetros del problema en diferentes escenarios. Con la evaluación de los resultados, es posible trabajar en la optimización del diseño desde el punto de vista operacional.

SOLUTE cuenta con una amplia y consolidada experiencia, desde 2017, en este tipo de cálculos con clientes del sector de los medios de transporte.

Los vehículos de transporte, como automóviles, trenes o aviones, llevan en su interior una carga de pago (personas o mercancías) a la que hay que proporcionar unas condiciones ambientales adecuadas, bien sea para su comodidad, para evitar su deterioro o, en el caso del sector de la aviación, para garantizar unos ciertos niveles de concentración de oxígeno en el aire para que los pasajeros puedan respirar.

La simulación fluidodinámica CFD es la opción más eficaz para abordar el estudio del diseño HVAC. SOLUTE posee la capacidad de llevar a cabo dichos análisis, y estudiar el problema para lograr un desarrollo del sistema en los términos objetivos planteados.


RESULTADOS

Los estudios permitirán concluir en una nueva definición de los parámetros del sistema HVAC, así como de la geometría que condiciona el problema. Las tareas de simulación y el análisis de sus resultados permiten adoptar, de una manera muy dinámica, alternativas de diseño o concepto cuando los resultados previamente obtenidos son insatisfactorios, así como la optimización de las geometrías. Los resultados se recogerán en un informe con todos los datos obtenidos en el sistema HVAC original y en las diferentes propuestas, precisando la opción entre ellas más apropiada en base a los criterios definidos.

Los estudios aportan por otro lado un gran valor añadido sobre el comportamiento térmico y cinemático del flujo del aire en el interior del vehículo, con especial énfasis en la temperatura, la presión y la distribución de velocidades de corriente.

EXPERIENCIA

SOLUTE ha realizado numerosas simulaciones HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) para distintos clientes del sector de automoción. Se ha llevado a cabo numerosas fases de desarrollo de climatización del habitáculo en automóviles y además se ha aplicado la metodología en autobuses. Estas fases han cubierto desde la evaluación del confort de los ocupantes hasta sistemas de deshelado y antivaho para garantizar la visibilidad del parabrisas.

Para abordar este tipo de estudios, SOLUTE se basa en su amplia experiencia y conocimientos de fluidodinámica y software de simulación CFD, que viene aplicando a problemas de naturaleza muy diversa.

Para llevar a cabo estos cálculos se emplean códigos comerciales (ANSYS, ALTAIR) y códigos de uso libre (OpenFOAM) sobre los que, aun con diferencias por su origen, prevalecen las normas de buena práctica en modelado, los criterios de analistas expertos y la base de una amplia experiencia.

METODOLOGÍA

El análisis se realiza mediante herramientas CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) empleando el Método de los Volúmenes Finitos (FVM) o el Método de Elementos Finitos (FEM), según el solver elegido. Para llevar a cabo estos cálculos se emplean códigos comerciales (ANSYS, ALTAIR) y códigos de uso libre (OpenFOAM) sobre los que, aun con diferencias por su origen, prevalecen las normas de buena práctica en modelado, los criterios de analistas expertos y la base de una amplia experiencia.

Tras un primer estudio del estado del arte y de los objetivos a alcanzar durante el desarrollo del sistema HVAC, se crean los modelos basados en la geometría y en el caso de estudio. De esta manera, se busca simplificar y discretizar el modelo, de forma que permita conseguir un compromiso entre precisión de los resultados y carga computacional. En la mayoría de las situaciones se utilizarán simulaciones estacionarias RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes) o su variable transitoria URANS (Unsteady RANS), y eventualmente también puede ser necesario recurrir a las más costosas, aunque precisas, LES (Large Eddy Simulation).

A partir de un escenario que contemple todas las físicas y todos los condicionantes propios del análisis a tratar (para lo cual habrá que definir las propiedades del fluido, su dominio y condiciones de contorno de manera apropiada), es posible calcular y determinar los aspectos deseados del modelo, como las distribuciones de presiones o velocidades, el caudal de aire o la temperatura.

En función de los resultados obtenidos, se estudia la validación del sistema HVAC original. Un aspecto a tener en cuenta es que, en la mayoría de los casos, la climatización en el interior de vehículos (coches, trenes o aviones) sigue directrices internas del fabricante y no están regidos por normativas externas. Una excepción a esta norma se encuentra en las especificaciones de aeronavegabilidad exigidas por la entidad certificadora competente en aviación, como las CS, Certification Specification (publicadas por EASA, European Air Safety Agency, autoridad certificadora europea) o las FAR, Federal Aviation Regulations (publicadas por la FAA, Federal Aviation Administration, autoridad estadounidense).

Además de un resultado cuantitativo, las herramientas utilizadas también permiten analizar el comportamiento cualitativo de los sistemas evaluados, detectando las zonas que provocan funcionamientos indeseados y las regiones que tienen potencial de mejora. De este modo, una vez terminada una primera serie de simulaciones, se realizan propuestas de mejora y se repite el proceso hasta alcanzar la solución óptima. Para ello, es fundamental contar con las habilidades y el conocimiento de ingenieros expertos en aerodinámica y mecánica de fluidos, ya que una correcta interpretación de los resultados y la identificación de posibles soluciones precisa conocer el comportamiento del fluido descrito por las ecuaciones de Navier-Stokes, así como la naturaleza de todos sus componentes.

Automoción

Aerodinámica externa en vehículos terrestres

Análisis y estudios previos a la experimentación con prototipos, con el fin de asegurar que cada vehículo cumpla con los requisitos que garantizan los mejores resultados de eficiencia energética, emisiones y dinámica.

Software

Herramientas ad hoc para cliente

Sistema de tratamiento de datos, con demostrada capacidad analítica, para satisfacer las necesidades del cliente de manera efectiva.