UNIVERSIDAD CÉSAR VALLEJO
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA TESIS PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO: “ANÁLISIS TERMOFLUIDO DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN QUE UTILIZA AGUA NATURAL COMO SUSTITUTO DE REFRIGERANTE Y SUS EFECTOS EN LOS PARAMETROS INDICADOS EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA” TIPO DE INVESTIGACIÓN: DESCRIPTIVA EXPERIMENTAL AUTORES: ROGER GÓMEZ ALARCÓN LUÍS MIGUEL LLANOS SÁNCHEZ ASESOR: ING. CÉSAR SANCHEZ CASTRO. CHICLAYO-PERÚ 2012


Escuela de Ingeniería Mecánica El presente trabajo se lo dedico a mi madre por su constante apoyo y comprensión en los momentos más difíciles. Roger Gómez Alarcón.

El presente trabajo se lo dedico a mis padres, a mi hermana, y en especial a mi sobrino Bryan por su amor y paciencia en los momentos más difíciles. Luis M. Llanos Sánchez

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RESUMEN.
La gran dependencia de los combustibles fósiles, es responsable en su gran mayoría de la contaminación ambiental en el mundo, todo esto ha llevado a tomar estrictas medidas para mejorar el desempeño del

motor, reduciendo las emisiones toxicas y el consumo de combustible, siendo los sistemas de refrigeración un foco potencial para lograr este objetivo. El parque automotor del Perú cuenta con un aproximado de 1 400 000 unidades, que en su mayoría utilizan Agua Natural como fluido refrigerante en el sistema de refrigeración

En el presente estudio se muestra la comparación de los parámetros indicados del motor modelo Tico marca Daewoo utilizando como fluidos refrigerantes Agua Naturaly mezcla de Agua Natural – Vistony al 33%. Para ello se realizó mediciones de las temperaturas del fluido refrigerante, para ambos casos, a la entrada y salida del motor; luego se realizó un estudio térmico del sistema de refrigeración, basado en modelos globales de transferencia de calor y termodinámica clásica, así como también se ha empleado la solución de las ecuaciones diferenciales del ciclo real de trabajo del motor para obtener los parámetros promedios de cada uno de los procesos; posteriormente se ha realizado la comparación de los resultados, para determinar sus efectos en el rendimiento del motor. Los resultados obtenidos demuestran que es favorable la utilización de mezcla Agua Natural – Vistony al 33%, debido a un aumento relativo de la eficiencia del motor en relación al uso de Agua Natural como fluido refrigerante.

Palabras claves.
Agua Natural, Mezcla Agua Natural – Vistony al 33%, Análisis Termofluido, Consumo específico de combustible, Potencia Efectiva.

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ABSTRACT.

The heavy reliance on fossil fuels, is responsible for the vast majority of pollution inthe world, all this has led to take strict measures to improve engine performance, reducing toxic emissions and fuel consumption, with the systems cooling a potential focus for achieving this goal. The fleet of Peru has an estimated 1 400 000 units, which mostly use plain water as a refrigerant in the cooling system.

In the present study shows the comparison of model engine parameters indicated Daewoo Tico used asrefrigerants and blends Natural Water Natural Water – Vistony to 33%. This was achieved measurements of coolant temperatures, for both cases, the input and output of the engine, then conducted a thermal cooling system, based on global models of heat transfer and classical thermodynamics, as well as we have used the solution of differential equations of the actual cycle engine work to get the average parameters of each process has subsequently been made to compare the results to determine their effects on engine performance. The results obtained demonstrate that favors the use of natural water mixture - Vistony to 33% due to a relative increase in engine efficiency in relation to the use of natural water as coolant.

Keywords.
Natural Water, Natural Water Mixture - Vistony to 33%, Thermofluid analysis, Specific fuel consumption, Effective Power.

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Escuela de Ingeniería Mecánica INDICE. CAPITULO 1: PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN…………………………………..5 1.1. Realidad Problemática…..………………………………………………….…6 1.2. Justificación e Importancia de la Investigación…………………………..….7 1.3. Objetivos de la Investigación………………………………………………8 1.4. Limitaciones de la Investigación………………………………………………9 CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO……………………………………………………10 2.1. Antecedentes de Estudio…………………………………………..………..…..11 2.2. Desarrollo de la Temática Correspondiente……………………….………… 12 2.2.1. Motores de Combustión Interna…………………………………….12 2.2.2. Formas de Estudio del Motor…………………………………14 2.2.3. Sistema de Refrigeración del Motor Modelo Tico Marca Daewoo.……………………………………………….……14 2.2.4. Refrigerantes para Motores de Combustión Interna………….20 2.2.5. Modelamiento Cinemático del Mecanismo Pistón-Biela-Manivela…………………………………………….. ..26 2.2.6. Propiedades y Procesos Termodinámicos del Ciclo Otto………. ….31 2.2.7. Fundamento Teórico de la Transferencia de Calor en el MCI………………………………………………………….46 2.2.8. Balance Térmico del Motor. ……………………………………….70 2.2.9. Parámetros de Salida de un M.E.P…………………………………..72 CAPITULO 3: MARCO METODOLÓGICO…………………………………………80 3.1. Tipo de Investigación……………………………………………………..……81 3.2. Diseño de Investigación…………………………………………………..….. 81 3.3. Población y Muestra. ………………………………………………………..…82 3.4. Hipótesis………………………………………………………………………. 82

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Escuela de Ingeniería Mecánica 3.5. Variables y Operacionalización…………………………………………… 82 3.6. Métodos y Técnicas de Investigación………………………………………84 3.7. Descripción de Instrumentos Utilizados………………………………………..84 3.8. Análisis Estadístico e Interpretación de los datos…………………………..88 CAPÍTULO 4: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS….…82 4.1. Análisis de los Parámetros Geométricos del Motor Tico Marca Daewoo…………………………………………………………. 93 4.2. Calor Liberado en la Combustión del Motor Tico Marca Daewoo……………………………………………..…………………95 4.3 Construcción del Ciclo Indicado del Motor Tico Marca Daewoo……………………………………………………………….102 4.4. Análisis Térmico del Radiador del Motor Tico Marca Daewoo………………………………………………………………106 4.5. Balance Térmico de Motor Tico Marca Daewoo…………………………….121 4.6. Parámetros Indicados del MotorTico……………………………………..123 CAPITULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………130 5.1. Conclusiones………………………………………………………………….131 5.2. Recomendaciones…………………………………………………………….133 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………..135 ANEXOS………………………………………………………………………………137 ANEXO A: Resultado de las pruebas experimentales de medición de temperatura utilizando agua natural………………………………..…………138 ANEXO B: Resultado de las pruebas experimentales de medición de Temperatura utilizando mezcla de agua – vistony al 33%………….……………..138 ANEXO C: Ficha técnica de termómetros March utilizados en las pruebas experimentales de medición de temperaturas del refrigerante……………………..139

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Escuela de Ingeniería Mecánica ANEXO D: Material fotográfico del experimento de medición de temperaturas del refrigerante del motor Tico modelo Daewoo………..…………..141 ANEXO E: Tablas de la composición química de la gasolina, calores específicos y energía interna de los gases de la combustión………………………146 ANEXO E: Propiedades físicas de algunos refrigerantes utilizados en motores de combustión interna…………………………………………………..150 ANEXO F: fórmulas para el cálculo de propiedades físicas de una mezcla…….155 ANEXO G: Datos generales del motor Tico marca Daewoo……………………160

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Escuela de Ingeniería Mecánica INTRODUCCIÓN.

Las políticas medio ambientales se han vuelto más rígidas, y han

obligado a los

fabricantes a la producción de nuevos vehículos con menor consumo de combustible y la reducción de emisiones tóxicas. En el Perú la mayor parte de la contaminación ambiental es generada por el transporte público y lasindustrias. Estudios realizados por Geo Chiclayo en 2006 determinaron que la mayor fuente de contaminación es el transporte público con un 92.8%. Se han realizado diversas investigaciones de solución para estos problemas, siendo el sistema de refrigeración uno de los medios potenciales de perfeccionamiento del motor y a la vez uno de los más olvidados.

INTRAP PERU [22] estimó que en el año 2005 el Perú contaba con un parque automotor de 1 349 510 unidades distribuidas a nivel nacional, así como también para la región Lambayeque con 41 528 vehículos, y la mayoría de ellos utiliza agua común como fluido refrigerante para sus motores, determinando que el 40% de las reparaciones totales que se efectúa al motor están relacionadas con problemas que se originan por el sistema de refrigeración, siendo esto el interés del tema de estudio, indagando el tema de eficiencia energética del motor.

La presente tesis tuvo como objetivo comparar los parámetros indicados del motor utilizando como fluidos refrigerantes del sistema de refrigeración Agua Natural y, mezcla de Agua Natural – Vistony 33%. Para ello se realizó pruebas experimentales d medición de temperatura y se determinó el ciclo real indicado del motor utilizando la solución de las ecuaciones diferenciales, obteniendo resultados promedios de estos. Según la literatura de motores de combustión, el porcentaje de calor extraído por el sistema de refrigeración está en el rango de 17 – 26%. Para ello se desarrolló un análisis térmico del sistema de refrigeración para determinar la cantidad de calorevacuado utilizando ambos fluidos refrigerantes. Este análisis estuvo basado en los modelos globales de transferencia de calor y termodinámica clásica, para luego determinar y comparar los parámetros indicados, en función a las diferentes revoluciones del motor.

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CAPÍTULO I PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

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Escuela de Ingeniería Mecánica 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA.

Sabemos que una de las más importantes maquinas energéticas productoras de potencia motriz es el motor de combustión interna, aprovechando la energía química del combustible para convertirla en energía térmica, la cual se convierte a su vez en energía mecánica o trabajo. Su evolución a partir del año 1876 hasta la última década ha influenciado generando mejoras sociales y económicas, permitiendo el desarrollo de la tecnología en muchas áreas, siendo el transporte y la generación de energía en las que mayores mejoras se han presentado, el gran éxito de su empleo se debe a la elevación de sus índices de potencia.

La gran producción de vehículos a nivel mundial que utilizan un motor de combustión interna y toda la ingeniería empleada para producirlos, dependen de diversos factores para tener un adecuado funcionamiento, de modo que cualquier variación de estos influirá en la eficiencia de la máquina trayendo como consecuencia final pérdidas económicas, aumento de emisiones toxicas y consumo de combustible. Uno de ellos es la temperatura. Si bien se conoce estas sobrepasan los 1000sC en las cámaras de combustión, por lo que es necesariocontrolar esta variable mediante un buen sistema de refrigeración y el uso de un apropiado refrigerante. Existe una gran polémica en cuanto a este último punto, en el mercado existen una variedad de refrigerantes con precios económicos razonables, pero la gran mayoría de propietarios de vehículos de pasajeros opta por utilizar agua común como agente refrigerante por ser relativamente económico con respecto a los mencionados anteriormente. INTRAP PERU1 estima que en el año 2005 el Perú contaba con un parque automotor de 1 349 510 unidades distribuidas a nivel nacional, así como también para la región Lambayeque con 41 528 vehículos, y la mayoría de ellos utiliza agua común como fluido refrigerante para sus motores. Estudios anteriores que se realizaron a diferentes talleres mecánicos a nivel nacional datan que más del 40% de las reparaciones totales que se efectúa al motor están relacionadas con problemas que se originan por el sistema de refrigeración, encontrándose los más comunes el desgaste prematuro de partes por sobrecalentamiento, especialmente entre pistón y la pared del cilindro, daño por corrosión
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INTRAP PERÚ: Instituto De Transporte Terrestre del Perú, tiene como objetivo armonizar el marco legal regulatorio en materia de Transporte, Vialidad y Gestión de Tránsito.

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Escuela de Ingeniería Mecánica de partes internas del motor y otros accesorios como radiador, bomba de agua, etc. Otro de los grandes problemas causados es el sobreconsumo de combustible, la entrada de refrigerante a las cámaras de combustión, fugas derefrigerante contaminando el aceite lubricante y formación de películas indeseables en elementos que transfieren calor, como los ductos del radiador, trayendo consigo una costosa reparación y larga inactividad del vehículo. Esto lo hace un tema aún más interesante por lo que es necesaria una rigurosa investigación para poder determinar la causa más probable y así poder dar una mejor solución a este problema trayendo consigo un gran ahorro económico y más disponibilidad para el equipo.

1.2. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN.

Tal vez hoy estemos firmemente a favor de la consciencia de un mundo ecológico, pero es imposible de opacar la importancia que ha tenido el motor de combustión interna en nuestro mundo actual, y que seguirá siendo el futuro de la humanidad, con ello hemos logrado enormes avances tecnológicos sobre todo en el transporte facilitando la vida del hombre, en la actualidad, es posible ver circular por las calles unidades nuevas con tecnología de punta para proteger el medio ambiente. Por lo que ha traído como consecuencia aumento en el precio de los combustibles, e incrementándose en número. Esto trae consigo máquinas con elevado precio y cada vez con mantenimientos más caros y sofisticados, por lo que se hace mayor aún la gran necesidad de tener máquinas con altas eficiencias a menores costos posibles.

Esta investigación se realiza con el fin de demostrar que se pueden reducir los costos de mantenimiento, y evitar reparaciones costosas a motores con un número de kilómetros de recorrido por debajo de loespecificado por el fabricante, mediante un análisis térmico que se realizara al sistema de refrigeración del motor, y poder determinar si es que el agua común como agente refrigerador es el sustituto perfecto de los diversos refrigerantes recomendados por los fabricantes y que garantiza los niveles de temperatura seguros, por lo que es el más utilizado en nuestro parque automotor, teniendo como objetivo reducir la cifra estadística del 40%, que representan los motores que necesitan ser reparados, causado por problemas en el sistema de refrigeración, realizada en diferentes talleres a nivel nacional.

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Escuela de Ingeniería Mecánica En el Perú el parque automotor ha ido renovándose con la importación de vehículos nuevos, esto ha ayudado a solucionar el problema del incremento de vehículos usados que se importaron en la década pasada, es debido a ello que se ha mejorado la posición económica del país, la presente investigación tiene como finalidad demostrar realmente la importancia del mantenimiento adecuado para el sistema de refrigeración de un vehículo, ya que las estadísticas demuestra que la mayor parte de problemas que presentan los motores de combustión interna y que requieren de un elevado costo de reparación, tienen que ver con el cuidado inadecuado de dicho sistema, debido a estos problemas presentados, es de gran exigencia para este nuevo parque automotor presentar las causas que en un futuro no muy lejano podrían ocasionar.

Esta investigación nos permitirá determinar mediante un análisis térmico del sistema derefrigeración la influencia de utilizar agua como agente refrigerante y el efecto que ocasiona en el desempeño de un motor de combustión interna, en la actualidad en nuestra región en los dos últimos años hemos visto las mejoras en cuanto al parque automotor, por lo tanto este investigación contribuirá al desarrollo económico, ya que

podremos demostrar la influencia económica a largo plazo del uso de un adecuado refrigerante.

1.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN:

1.3.1 OBJETIVO GENERAL:

Realizar un análisis termo fluido comparativo del sistema de refrigeración que utiliza tanto agua natural y asimismo una mezcla de Agua natural- Vistony 33% y sus efectos en los parámetros indicados en un motor de combustión interna.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:  Describir el funcionamiento del sistema de refrigeración de un motor de combustión interna.  Desarrollar un modelo matemático de la transferencia de calor en un motor de combustión interna.

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Escuela de Ingeniería Mecánica  Realizar pruebas experimentales de medición de temperatura de los fluidos refrigerantes a la entrada y salida del motor.  Desarrollar un análisis térmico del motor de combustión interna utilizando agua como agente refrigerante.  Desarrollar un análisis térmico del motor de combustión interna utilizando un refrigerante VISTONY 25%.  Determinar la influencia en cuanto al rendimiento y el consumo de combustible de un motor de combustión interna. 1.4. LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN.  El desarrollo de la tesis está enmarcada al análisis del motor de combustióninterna del modelo Tico de la marca Daewoo.  Se realizara un estudio a partir de ecuaciones globales de transferencia de calor y termodinámica clásica, así como la solución de las ecuaciones diferenciales del ciclo Otto real, por lo que se obtendrán valores promedios de los parámetros indicados del motor tico.  Debido a la simplicidad del modelo utilizado, Para calcular los parámetros indicados del motor tico a distintas velocidades se aproximará linealmente, por lo que al momento de graficar las funciones se tendrán tendencia lineal, las cuales deberían ser curvas.  La variación de presión y temperatura para el cálculo serán tomadas como el valor promedio.  Se realizará un balance térmico utilizando como fluidos refrigerantes del sistema de refrigeración agua natural y mezcla de agua natural – Vistony al 33%, manteniendo constante los valores promedios de las pérdidas de calor en los gases de escape, lubricación y otras perdidas a 1500, 2500, 3500, 4500 y 5500 rpm.  No se tomara en cuenta el mecanismo de transferencia de calor por radiación.

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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

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Escuela de Ingeniería Mecánica 2.1. ANTECEDENTES DE ESTUDIO:  Dirección de Transporte CONAE2. “Sistema de Enfriamiento de los Motores de Combustión Interna”, en donde describe el funcionamiento del sistema de refrigeración, detallando los principales problemas que ocurren, disminuyendo la eficiencia del sistema y la vida útil del motor; aportando algunas acciones que permiten mejorar el rendimiento del combustible y queinvolucran al sistema de enfriamiento.  Carlos Romero Piedrahita. “Contribución al Conocimiento del Comportamiento Térmico y la Gestión Térmica de los Motores de Combustión Interna Alternativos”.

Tesis para obtención de título de doctor en ingeniería. Valencia-España 2009. Universidad Politécnica de Valencia. Departamento de Máquinas y Motores Térmicos.

El trabajo está encaminado a estudiar los fenómenos de transferencia de calor y balance térmico de motores de combustión interna alternativos en el cilindro y sistema de refrigeración, teniendo como objetivo principal predecir las temperaturas dentro y fuera de la estructura de los motores mediante software computacional comerciales, para modelar, simular y validar diseños nuevos de sistemas de refrigeración de motores. 

Pedro Luis Curto Riso. “Simulación numérica y modelización Teórica de un ciclo tipo Otto Irreversible”. Tesis para obtención de título de doctor en Física. Salamanca – España 2009.

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CONAE: Comisión Nacional Para el Ahorro de Energía-México, órgano administrativo que tiene como objetivo promover la eficiencia energética y constituirse como órgano de carácter técnica en materias de aprovechamiento sustentable de la energía.

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Escuela de Ingeniería Mecánica Universidad de Salamanca. Departamento de Física Aplicada.

Conclusiones:  Desarrollo de un programa computacional que resuelve el modelo matemático cuasi dimensional utilizando la primera ley de la termodinámica, para obtener el estado termodinámico de un motor mono cilíndrico de cuatro tiemposde encendido por chispa.  Determino los cambios a efectuar en los modelos termodinámicos de tiempos finitos para reproducir los resultados, no solo cualitativamente sino cuantitativamente, utilizando como referencia la configuración de Beretta, comprobando la evolución de la presión a lo largo del ciclo y la evolución de la fracción de los gases quemados durante el periodo de la combustión.  Si la evolución de la evolución de la presión experimenta y numérica coinciden, se puede afirmar que el trabajo realizado en el ciclo simulado es igual al experimental, y como la velocidad es la misma la potencia también serán iguales. Según el nivel de complejidad que implica esta clase, se han obtenido resultados aceptables.

2.2. DESARROLLO DE LA TEMÁTICA CORRESPONDIENTE.

2.2.1. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA:

Es una máquina térmica, que se encarga de transformar la energía química de un combustible en energía mecánica, mediante la oxidación de la mezcla aire-combustible en el interior del cilindro del motor, alcanzando elevadas temperaturas y presiones para luego expandirse en contra de los mecanismos del motor, esta expansión es convertida a través del mecanismo biela-manivela en energía rotacional en el cigüeñal, que a su vez está conectado a un mecanismo de trasmisión de potencia para el fin deseado.

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Escuela de Ingeniería Mecánica Clasificación de motores de combustión interna.

Los motores de combustión interna pueden ser clasificados de diferentes maneras:  Por la formación de la mezcla y el tipo de ignición.

a) MotoresOtto: se impulsan con gasolina y la mezcla se forma generalmente fuera de la cámara de combustión. La combustión en el cilindro se desencadena por encendido exterior. El motor inicia el proceso de combustión en cada uno de los ciclos por el uso de una bujía. La bujía da una descarga de alta tensión eléctrica entre dos electrodos que inflaman la mezcla aire-combustible en la cámara de combustión.

b) Motores Diesel: la formación de la mezcla se da en el interior del cilindro, y se impulsan preferentemente con gasoil. La combustión en el cilindro se produce por autoencendido, el motor inicia el proceso de combustión cuando la mezcla airecombustible se inflama debido a la alta temperatura causada por las altas compresiones en la cámara.  Ciclos de motor:

a) Ciclo de cuatro tiempos: en este ciclo es pistón experimenta cuatro movimientos generando dos revoluciones del motor en cada ciclo.

b) Ciclo de dos tiempos: en este ciclo el pistón experimenta dos movimientos generando una revolución del motor por ciclo.  Diseño Básico:

a) Alternativos: el motor tiene uno o más cilindros en el que el pistón alterna ida y vuelta. La cámara de combustión se encuentra en el extremo cerrado de cada cilindro. La energía es entregada a un cigüeñal de salida de la rotación por conexión mecánica con los pistones.

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Escuela de Ingeniería Mecánica b) Rotativo: el motor esta hecho de un bloque no concéntrico con el rotor y el eje del cigüeñal. Las cámaras de combustión se construyen en el bloque no giratorio. Al igual que un motor de pistones, elrotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones.

2.2.2. FORMAS DE ESTUDIO DEL MOTOR.

Los motores de combustión interna pueden ser estudiados mediante tres formas: experimentación en laboratorios con bancos de motores, mediante simulación numérica por ordenador y finalmente mediante modelos teóricos.

Durante años el método más común de analizar un motor son los procedimientos experimentales, ya que destacan en su precisión y permiten analizar también fenómenos complicados (variación cíclica), que no se pueden obtener con exactitud suficiente mediante modelos numéricos. La desventaja que presentan estos modelos es que requieren de mucho tiempo y es más costoso que la modelación numérica.

La simulación a partir de software computacional, representa una propuesta económica y flexible que permite obtener valores promedios muy cercanos a los reales realizando una descripción detallada de cada uno de los procesos que tienen lugar durante la evolución de un ciclo del motor, teniendo en cuenta la termodinámica y la mecánica del sistema. Los modelos de simulación matemática se dividen en dos grandes grupos; siendo estos los modelos fluido-dinámicos y los modelos termodinámicos.

2.2.3. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DEL MOTOR MODELO TICO MARCA DAEWOO. El motor de combustión interna es una maquinatérmica, que alcanza elevadas temperaturas de hasta 2500 K en el interior de la cámara de combustión, debido al proceso de conversión de la energía química (combustibles) en energía mecánica.

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Fig. N° 2.1: Esquema general de distribución de energía de un motor otto.

Fuente: Tesis Piedrahita Romero Carlos [11]

En la figura 2.1 se muestra la distribución global de la energía en un motor de combustión interna, liberada en el proceso de la combustión (se podría tener pequeñas variaciones en los porcentaje dependiendo del tipo de vehículo y de las condiciones de trabajo). En la que se aprecia que el 30% de la energía total aproximadamente, es aprovechada por el motor, lo que significa que existe una fuerte carga térmica que debe ser evacuada al exterior por medio del refrigerante, que actúa a través de los diversos elementos del sistema de refrigeración, asegurándose de mantener una temperatura homogénea entre 82 y 113 sC,[1] rango de temperaturas recomendado por los diversos fabricantes en las que el motor desarrolla mejor potencia, y una mayor eficiencia mediante la combustión de una masa dada de combustible en el interior del cilindro, por otro lado evitando agrietamientos térmicos en las distintas partes del motor.

El sistema de refrigeración está provista de cinco elementos fundamentales para realizar su función como: Depósito de Agua, Radiador, Bomba de Circulación, Termostato y Ventilador.

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Escuela de Ingeniería Mecánica Elementos del sistema de refrigeración del motor Tico.

Elexceso de calor es extraído desde el interior del motor Tico, por acción de los elementos anteriormente mencionados, re circulando el líquido refrigerante convirtiéndose en un ciclo cerrado.

Fig. N°2.2: Elementos principales del sistema de refrigeración del motor tico

Fuente: Propio-autocad 2011

En la fig. 2.2: se muestra el circuito de refrigeración, con sus elementos básicos, para llevar a cabo su función. El líquido refrigerante es impulsado a cierta presión gracias a la bomba de agua instalada, a través de los ductos especiales llamados también cámaras de agua, que se construyen por el interior de la culata, y el block, de manera que el refrigerante bañe a la cámara de combustión, transportando consigo el exceso de energía térmica contenida en las paredes de las piezas del motor, el calor contenido en el líquido es liberado a la atmosfera gracias al intercambiador de calor (radiador), por medio de mecanismos como la radiación y la convección entre el aire del ambiente y el aire forzado proveniente del ventilador instalado. El circuito cuenta con una válvula de control de flujo (termostato), que regula el flujo de agua según sea el caso, reduciendo el flujo para elevar

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Escuela de Ingeniería Mecánica la temperatura, o por el contario aumentado el flujo para reducir a este, el circuito también posee un sensor de temperatura generalmente es un termómetro de termo resistencia que es un indicador para el conductor que puede ser de señal luminosa o de alarma.

a) Radiador: básicamente es un intercambiador de calor, construidode aluminio tiene una capacidad de 3.3 litros, está constituido por tubos paralelos, espaciados, provistas de aletas trasversales de aluminio, con el fin de aumentar el área de refrigeración. Está conectado a dos tanques, por la parte superior de los tubos entra el líquido refrigerante caliente proveniente del motor de combustión, el calor es disipado al ambiente mediante convección y radiación, debido a los gradientes de temperatura que existe entre el aire del ambiente y el forzado que brinda el ventilador. El radiador en la parte superior tiene tapa que permite la presurización del sistema (presión de alivio 0.9 kg/cm2), evitando la evaporación del refrigerante cuando el motor realiza trabajos intensos, y en la parte inferior tiene un colector donde se deposita el refrigerante frio para luego retornar al proceso.
Fig. N°2.3: Radiador – Motor Tico

Fuente: Propia.

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Cuadro N°2.1: Parámetros geométricos del Radiador –motor tico

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS ANCHO DEL RADIADOR ALTO DE RADIADOR VOLUMEN DEL RADIADOR DIÁMETRO INTERNO DEL TUBO DIÁMETRO EXTERNO DEL TUBO NÚMERO DE TUBOS (Nt) ANCHO DE ALETAS LARGO DE ALETAS NUMERO DE ALETAS
Fuente: Propia.

UNIDAD [mm] [mm] [m3] [mm] [mm] [mm] [mm]

VALOR 3550 3775 0.0033 7.4 9.4 36 33.4 335 207

b) Termostato: es una válvula de control de flujo del refrigerante, colocado antes de la entrada de la línea caliente hacia el radiador, está constituido por un pistón colocado dentro de un cilindro lleno de cera especial que es sensible a la temperatura (segúnel catalogo la temperatura de apertura y cierre es 82°C y 95°C respectivamente), regulando la temperatura de trabajo según sea el caso, por ejemplo cuando el motor arranca en frio la cera cambia de estado sólido a liquido cuando la temperatura del refrigerante alcanza la temperatura de fusión de este, empujando el pistón hacia abajo abriendo el paso del refrigerante.

Fig. N°2.4: Operación del Termostato.

Fuente: Manual Motor Tico Modelo Daewoo.

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Escuela de Ingeniería Mecánica c) Bomba: es una bomba centrífuga accionada por el motor a través de una correa, debe tener la potencia necesaria para hacer circular el líquido refrigerante, en las distintas partes del circuito de refrigeración. Cuando el termostato está cerrado el agua pasa a través de un desviador para evitar quemar el sello mecánico de la bomba, y cuando está abierta es alimentada por el radiador.
Fig. N°2.5: Bomba Centrifuga –Motor Tico.

Fuente: Manual Motor Tico modelo Daewoo

Cuadro N°2.2: Parámetros geométricos del Bomba centrifuga –motor tico

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DIÁMETRO DE ENTRADA DEL ALABE (D1) DI'AMETRO DE SALIDA DEL ALABE (D2) NUMERO DE ALABES NÚMERO DE DIENTES DEL PIÑON ANGULO DE SALIDA DEL ALABE ( α1) ANGULO DE SALIDA DEL ALABE ( β2) ANCHO A LA ENTRADA DEL ALABE (b1) ANCHO A LA SALIDA DEL ALABE (b2)
Fuente: propia.

UNIDAD [mm] [mm]

° ° [mm] [mm]

VALOR 36 60 7 22 5 42 15 10

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Escuela de Ingeniería Mecánica d) Ventilador: esta accionada por el motor mediante un acople en el eje de la bomba, y se impulsa mediante una correadesde el cigüeñal, las aspas están espaciadas de manera no uniforme con el fin de menor el ruido de trabajo. El ventilador no solo envía aire al motor si no también succiona el aire del ambiente haciendo pasar por el núcleo del radiador contribuyendo al enfriamiento del líquido refrigerante.

2.2.4 REFRIGERANTES PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA.

Los motores de combustión interna están diseñados para operar eficientemente dentro del rango de temperaturas de 80°C a 113°C [1], variando según la marca del motor.

Si operamos por encima del rango especificado.      

Se corre el riesgo de disminuir la viscosidad del aceite, disminuyendo la protección contra el desgaste de los mecanismos del motor. Incremento de la fricción entre los mecanismos móviles del motor. Incremento del calentamiento de los mecanismos del motor, trayendo consigo agrietamientos debido al choque térmico, etc. Provoca autoencendidos en la mezcla aire combustible dentro del cilindro antes de iniciar el proceso de combustión. Aumento de consumo de combustible. Perdidas de potencia debido al autoencendido del combustible antes de tiempo.

Si operamos por debajo del rango especificado.   

Aumento del consumo de combustible porque el sistema ajusta la mezcla para la temperatura del motor. Aumenta el consumo de aceite y degaste de los mecanismos, debido a que estos están diseñados para expandirse hasta su tamaño y tolerancia normal. Reducimos la potencia del motor por la pérdida de compresión, y la falta de temperatura para lograr una combustión eficiente.23


Escuela de Ingeniería Mecánica Es por ello que es necesario, tener control de la temperatura mediante el uso adecuado de refrigerante, para asegurar la eficiencia del sistema de refrigeración. Generalmente se utilizan como refrigerantes los siguiente.  Agua potable.  Refrigerante/anticorrosivo/anticongelante a base de etilenglicol (verde y amarillo) y carboxilatos normalmente (anaranjado y rojo).

Agua Potable: utilizar solo agua potable como refrigerante, es la peor opción posible, debido a que actúa como electrolito entre el sitio anódico y el área catódica causando corrosión, este ocurre con mayor frecuencia en las áreas que hay diferencias de presiones, y la tendencia de formar cavitación. El resultado es una restricción en el flujo debido a los residuos metálicos.

Fig. N°2.6: Cavitación en la Camisa de Refrigeración Utilizando Agua Potable Como Refrigerante.

Fuente: RICHAR WIDMAN [19 ]

Refrigerante anticorrosivo/ anticongelante: los refrigerantes a base de etilenglicol evitan la corrosión y el congelamiento, también eleva el punto de ebullición. Si se mezcla con agua disminuye las propiedades de sus aditivos, reduce la transferencia de calor por su acción aislante. Los refrigerantes a base de carboxilato solo protegen las partes que presentan acción corrosiva y son los que tienen mayor duración.

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Escuela de Ingeniería Mecánica El etilenglicol (C2H6O2) componente base de los refrigerantes, es un compuesto químico que pertenece al grupo de los dioles, es un líquido transparente, incoloro, ligeramente espesocon leve sabor dulce, son por estas características organolépticas que se suele utilizar distintos colorantes (los distintos colores que se utilizan en los refrigerantes) para reconocerlo. A temperatura ambiente es poco volátil, pero puede existir en el aire en forma de vapor, Se fabrica a partir de la hidratación del óxido de etileno.

En el siguiente cuadro se muestra las propiedades del etilenglicol a temperaturas de 0°C ya presión atmosférica.

Cuadro N°2.3: Propiedades del etilenglicol

PROPIEDADES DE ETILENGLICOL NOMBRE Densidad Masa molar Punto de fusión Punto de ebullición Viscosidad
Fuente: [ 12]

UNIDAD Kg/m3 g/mol °C °C Pa

VALOR 1.116 62.08 -13.15 196.85 1.61

Anticorrosivos: Para reducir la tendencia corrosiva del agua en el sistema de enfriamiento se utilizan ciertos aditivos que reducen este efecto, hay muchas variantes de anticorrosivos de base de fosfatos, nitratos, boratos o silicatos pero la mayoría de ellos tienen una vida limitada a partir de la cual se convierten en perjudiciales al formar lodo o depósitos sobre las partes internas del sistema de refrigeración. Por lo que su utilización está condicionada al cambio periódico del refrigerante del motor. Otros aditivos se basan en el uso de ácidos orgánicos de tipo carboxílicos, estos parecen tener una vida más larga. Nunca deben excederse las proporciones recomendadas por los fabricantes o su efecto será negativo.

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Escuela de Ingeniería Mecánica Anticongelante: Cuando se vive en zonas con peligro de congelación, o cuando se viaja a ellas con elautomóvil resulta imprescindible la utilización de un aditivo anticongelante para el agua utilizada en el motor. Si este requisito no se cumple y la temperatura ambiente baja lo suficiente, la congelación del agua dentro del motor y especialmente en el radiador puede producir su rotura definitiva. Los aditivos por excelencia utilizados para este fin son el glicol o derivados de este, como el etilenglicol o el propilenglicol. Estos alcoholes mezclados con el agua en las proporciones adecuadas bajan mucho el punto de congelación de la mezcla y resultan seguros a casi cualquier temperatura si se usa el tipo y la proporción correcta anticongelante-agua. En el siguiente gráfico se muestra la evolución de la temperatura en función de la concentración de glicol mezclado con agua.

Figura N° 2.7: Evolución de la temperatura de congelación del glicol y agua en función de porcentaje de peso

Fuente: [20] En la figura N° Observe que agregando el 33% de glicol la temperatura de congelación baja hasta los -20 grados celsius, si se sigue agregando esta temperatura sigue descendiendo hasta los -68 grados, llegando al 70 % de glicol se empeora la protección, ya

26


Escuela de Ingeniería Mecánica que comienza a disminuir el punto de congelamiento y también disminuye la capacidad de refrigeración. El 100% de glicol se congela a -23 grados.

Estos anticongelantes además de reducir la temperatura de congelación del agua, también aumentan su temperatura de ebullición, por lo que son útiles en la reducción de las bolsas de vapor y la cavitación. Otrofactor positivo de los anticongelantes a base de glicol, es que tienen cierto carácter lubricante, por lo que alargan la vida de los empaques de la bomba de circulación.

Porcentaje de mezcla refrigerante más agua natural.

En el mercado existen refrigerantes diluidos listos para utilizar en el circuito de refrigeración. Otros vienen en concentraciones para ser diluido en agua, en porcentajes según las condiciones ambientales de lugar, y fabricantes. En nuestro país generalmente se utilizan concentraciones dentro del rango de 30 – 50% de acuerdo a norma.
Cuadro N°2.4: Características de refrigerante ECOOL de la empresa OXXE con un porcentaje de 50/50

Fuente: OXXE Petroleum Corporation S.A.

Las cifras representan un valor promedio de los resultados obtenidos en el laboratorio y son dadas como referencia y no como límites exactos de una especificación.

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Escuela de Ingeniería Mecánica Variación de la temperatura de ebullición de los refrigerantes en función de los m.s.n.m: el punto de ebullición del agua varía en cualquier parte de acuerdo a la altitud respecto al nivel del mar. El sistema de refrigeración está diseñado para operar presurizado a 15 psi (1 bar). Esta presión está determinada por el diseño de la tapa del radiador. La tapa correcta aumente la temperatura de ebullición del agua 16.7sC.

El refrigerante, cuando es correctamente mezclado con el agua aumenta la temperatura de ebullición 25sC más. Cuando combinamos la tapa correcta y un buen refrigerante, tenemos una ventaja de casi 42sC para compensar por la alturao la temperatura del ambiente.

Fig. N°2.8: Variación de la temperatura de ebullición en función de los m.s.n.m.

Fuente: Widman International SRL.

28


Escuela de Ingeniería Mecánica 2.2.5. MODELAMIENTO CINEMÁTICO DEL MECANISMO MANIVELA. PISTÓN-BIELA-

En un MCI, el mecanismo pistón-biela-manivela es el encargado de transformar el movimiento lineal del pistón, ocasionado por la expansión de los gases de combustión, en movimiento circular del cigüeñal mediante la biela, que a la vez está unido a estos por articulaciones en sus extremos; gracias a este mecanismo se logra desarrollar los cuatro procesos del ciclo de trabajo (admisión, compresión, expansión, escape). El inicio y término de cada proceso está determinado por el ángulo de giro del cigüeñal como se muestra en la figura Ns2.6

Fig. N°2.9: Ángulo de apertura y cierre de válvulas del Motor Tico.

Fuente: MANUAL-MOTOR TICO.

29


Escuela de Ingeniería Mecánica Φ: es el ángulo que se forma entre la manivela del cigüeñal y la vertical, se considera 0s cuando el pistón alcanza el PMS, o 180s cuando se encuentra en el PMI. El proceso de admisión (color celeste como se muestra en la figura), empieza 12° antes de que el pistón alcance el PMS; y termina 36° después del que el pistón pase el PMI, recorriendo un arco de 228s en el sentido de las manecillas del reloj, el proceso de la compresión(color amarillo) comienza justo en este mismo punto y termina 8° antes del PMS recorriendo un arco de 136°, dando inicio a la combustión (color rojo) que comienza 8° antes del PMS yfinaliza 30° después recorriendo un arco de 38°, seguido por el proceso de expansión (color naranja), empieza 30° después de PMS y tiene un ángulo de termino de 46° antes de PMI, recorriendo un arco de 104s, por ultimo tenemos el proceso de descarga (color violeta) que comienza 46° antes del PMI y finaliza 10° después del PMS, recorriendo un arco de 236s.

Fig. N°2.10: Mecanismo pistón- biela-manivela.

Fuente: Tesis [19]

30


Escuela de Ingeniería Mecánica Los parámetros considerados en el mecanismo para el modelado cinemático son los siguientes:

D: diámetro interior del cilindro. X: distancia entre el punto muerto superior (PMS) y cabeza del pistón. C: carrera del pistón. L: longitud de la biela. r: longitud de la manivela del cigüeñal. Vcc: volumen de la cámara de combustión. Vd: volumen desplazado por el pistón. Φ: ángulo entre la manivela del cigüeñal y la vertical, considerando 0s del cigüeñal cuando el pistón se encuentra en el PMS. Mediante la trigonometría básica podemos obtener una ecuación para “X” en función del ángulo de giro del cigüeñal, realizando un esquema simple del mecanismo pistón-bielamanivela, como se detalla a continuación:
Fig.: N°2.11: Esquema del mecanismo Pistón-biela-manivela.

Fuente: Propia.

31


Escuela de Ingeniería Mecánica Hallamos la variable “X”, aplicando Pitágoras:

[ Por lo tanto:

]

[

]

Considerando la relación biela manivela que define la transformación del movimiento alternativo del pistón y el movimiento alternativo del cigüeñal como:

* *

( (

)+ ) +

*(

√

)+

(2.1)

Para determinar la velocidad ( ̇ ) del pistón en cualquier posición de la cámara de combustión, procedemos a derivar a la variable “X” con respecto al tiempo: ̇ ̇

̇

[

(

√

) ]

̇

[

*

√

+]

32


Escuela de Ingeniería Mecánica ̇

*

√

+

Para el análisis de la transferencia de calor en estado cuasi estacionario unidimensional, se trabaja con valores promedios como la velocidad media del pistón que nos permite

conocer la rapidez con la que se acciona el mecanismo y que se determina por la siguiente ecuación:

Dónde:

C: carrera del pistón (m.). N: número de revoluciones del motor por minuto.

Para calcular el volumen del cilindro en función del ángulo de giro del cigüeñal es necesario saber que el área de la cabeza del pistón es la de una circunferencia de diámetro D.

*

+

Dónde:

Vc: volumen del cilindro. Vcc: volumen de la cámara de combustión.

33


Escuela de Ingeniería Mecánica 2.2.6. PROPIEDADES Y PROCESOS TERMODINÁMICOS DEL CICLO OTTO.

Energía.

Se define como la capacidad para realizar trabajo; teniendo en cuenta que hay distintos tipos de energía según su naturaleza, en el caso de los motores de combustión interna los más relevantes son energía química, térmica y mecánica.

Trabajo Mecánico.

En física se define como una magnitud escalar que depende del módulo de una fuerza aplicada sobre un punto y el desplazamiento que esta le produce; en un motor de combustión interna el trabajo es generado por la fuerza que ejercen los gases decombustión contenidos en el cilindro sobre el pistón y el desplazamiento ejercido por este.

Calor.

Se define como la transferencia de energía de un cuerpo a otro gracias a gradientes de temperatura. El calor es energía en tránsito, siempre fluye de un cuerpo de mayor temperatura hacia una menor, aumentando la temperatura de la segunda y disminuyendo de la primera, siempre y cuando el volumen de los cuerpos sea constante.

Calor Específico.

Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado, en el sistema internacional de unidades se expresa en julios por kilogramo kelvin, se define mediante la siguiente expresión.

(2.5)

Dónde: Q=calor aportado.

34


Escuela de Ingeniería Mecánica =variación de temperaturas. =es el calor especifico de un proceso general x.

El calor específico depende del proceso, siendo los procesos más habituales para obtenerlo a presión constante Cp y a volumen constante Cv la relación entre el calor especifico a presión constante y volumen constante se conoce como exponente adiabático.

El calor específico depende de la naturaleza del gas o mezcla de gases y la temperatura a la que se encuentra el gas, se calcula mediante la siguiente correlación.

(2.7)

Siendo:

Dónde: T=temperatura (K). =coeficiente tabulados para ciertos combustibles. =calor especifico a presión constante (cal/mol K)

A continuación se muestra los valores de coeficientes combustibles.

para distintos tipos de

Cuadro N°2.5: Coeficientes Af paradistintos tipos de combustibles.

Fuente: Tesis [19].

35


Escuela de Ingeniería Mecánica Gases Ideales.

Un gas ideal es aquel que cumple con las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lusac, la ecuación de estado de los gases ideales es:

(2.8)

Siendo:

P=presión. (kPa) V=volumen. (m3) R=constante de gases ideales: 0.287KJ/Kg. K T=temperatura. (K)

Procesos termodinámicos del ciclo Otto ideal.

Volumen de Control.  Para el estudio del modelo termodinámico cero dimensional, se considera que el volumen de control es un sistema de trabajo abierto que intercambia energía y trabajo con los alrededores y está limitado por las siguientes fronteras: por la parte superior con la superficie de la culata, inferior con la cabeza del pistón y lados laterales del cilindro y culata.

Fluido de Trabajo.  El fluido de trabajo está compuesto por una mezcla de aire, combustible y gases residuales que se comportan como un gas ideal, y por lo tanto es aplicable las leyes de Boyle, Charles, Gay Lusac.  Antes de la formación de la mezcla el carburante ha vaporizado formando directamente una mezcla gaseosa de aire y combustible, omitiendo así el calor adsorbido por el combustible en el cambio de fase.

36


Escuela de Ingeniería Mecánica  El fluido de trabajo tiene las mismas propiedades y presenta las mismas propiedades en cada punto del volumen de control.  Se considera que no hay fuga de masa atreves de los anillos de estanqueidad, por lo tanto se considera que la masa en el volumen de control se considera constante.  Se omiten losefectos de rozamiento interno del fluido de trabajo y de su viscosidad a causa de su movimiento.

El ciclo Otto modela el comportamiento de un motor de combustión interna, mediante procesos termodinámicos, convirtiendo la energía química del combustible en energía térmica y esta a su vez en energía mecánica a través del mecanismo pistón, biela manivela, este ciclo está representado en las siguientes gráficas.
Fig. N°2.12: Diagrama P-V

Fuente: Propia

Procesos a entropía constante:

Proceso 1-2: compresión adiabática:

En este proceso el fluido de trabajo se comprime, considerando que el proceso es reversible y que no existe intercambio de calor con el entorno, entonces tenemos.

37


Escuela de Ingeniería Mecánica

( )

( )

( )

(2.9)

( )

( )

Proceso 3-4: expansión a entropía constante.

Al finalizar el proceso de compresión, la mezcla ha alcanzado la presión máxima en el sistema, en el ciclo Otto salta la chispa de la bujía inflamando la mezcla incrementando la temperatura y presión expandiendo los gases que empujan el pistón, este es el único proceso en que se obtiene el trabajo. En el modelado termodinámico de aire estándar este proceso se considera reversible y no hay intercambio de calor con el medio. ( ) (2.12)

( )

(2.13)

( )

(2.14)

Procesos a volumen a constante:

Proceso 2-3: combustión a volumen constante (isométrico).

Se considera trabajo mecánico nulo: 38


Escuela de Ingeniería Mecánica

Calor aportado al sistema a volumen constante está dado por:

Proceso 4-1: escape avolumen constante (isométrico).

Calor liberado por el sistema a volumen constante está dado por:

Al ser los procesos de extracción y suministro de calor a volumen constante tenemos:

Eficiencia térmica del sistema:

Está dado por:

Procesos Termodinámicos del Ciclo Real De Un Motor. A. Cantidad teórica de aire necesaria para la combustión: El oxígeno necesario para la combustión se encuentra en el aire que se introduce al cilindro durante el proceso de admisión. Considerando que el contenido de masa de oxígeno en el aire es aproximadamente 23% y en volumen 21%, se obtendrá la cantidad teórica de

39


Escuela de Ingeniería Mecánica aire necesario para la combustión de 1 kg de combustible y se expresa mediante las siguientes ecuaciones:

En kg: ( )

En kmol: ( )

La masa molecular aparente del aire es

, por lo tanto:

B. Coeficiente de exceso de aire: Es la relación entre la cantidad de aire real que ingresa al cilindro la cantidad teórica necesaria para la combustión de 1 kg de combustible, debido a que la cantidad de aire realmente consumida en un motor de un vehículo, puede ser mayor, igual o menor que la necesaria teóricamente para la combustión completa por diversos factores; y se determina mediante la siguiente ecuación:

O:

Si

(insuficiencia de oxigeno) se le denomina mezcla rica; cuando

(exceso de oxigeno) la mezcla se denomina pobre.

C. Cantidad de mezcla fresca: La cantidad total de mezcla carburante, constituida por vapores de combustible y aire, está dado de la siguiente forma, en kmol:40


Escuela de Ingeniería Mecánica Donde es la masa molecular del combustible, y en kg:

D. Productos de la combustión: En ciertas condiciones, cuando

, es necesario

enriquecer la mezcla, debido a la escasez de oxígeno, parte del combustible se oxida formando monóxido de carbono, y parte del hidrogeno no reacciona con el oxígeno. Los análisis de los gases de escape (para entre el número de moles de hidrogeno ) muestran que la relación

y del monóxido de carbono es

aproximadamente constante para cualquier combustible dado, y no depende de la magnitud de , por lo tanto se designa la relación efectuados . y debido a experimento

La cantidad de cada uno de los productos de la combustión se calculan de acuerdo a las siguientes expresiones:

La cantidad total de los productos de la combustión será:

El número de moles de los productos de la combustión inicial de moles en la mezcla carburante moles será:

no es igual al número

, entonces la variación del número de

41


Escuela de Ingeniería Mecánica (2.32) El cambio de volumen durante la combustión se expresa por una magnitud relativa llamada coeficiente teórico de variación molecular:

E. Parámetros del proceso de admisión: la cantidad de mezcla fresca que ingresa en el proceso de admisión dependen de los siguientes factores:   

De la resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la presión de la carga suministrada en la magnitud De la existencia de cierta cantidad .

de los productos quemados (gases

residuales) en el cilindro,que ocupan parte de su volumen. Del calentamiento de la mezcla por las superficies de las paredes del sistema de admisión y del espacio interior del cilindro en la magnitud ,

como consecuencia del cual disminuye la densidad de la mezcla introducida.

La influencia de las perdidas hidráulicas sobre el llenado puede determinarse si se conoce la presión en el cilindro ( ) en el instante en que se supone finalizado el proceso de admisión. Se puede determinar la presión dentro del cilindro durante la admisión, considerando este proceso como estacionario. Utilizando la ecuación de Bermoulli podemos escribir:

(2.34)

Donde

y

son las densidades de la carga en la entrada y en el cilindro y son la velocidad del aire en la entrada del sistema de

respectivamente;

admisión y la velocidad media del aire en todo el proceso de admisión respectivamente, medida en la válvula, en m/s; y alturas de nivel

respectivamente desde el eje del sistema de admisión y el eje de la válvula de

42


Escuela de Ingeniería Mecánica admisión; es el coeficiente de amortiguación de la velocidad de la carga en la es la velocidad media del aire en la sección

sección examinada del cilindro; examinada,

coeficiente de resistencia del sistema de admisión referida a su

sección más estrecha.

Asumiendo que

, las alturas de nivel

, y despreciando la variación

de la densidad de la carga fresca durante su movimiento en el sistema de admisión ( ), obtenemos: (2.35) Según datos experimentales en motores de encendido por chispa, para laapertura completa de la válvula en el régimen nominal, la velocidad del movimiento de la carga en la sección de paso ( ( ) están entre 2.5 – 4. ) está en el rango de 50 – 130 m/s; mientras que

Coeficiente de gases residuales: debido a que en el proceso de escape no se logra evacuar por completo del cilindro los productos de la combustión, estos ocupan cierto volumen a presión y temperatura ; los gases residuales se expanden

mezclándose con la carga fresca que ingresa, disminuyendo el llenado del cilindro. Para un motor de cuatro tiempos el coeficiente de gases residuales se obtiene de la siguiente ecuación:

Entonces la temperatura al final de la admisión (K) será:

43


Escuela de Ingeniería Mecánica F. Parámetros de proceso de compresión: durante este proceso la temperatura y la presión se elevan, los valores de estos parámetros dependen fundamentalmente de los parámetros termodinámicos del ambiente al comenzar la compresión, de la relación de compresión ( ) y del carácter que tenga el intercambio de calor. A relaciones de compresión más elevados al final del proceso de compresión

corresponden mayores relaciones de expansión y mejor aprovechamiento del calor. Resulta difícil determinar analíticamente los parámetros al final de la compresión puesto que el exponente politrópico (K1) para motores a gasolina varían de 1.3 – 1.4. La temperatura y la presión al final de la compresión se calculan a partir del valor medio de la politrópica, considerándolo constante para todo el proceso; la presión al final de la compresión se obtiene dela siguiente ecuación:

Temperatura al final de la compresión (K):

G. Parámetros del proceso de combustión: el calor que se desprende durante la combustión de la mezcla aire-combustible dentro del cilindro del motor se

consume en calentar el fluido operante y en realizar el trabajo exterior. Parte del calor pasa a las paredes durante el proceso de combustión y en la posterior expansión. Hay que tener en cuenta que el proceso final de combustión, por lo general abarca una parte considerable de la carrera de expansión y que cierta cantidad de calor desprendido se consume en la disociación de las moléculas de los productos de la combustión.

Para valores cuando

Q = Hu (calculando para 1 kg de combustible consumido), . El calor cedido a las paredes al final de la

expansión influye poco sobre el trabajo útil total del ciclo. La pérdida principal la constituye el calor transmitido al principio de la carrera de expansión.

44


Escuela de Ingeniería Mecánica Siendo (el motor trabaja con una mezcla enriquecida), parte del calor al

quemar el combustible no se utiliza debido a que por falta de oxígeno la combustión será incompleta; la ecuación de combustión mediante el primer principio de la termodinámica es: [ ]

Donde

es el coeficiente de aprovechamiento de calor, que para motores de es el poder calorífico del combustible, y la

carburador varia de 0.85 – 0., cantidad de mezcla fresca (kmol),

son la energía interna al inicio y al

final de la combustión respectivamente.

El coeficiente real de variación molecularse expresa en la siguiente ecuación:

El calor no desprendido durante la combustión mediante la siguiente ecuación:

se puede calcular

La energía interna (KJ/kmol) de 1 mol de mezcla al final del proceso de compresión constituirá:

Donde temperatura .

es el calor especifico de la mezcla fresca (KJ/kmolsC) a la

Para el ciclo con combustión a volumen constante el grado de elevación de la presión es:

45


Escuela de Ingeniería Mecánica La presión máxima (MPa) del ciclo se obtienes de la siguiente expresión:

Los valores reales de las presiones máximas en los cilindros de los motores a gasolina son necesarios para poder realizar los cálculos dinámicos, se determinan multiplicando los valores calculados de disminución de la presión por un coeficiente empírico de

, que toma en consideración el aumento de volumen de

la cámara de combustión en el instante en que alcanza la máxima presión y que generalmente se adopta el valor de 0.85:

H. Parámetros del proceso de expansión: en este proceso se produce el trabajo mecánico a cuenta de la energía térmica que se desprende durante la combustión. En el ciclo real la carrera de trabajo empieza durante la combustión y termina cuando comienza el proceso de escape de los gases quemados.

En el comienzo del proceso de expansión, cuando la combustión se realiza con un desprendimiento intenso de calor y una brusca elevación de la presión, el exponente politrópico n2 tiene valor negativo, llagando a ser nulo en el punto Pmax. En el tramo Pmax y Tmax el exponente pasa a serpositivo y en el punto Tmax es 1.determinar el exponente politrópico de expansión a partir del diagrama indicado es imposible; en vista de estas dificultades que aparecen, se utilizan valores promedios del exponente K2 que varía de 1.23 – 1.30 para motores de carburador. La presión (MPa) y temperatura (K) al final del proceso de expansión se determinan de acuerdo a las siguientes formulas:

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Escuela de Ingeniería Mecánica Diferencias entre en un ciclo teórico y real.

El ciclo real es el que representa las condiciones efectivas del funcionamiento del motor y cuando se representa en un gráfico P-V se denomina diagrama indicado, las diferencia entre el ciclo real e ideal básicamente son las siguientes.  Perdidas de calor: tienen mucha importancia en el ciclo real, debido a que el cilindro está rodeado por conductos de refrigeración, que evacuan calor en el rango del 25-30% del calor total liberado por el combustible. Por lo que los procesos de compresión y expansión no son adiabáticos y reversibles como se consideran en ciclo ideal.  Tiempo de apertura y cierre de válvulas de admisión y escape: en el ciclo teórico la apertura y cierre de las válvulas se consideran que ocurren instantáneamente, lo cual físicamente es imposible. En el ciclo real este proceso se da en un tiempo relativamente largo con el objetivo de mejorar el llenado y vaciado del cilindro, lo cual provoca perdida del trabajo útil.  Combustión no instantánea: en el ciclo teórico la combustión se considera instantánea a volumen constante, caso que no ocurre en el cicloreal debido a que la combustión de la mezcla dura un cierto tiempo; por lo mismo si la combustión se iniciara justamente en el P.M.S la combustión ocurriría mientras el pistón se aleja, lo que significa un reducción considerable del trabajo útil. Para evitar esto se recurre a anticipar la combustión de tal modo que la combustión ocurra en su mayor parte cuando el pistón se encuentra cerca del P.M.S, el cual evidentemente se produce una reducción del trabajo, pero no en la magnitud que se tendría si no se adelantara el encendido.  Perdidas por bombeo: en el ciclo teórico se considera que la admisión y escape se realiza a presión constante, considerando que el fluido circula por los conductos de admisión y escape sin rozamiento. Lo cual no ocurre en el ciclo real, y más aún estas pérdidas se intensifican en los motores de ciclo Otto

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Escuela de Ingeniería Mecánica debido a que el combustible sufre estrangulamiento al momento de pasar por el carburador intensificando las pérdidas de energía.

Para cuantificar la relación entre el ciclo teórico y el indicado se calcula el cociente entre la superficie del ciclo Otto indicado por la respectiva del ciclo teórico a esto se denomina rendimiento indicado. Se concluye que la diferencia entre los ciclos mencionados se debe principalmente al tiempo que demora en quemarse la mezcla y al llenado y evacuado de la mezcla dentro del cilindro. Para acercar más el ciclo real al teórico se actúa sobre el adelanto o retraso de las válvulas y el adelanto al encendido de la combustión.  Adelanto en laapertura de admisión (AAA): antes que llegue el pistón al P.M.S en el proceso de escape, la válvula de admisión ya debe estar abierta; para evitar la estrangulación de la mezcla a la entrada del cilindro. Según Heywood el valor de AAA está en el rango de 10°-20° para motores lentos y de 10°-30° para motores rápidos.  Retraso al cierre de admisión (RCA): consiste en hacer que la válvula se cierre después de que el pistón llegue al P.M.I para aprovechar la inercia de los gases al final de la admisión, permitiendo la entrada de gases aunque el pistón comience a desplazarse hacia P.M.S. mejorando la eficiencia de llenado. El rango de RCA oscila entre 30°-40° para motores lentos y 40°-60° para motores rápidos.

 Adelanto al encendido (AE): consiste en compensar el tiempo de combustión de la mezcla de tal manera que se produzca la mayor parte de la combustión cuando el pistón llega al P.M.S. el rango oscila entre 0°-15° para motores lentos y 10°-40° para motores rápidos.  Adelanto a la apertura de escape (AAE): consigue que la presión interna en cilindro disminuya al momento de iniciarse el escape, para evitar el estrangulamiento de los gases a la salida y la pérdida de energía al momento de

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Escuela de Ingeniería Mecánica hacer el barrido de los gases. El rango esta entre 35°-50° para motores lentos y de 40°-60° para motores rápidos.  Retraso en el cierre de escape (RCE): permite una mejor evacuación de los gases de combustión. Debido a la succión provocada por la alta velocidad de los gases a la salida, evitando que los gasesresiduales impidan el ingreso de los gases frescos. El rango esta entre 0°-10° para motores lentos y de 5°-30° para motores rápidos  Cruce de válvulas: es el periodo en que las válvulas de admisión y escape se encuentran simultáneamente abiertas, debido a la velocidad de los gases de escape crea una succión que facilita el ingreso de mezcla fresca y permite el barrido de la mezcla residual, una vez que los gases frescos alcanzan la válvula de escape esta debe estar completamente cerrada de tal manera que no se pierda mezcla fresca a la atmosfera, beneficiando notablemente el rendimiento del motor

2.2.7. FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL MCI:

Motor como máquina térmica. Está compuesto por un conjunto de piezas fijas y móviles, que operando coordinadamente logran convertir la energía química (combustible) en energía térmica, mediante una secuencia ordenada de procesos que se efectúan durante un ciclo termodinámico, y esta energía a su vez es convertido a energía mecánica mediante el mecanismo biela-manivela. Teniendo en cuenta el enunciado realizado por el físico francés SADI CARNOT. Se puede decir que cualquier motor de combustión interna por lo sencillo que fuese, está compuesto por una fuente de energía a alta temperatura (TH), una fuente de energía a baja temperatura (TL) y una parte del entorno que pueda absorber trabajo y también que realice trabajo sobre el sistema. Como se visualiza en la siguiente figura.

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Escuela de Ingeniería Mecánica
Fig. N°2.13 Representación esquemática de un motor térmicoFuente: Tesis [11]

Debido a los gradientes de temperatura que existen entre las dos fuentes de calor una a alta y otra a baja temperatura como se esquematiza en la figura. La zona de alta temperatura sede parte del calor (Qc.) pasando por el motor térmico, convirtiéndose una parte de este en trabajo mecánico, y la otra parte del calor (Qf) se libera al ambiente a una menor temperatura debido a la expansión que sufrieron los gases calientes para producir trabajo.

Transferencia de calor en el MCI.

El motor de combustión interna es una máquina muy compleja de analizar desde el punto de vista térmico, debido a las fronteras fluidicas por las que está limitado (gases de cilindro, gases de admisión, gases de escape, refrigerante, lubricante y aire ambiente) y que son de naturaleza transitoria y dependen del punto de operación del motor.

Para analizar térmicamente el motor de combustión interna se dispone de modelos que permitan predecir y controlar las temperaturas de la estructura y de los fluidos de las fronteras, y evaluar la transferencia de calor para lograr optimizar la combustión, reducir el consumo de combustible y las emisiones de contaminantes en todos los regímenes de operación del motor, así como también lograr un incremento de la potencia específica del motor.

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Escuela de Ingeniería Mecánica Existen tres formas de estudiar la transferencia de calor en un motor de combustión interna: la experimentación en laboratorios con bancos de motores, simulación numérica mediante ordenador, y con modelos teóricos. Entre lasdiferentes cualidades la experimentación se destaca por tener mayor precisión en los resultados y permite analizar fenómenos complicados difíciles de alcanzar con exactitud mediante modelos numéricos, la desventaja que presenta es que requiere de mayor tiempo de preparación y son muy costosos. Mediante la simulación numérica podemos obtener resultados con suficiente precisión, resolviendo un sistema de ecuaciones diferenciales obtenidas a partir de la termodinámica y la mecánica del sistema, demostrando ser una propuesta económica y flexible. La simulación numérica se divide en dos grupos: en el primero se encuentran los modelos fluido-dinámicos o multidimensionales, basándose en la conservación de la masa y la energía en cualquier punto del sistema y en cualquier instante del tiempo, mediante este método podemos obtener resultados sobre el campo de velocidades, temperaturas y composiciones dentro del cilindro. En el segundo se encuentran los modelos termodinámicos y dentro de este se encuentran los modelos cero dimensionales, llamados así porque la única variable independiente es el tiempo o el ángulo de giro del cigüeñal; y los modelos cuasi dimensionales que es un modelo más avanzado de la termodinámica que es la combinación de los modelos multidimensionales y cero dimensionales. En el análisis teórico, los modelos más simples provienen de la termodinámica clásica de equilibrio, considerando al sistema como una maquina térmica reversible; lográndose una mayor aproximación con la termodinámica de tiempo finitos considerando el sistema como unintercambiador energético con pérdidas irreversibles, logrando obtener valores aproximados de la potencia de la máquina, eficiencia, etc.

Modos De Transferencia De Calor En Un M.C.I

En un M.C.I el flujo de calor es transferido de tres modos diferentes, que serán descritos a continuación: 

Conducción:

La transferencia de calor por conducción se da por el movimiento molecular entre sólidos y fluidos que están en reposo, debido a los gradientes de temperatura.

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Escuela de Ingeniería Mecánica En el M.C.I la transferencia de calor por conducción se da a través de las paredes del cilindro, cabeza del pistón, bloque del motor, entre anillos del pistón, y culata; Esta dada por la siguiente ecuación: ̇

(2.50)

En la ecuación Ns5, ̇ representa el flujo de calor por unidad de área, k es la conductividad térmica del material (ver en anexo), y en la dirección del flujo de calor.  gradiente de temperatura

Convección:

La transferencia de calor por convección se da a entre fluidos en movimiento, también entre un fluido y un sólido en movimiento relativo. En el M.C.I, debido a que los fluidos en el interior del cilindro son turbulentos se usa el término de convección forzada, la cual se da entre los gases y las paredes del cilindro, válvulas y pistón; entre las paredes del cilindro y el refrigerante, también se da entre la superficie externa del motor y el medio ambiente. Está determinado por la siguiente ecuación. (2.51) 

Radiación:

Se produce a través de la emisión y la absorción de onda electromagnéticas lalongitud de onda en la que la energía es transformada en energía térmica es del rango visible (0.4 a 0.7 m.), y el infrarrojo es (0.7 a 40 pm), la trasferencia de calor se debe a las altas temperaturas de los gases de combustión a las paredes de la cámara de combustión, también se da al medio ambiente por todas las superficies calientes externas del motor. Esta dada por la siguiente ecuación: ̇

)

(2.52)

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Escuela de Ingeniería Mecánica Donde K4. es el coeficiente de Stefan-Boltzmann cuyo valor es de 5.67x10-8 W/m2

Transferencia de calor entre los gases y las paredes de la cámara de combustión.

Al desarrollarse el proceso de combustión de la mezcla (aire-combustible) en el interior del cilindro se alcanzan temperaturas de hasta 2500K, teniendo en cuenta que la temperatura máxima que resisten los materiales es inferior de los 1500 K [1], el sistema de refrigeración debe extraer la cantidad de calor necesaria para que la temperatura del metal no alcance estos niveles durante el tiempo que cilindro. permanecen los gases quemados en el

La transferencia de calor en el cilindro se define como el flujo de energía térmica que existe entre los gases quemados hacia el fluido refrigerante a través de las paredes del cilindro debido a los gradientes de temperatura que existen entre ellos. Determinar la transferencia de calor en el cilindro es una de las mayores dificultades, por ser de naturaleza transitoria, debido a la variación de diversos parámetros en el tiempo como la temperatura, presión y velocidad de la masa de trabajo quedependen del punto de

operación del motor, por otro lado el problema se complica aún más debido a que la energía calórica se transfiere por medio de dos mecanismos diferentes que son convección y radiación. la

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Escuela de Ingeniería Mecánica
Fig. N°2.14: Esquema de transferencia de calor en las paredes del cilindro.

Fuente: Tesis [11]

La figura 2.10 muestra un esquema simplificado de la transferencia de calor en el cilindro, en la cual se observa la variación de temperatura de los gases durante el ciclo y la variación del coeficiente de transferencia de calor del gas, según Heywood [1] en la realidad los mecanismos de transferencia de calor entre los gases y el cilindro son más complejos debido a que el flujo de calor desde los gases hacia las paredes del cilindro varía desde valores muy pequeños hasta el orden de los MW/m2. En un estudio

unidimensional el proceso de transferencia global de calor entre los gases dentro del cilindro y las paredes de este, por lo general se da por medios dos mecanismos que son la convección y la radiación. Posteriormente el flujo de calor es conducido a través de las paredes metálicas del cilindro mediante conducción, y finalmente el calor será transferido al líquido refrigerante por medio de la convección para luego ser evacuado al ambiente.

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Escuela de Ingeniería Mecánica Transferencia de calor estado estacionario-unidimensional.

Ante la dificultad que se tiene al momento de realizar un análisis teórico transitorio de la transferencia del calor entre los gases de la combustióny el fluido refrigerante, debido a la variación de las condiciones de entorno en el tiempo, y que dependen generalmente del régimen de operación del motor.

Según Heywood, Nishiwaki, Borman y otros investigadores proponen modelos matemáticos en estado estacionario unidimensional, evaluando los coeficientes globales de transferencia de calor, asumiéndolo como un valor promedio para las diferentes superficies de la cámara de combustión (culata, cabeza del pistón, y paredes del cilindro), estos modelos son apropiados para predecir los parámetros globales del motor como: la potencia efectiva, consumo de combustible, pérdidas totales de calor, carga térmica y la temperatura de los gases de escape; desarrollándose en base a la ecuación de Newton.

(2.53)

Dónde: q”: viene a ser el flujo de calor transferido por unidad de área. h: coeficiente global de transferencia de calor. T: temperatura media de los gases de combustión. Tw: temperatura de la superficie de la pared.

En la realidad el coeficiente de transferencia de calor varía de acuerdo al espacio y el tiempo, por lo que es demasiado complicado obtener valores aproximados a los reales, para esto existen correlaciones empíricas como las de Woschni,[2] Eichelberg, Annand y Ma, [3] y muchos más investigadores . Que utilizan valores promediados en el espacio y el tiempo.

55


Escuela de Ingeniería Mecánica  Woschni:

La ecuación está en base a las leyes de semejanza de transferencia de calor para flujos estacionarios turbulentos a través de tubos, partiendo de la ecuaciónempírica de Nusselt. .

(2.54)

Dónde:

D: es el diámetro del cilindro (m.). P: presión instantánea en el cilindro (MPa.). T: temperatura media de los gases de combustión (K.). W: velocidad de referencia: * Vmp: velocidad media del pistón. (m/s.) C1, C2: constantes para corrección de velocidad. Vc: volumen desplazado por el pistón. (m3). V1 T1, P1: volumen, temperatura y presión en un punto determinado. P0: presión de la cámara sin considerar la combustión: ( ) +

Cuadro1: Constantes para la corrección de la velocidad en el modelo de transferencia de calor de Woschni.

Cuadro N°2.6: Constante para la corrección de la velocidad

Etapa Admisión y escape Compresión Combustión y expansión
Fuente: tesis [10 ]

C1 6.18 2.28 2.28

C2 0 0 3.24 x 10-3

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Escuela de Ingeniería Mecánica  Eichelberg:

Esta ecuación también es empleada para modelos de transferencia de calor, cuando no es necesario determinar el calor transferido al refrigerante o determinar la temperatura de los componentes; en la ecuación se considera la radiación de flujo instantáneo de calor.
̇

(

)

(2.55)

Dónde:

Vmp: velocidad media del pistón (m/s). p: presión instantánea dentro del cilindro (bar). T: temperatura instantánea del gas dentro del cilindro (K). Tw: temperatura media de la superficie del cilindro (K). As: Área instantánea de la superficie (m2). Qs: flujo de calor instantáneo que sale del cilindro a través de la superficie (W) 

Annand y Ma: ̇ ( )

Dónde: Re= D: diámetro del cilindro. ρ: densidad del gas. µ: viscosidad dinámica. b =0.7 0.25 < c < 0.8 d = 0.075 σ σ : constante de Stefan-Boltzmann.

57


Escuela de Ingeniería Mecánica Resistencia térmica entre los gases y las paredes de la cámara de combustión.

El flujo de calor que se transfiere desde los gases a las paredes del cilindro y posteriormente al refrigerante es aproximadamente de 24% del poder calorífico del combustible que se quema dentro de la cámara de combustión.

En la figura Ns2.10 se muestra el esquema simplificado de la transferencia de calor unidimensional; en la que se considera que el flujo de calor es transferido desde los gases a las paredes de la cámara de combustión mediante los mecanismos de radiación y convección forzada, atravesando la delgada pared del cilindro por conducción, y nuevamente por convección entre la pared del cilindro y el fluido refrigerante, en base a estos conceptos el flujo de calor por unidad de área esta expresada por la siguiente ecuación. ̇ ̇ ̇

(2.56)

La componente radiactiva en la ecuación (11) proviene de dos fuentes que son la radiación del gas y la radiación de las nubes de partículas. En motores Otto la combustión es homogénea por lo que la cantidad de hollín es pequeña, por lo que se considera que la única fuente es la radiación del gas; pero esta es relativamente pequeña en comparación a la transferencia de calor por convección por lo que en muchos modelados no se considera como lo expresa Heywood, lo contrario sucede en los motores Diesel en que la radiación del gas es relativamente pequeña a la radiación por partículas y esta influye mucho enla transferencia de calor. El flujo de calor se puede representar mediante un circuito de resistencias térmicas, y se calcula mediante el cociente entre la diferencia total de temperaturas y la suma de las resistencias térmicas, aplicando este concepto se plantea la siguiente ecuación.

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Escuela de Ingeniería Mecánica
Fig. N°2.15: Esquema de resistencias térmicas entre los gases y las paredes de la cámara de combustión.

Fuente: Propia.

De acuerdo a la analogía eléctrica el flujo de calor estará descrito por la siguiente ecuación:
( )
( )

̇

(2.57)

Dónde: ̇ es el flujo de calor por unidad de área, Tg y T cool es la temperatura de los gases dentro del cilindro y del líquido refrigerante respectivamente; hg coeficiente de

transferencia de calor por convección entre el gas y las paredes del cilindro, hcool coeficiente de transferencia de calor por convección entre el refrigerante y las paredes del cilindro, k conductividad térmica del material del cilindro; Ai y Ae son las áreas de intercambio de calor interna y externas del cilindro, l es la longitud del cilindro, y r1 y r2 son las distancias radiales.

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Escuela de Ingeniería Mecánica Transferencia de calor al refrigerante.

Dependiendo del diseño, el flujo del refrigerante en un motor llega a los ductos de refrigeración en la parte externa de los cilindros y luego es conducida hacia la culata por medio de orificios en la parte superior del bloque, utilizando para este fin una bomba centrifuga la cual es accionada de una forma sincronizada por el ejecigüeñal del motor, dependiendo del caudal requerido para extraer el calor necesario. Los flujos de calor que se presenta en el motor son muy complicados por ser turbulentos (con direcciones de movimiento muy complejas) y dependientes de las condiciones de operación. En la transferencia de calor son determinantes las propiedades termofísicas del refrigerante, del patrón de flujo, de la presencia de ebullición y cavitación. Es por ello que se ha ido evolucionando en los estudios de la transferencia de calor utilizando correlaciones experimentales desde modelos empíricos hasta tratamientos analíticos utilizados en la dinámica computacional de fluidos, que han permitido un modelo más ajustado de transferencia de calor entre el refrigerante y las paredes del cilindro.

Bohac [3] utiliza la expresión Nu-Re-Pr para modelar la transferencia de calor entre el refrigerante y las paredes del cilindro utilizando la siguiente correlación de GrimsonNusselt:

Dónde: C1 y m depende de la distribución de los cilindros, C2 depende del número de cilindros del motor. En ciertos casos ocurre que la temperatura de pared denominado es mayor que la temperatura media del refrigerante , ocasionándose la

formación de pequeñas burbujas de vapor denominado ebullición nucleada, para este caso se hace uso la correlación de CHEN, ajustando el valor del coeficiente de transferencia de calor por convección:

(

)

60


Escuela de Ingeniería Mecánica Dónde: siendo evaluado en función de sus propiedades más relevantes del refrigerante como
.

Conductividadtérmica, Cp. Calor específico, calor de vaporización y

densidad,

tensión

superficial, µ viscosidad,

es la densidad del refrigerante a

temperatura de saturación. El factor F se determina por la siguiente ecuación:

(

)

Dónde: refrigerante,

es la temperatura de pared,

temperatura de saturación del es la

es la presión de saturación a temperatura de la pared

presión de saturación del refrigerante.

El factor S es un factor que se interpreta que en flujos turbulentos la formación de pequeñas burbujas de vapor se contrarresta debido a la mezcla con el fluido más frio se determina a partir de la siguiente ecuación:

Cabe señalar que a través de pruebas en laboratorios, mediciones experimentales que se realizaron para el circuito de refrigeración de un motor, se confirmó que la ebullición nucleada solo ocurre en zonas con alta carga térmica como mayormente son la parte superior de la camisa y en las válvulas de escape.

Existen diversas ecuaciones empíricas, debido a la necesidad que se tiene de ajustar el coeficiente de transferencia de calor de acuerdo a las condiciones de funcionamiento del motor, una de ellas es la expresión de DITTUS BOELTER, [5] para el cálculo de la transferencia de calor en la camisa de refrigeración:

La ecuación (20) es válida para Re >10000 conocido como flujo totalmente turbulento, para 0.7 < Pr < 160, y menores 5.6 sC, teniendo en cuenta que sea un

flujo totalmente desarrollado y que la propiedades del refrigerante se evalúan a temperatura media del refrigerante.

61
Escuela de Ingeniería Mecánica En el caso en que la diferencia de temperaturas entre la pared y el refrigerante seas mayor que 6 sC se utiliza la ecuación propuesta por SIEDER Y TATE: [6] ( Dónde: ) (2.63)

es la viscosidad del refrigerante evaluada a su temperatura media y

es la viscosidad del refrigerante a temperatura de pared.

Análisis de transferencia de calor del circuito de refrigeración.

Análisis en el radiador del vehículo Daewoo modelo Tico. En los motores de combustión interna entre del 17 al 26% del calor liberado al quemarse el combustible es evacuado por el sistema de refrigeración hacia el ambiente, generalmente el sistema de refrigeración está diseñado para trabajar con agentes refrigerantes en estado líquido, como es el caso del vehículo Daewoo modelo Tico. Por lo consiguiente la metodología empleada para el análisis del radiador es la misma que se utiliza en los intercambiadores de flujo cruzado.

En la siguiente figura se muestra el esquema del proceso de intercambio de calor al ambiente constituido por el radiador hecho en material de aluminio como elemento principal y un flujo de aire suministrado por el ventilador que se localiza perpendicularmente al fluido refrigerante que circula por el interior de los tubos del radiador.

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Escuela de Ingeniería Mecánica
Fig. N°2.16: Partes principales del sistema radiador- ventilador del motor Tico

Fuente: Propia – AUTOCAD 2011.

En este capítulo se pretende analizar el radiador, con el fin de cuantificar el calor evacuado al ambiente utilizando comorefrigerantes: agua natural y mezcla de agua natural y triple acción –VISTONY en una proporción de 75 y 25% respectivamente. Basados en las ecuaciones fundamentales de transferencia calor, y la metodología empleada para el diseño de radiadores de Kays y London [7], para ello se estableció el siguiente procedimiento de cálculo.

A. Se determinan las propiedades geométricas del radiador: a partir de los parámetros geométricos básicos del radiador se determina el área de transferencia de calor lado agua, área de flujo libre lado aire, diámetros hidráulicos, densidad del área de superficie, área frontal etc.

B. Cálculo de los flujos másicos del refrigerante y el aire: para calcular los flujos másicos de los fluidos que intervienen en el intercambio de calor, como se muestra en la figura.

63


Escuela de Ingeniería Mecánica
Fig. N°2.17: Esquema de la Distribución de los Flujos Másicos Tanto del Aire como del Refrigerante en el Radiador

Fuente: Propia – AUTOCAD 2011.

Las incógnitas a encontrar en este apartado son los flujos másicos, tanto del refrigerante y como del aire que circula perpendicularmente a este. Para ello primeramente se debe estimar la cantidad de calor que debe disipar el radiador al aire circundante, para ello se puede utilizar la correlación de Lahvic [8] que se puede aplicar tanto para motores de encendido provocado como para diesel.

(2.64)

Cilindrada (litros), N=rpm, motor (KW).

torque (N-m),

potencia efectiva del

Por el principio de conservación de la energía, la energía que gana el refrigerante es elmismo que se disipa al aire circundante por lo tanto.

(2.65)

Es el caudal volumétrico (m3/s) del del aire, 64


Escuela de Ingeniería Mecánica Calor especifico (KJ/Kg °C) del aire. Variación de la temperatura del refrigerante (°C) usualmente se encuentra en el rango de 6°C-12°C [9] Variación de la temperatura a la entra y salida del aire (°C) se puede tomar una diferencia de 10 °C. Como primera aproximación [9].

Para hallar el flujo másico del refrigerante, se ha utilizado los parámetros geométricos de la bomba.

Fig: 2.18: triangulo de velocidades a la entrada y salida del rodete De la bomba.

Fuente: Propia AutoCAD.

Dónde: D2: diámetro de salida del alabe, D1: diámetro de la entrada del alabe, U2 y U1 son las velocidades absolutas del alabe a la salida y entrada respectivamente (m/s), C2 y C1: velocidades absolutas del fluido a la salida y entrada (m/s), W2 y W1: velocidades relativas a la salida y entrada (del fluido con respecto al alabe) (m/s), C2m y C1m: componente meridional de la velocidad absoluta del fluido a la salida y entrada (m/s),

65


Escuela de Ingeniería Mecánica Dónde: b2: el ancho del alabe a la salida, eficiencia volumétrica de la bomba,

usualmente se encuentra en el rango de 0.8-0.9 [18]

n: velocidad de giro del motor (r.p.m.)

Ángulo que se forma entre las velocidades C1 y U1 Angulo que forman W1 y (-U1).

C. Cálculo de temperaturas: el valor de las temperaturas del refrigerante en la entrada y salida del radiador se obtuvo mediante la instalación de termómetros en las manguerassuperior (temperatura de entrada termómetro 1 y temperatura de salida medida por el termómetro 2)
Fig. N°2.19: Esquemas de medición de temperaturas en el radiador.

Fuente: Propia.

66


Escuela de Ingeniería Mecánica Para el caso del aire las temperaturas de entrada y salida se determinaron a partir del principio de conservación de la energía mediante el siguiente arreglo de fórmulas. ( )( ) (2.70)

(

)(

)

(2.71)

Temperatura de salida del líquido refrigerante. Temperatura de entrada del líquido refrigerante Temperatura del aire de salida. Temperatura del aire de entrada.

La eficiencia

se puede asumir entre el rango de (60%-75%) [10] según la

experiencia del diseñador. ̇ ̇

El

y

, son las capacidades térmicas mínima y

máxima de los fluidos refrigerante o aire dependiendo del su flujo másico y el calor especifico, y son las capacidades térmicas del fluido caliente y frio

respectivamente.

D. Cálculo de las propiedades termo físicas de los fluidos: calculadas las temperaturas se procede a la evaluación de las propiedades termofisicas de los fluidos a su temperatura media logarítmica (DTML) como viscosidad dinámica (µ), calor especifico ( ( etc. , conductividad térmica (K), numero de Prandtl (Pr), densidad

Según la tesis de Romero Piedrahita Carlos [11] la temperatura media para el refrigerante y el aire respectivamente son:

67


Escuela de Ingeniería Mecánica

E. Cálculo del número de Reynolds: según Holman para intercambiadores de flujo cruzado está dado por la forma:

Ddiámetro hidráulico,G=flujo másico por unidad de área transversal, u=viscosidad dinámica.

F. Cálculo del número de Nuselt: se puede utilizar la siguiente correlación empírica para un flujo turbulento completamente desarrollado.

(2.75)

0.4 para calentar el fluido n=0.3 para enfriar el fluido.

G. Evaluación de los coeficientes de película de los fluidos: a partir de Nuselt y Reynolds se determina los coeficientes de película mediante la siguiente correlación empírica para el refrigerante.

h= Coeficiente de película (W/m2°C), k=conductividad térmica del fluido (W/m°C), diámetro hidráulico.

Según Holman [12] el coeficiente de película del aire también se puede determinar utilizando el número de Stanton St, con el Reynolds se determina la correlación St. Pr2/3 y conociendo el número de Prandtl. ̇

(2.77)

68


Escuela de Ingeniería Mecánica H. Eficiencia de la superficie extendida: para determinar la efectividad de la superficie del radiador que dispone de un arreglo de aletas. Para ello se toma como muestra un conjunto unitario que está conformado por una aleta y un espacio del tubo que está expuesta a convección pura; según Incropera [13] la eficiencia de la superficie extendida está dada mediante la siguiente expresión.

√ Eficiencia de aleta, w=cociente entre el área de la aleta y el área del conjunto unitario w=Aa/Ac.u. I. Análisis del calor disipado en el radiador: el calor disipado en un arreglo aletapared está dado por el calor que disipa la aleta hacia el ambiente, y el calor disipado por la superficie libre. Como se muestra en lafigura.

Figura N°2.20: Arreglo Geométrico para el Análisis de Transferencia de Calor del Radiador Del Motor Tico

Fuente: Fundamentos de Transferencia de Calor-Incropera.

69


Escuela de Ingeniería Mecánica

Utilizando la analogía de resistencias eléctricas tenemos:

Resistencia convectiva del refrigerante,

resistencia convectiva del

aire donde el ha se supone constante tanto para la aleta como para el área de superficie libre temperatura del .
( )

Resistencia conductiva del material, temperatura del aire ambiente,

refrigerante,

temperatura de pared.

∑

Transferencia de calor entre el aceite y el motor.

El aceite es uno de los entornos fluídicos que analizamos en el balance térmico de un motor de combustión interna, por lo tanto evaluaremos el intercambio de calor entre el aceite- pistón, y aceite-culata, teniendo en cuenta que los coeficientes convectivos dependen del diseño del sistema de lubricación del motor.

Transferencia de calor entre el aceite y el pistón.

Otra función del aceite, aparte de lubricar, es refrigerar la parte interna del pistón, existiendo para esto tres métodos usados actualmente: por salpique generado por el cigüeñal, inyectado desde el bulón del pistón y por inyección mediante una tobera.

70


Escuela de Ingeniería Mecánica BOHAC [4], asume valores de coeficiente convectivos para los tres métodos de refrigeración descritos anteriormente, que nos permitirán tener una referencia para el cálculo, utilizando correlaciones empíricas.

Cuadro Ns 2.7: Valores asumidos decoeficientes convectivos por Bohac

METODO DE REFRIGERACIÓN Por salpique Inyectado desde el bulón Por tobera
Fuente: tesis [11 ]

CORONA DE

FALDA DE

PISTÓN(w/m2k) PISTÓN(w/m2k 1000 2100 2050 240 2800 3230

RACOPOULOS [14], en su trabajo, utilizo la velocidad angular para calcular el coeficiente de transferencia de calor mediante la siguiente fórmula:

*

+

(2.80)

Donde;

es el radio de la manivela del cigüeñal,

es la velocidad angular del motor

diámetro de la tobera,

viscosidad cinemática del aceite a temperatura de operación.

En el modelo de predicción de temperaturas de pared de un motor, con refrigeración mediante chorro inyectado, desarrollado por TORREGROSA [15] el coeficiente

convectivo en las galerías de refrigeración se calcula mediante la siguiente expresión.

*

+

(2.81)

Donde;

= 228.5 y m = 0.73, viscosidad cinemática del aceite,

conductividad térmica del aceite, diámetro

velocidad media del pistón

toroidal de la galería.

71


Escuela de Ingeniería Mecánica Transferencia de calor entre el aceite y la culata.

Para las partes de la culata en contacto con el aceite, Jarrier y Gentile [16] utilizan la siguiente expresión para superficies planas:

(2.82)

Para el aceite que se escurre por las paredes del cilindro hacia el bloque, Jarrier y Gentile utilizan una expresión establecida por Hausen:

(2.83)

Siendo L la longitud de la parte de la camisa en contacto con el aceite.

Transferencia de calor entre el motor y el ambiente.

Jarrier y Bohac [4]afirman que no se dispone de modelos para calcular la transferencia de calor entre el motor y el ambiente debido a que esta es muy compleja, por lo que se utiliza expresiones de convección natural en las superficies externas de motor.

Bohac [4] aproximo el motor como un cilindro de altura y diámetro iguales para determinar la transferencia de calor convectiva y radiativa entre el motor y el ambiente mediante las siguientes expresiones: ̇ ̇

(2.84)

(2.85)

El coeficiente de transferencia de calor se expresa de la siguiente manera:

( )

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Escuela de Ingeniería Mecánica Donde fundido es la conductividad del aire aproximada a la del material del bloque, para el hierro , la longitud efectiva de motor, y son la temperatura del es el área del

bloque y del compartimiento del boque del motor respectivamente, bloque en contacto con el aire externo.

2.2.8. BALANCE TÉRMICO DEL MOTOR.

El balance energético de un motor se realiza en estado estacionario y estable. Los motores de automóviles trabajan en diferentes condiciones de operación y debido a los procesos transitorios que se producen en su ciclo de trabajo no se puede garantizar condiciones estables y de repetitividad, por lo tanto no se encuentra mucha información experimental. Algunas investigaciones que han realizado evaluaciones térmicas en estado transitorio han teniendo muchas limitaciones; Jarrier (2000) [16] asume que durante el calentamiento del motor la presión instantánea de los gases en el cilindro eran idénticas a las del estado estacionario.

En los motoresalternativos la energía se descompone casi por partes iguales entre el trabajo útil, el calor evacuado con el refrigerante y el calor fugado con los gases de escape, con proporciones mayores de pérdidas a bajas cargas; estas proporciones varían según la aplicación, tecnología y potencia del motor. Según Heywood [1] la distribución energética en términos de porcentajes son los siguientes.

Cuadro N°2.8: Distribución energética de un motor de combustión en términos de porcentajes.

Fuente: HEYWOOD JOHN. [1]

73


Escuela de Ingeniería Mecánica
Fig. N°2.21: Diagrama de distribución energética de un motor de combustión interna.

Fuente: HEYWOOD JOHN [1]

Si realizamos un análisis termodinámico de la combustión en el motor, se analiza el gas que se encuentra en la cámara de combustión durante la compresión, combustión y expansión, que contiene una mezcla de combustible, aire y gases residuales, todo este volumen tiene como fronteras a las paredes del cilindro, superficie interna de la culata, las válvulas y la superficie superior del pistón. Si aplicamos la primera ley de la termodinámica obtendremos información útil sobre la descomposición de la energía del combustible.

Para garantizar una combustión eficiente, el motor no puede funcionar solo como un volumen de trabajo, debe complementarse con los sistemas de admisión de mezcla para renovar la fuente de energía, de lubricación para garantizar el mínimo las perdidas mecánicas y desgaste de los componentes, de refrigeración para garantizar los límites de temperatura seguros de suscomponentes y de escape para evacuar los gases de la combustión.

Teniendo en cuenta las pérdidas por fugas de gases, las pérdidas reales propias del motor como las disipadas al ambiente a través de su superficie externa y la energía almacenada en la masa estructural del motor y en las masas de los fluidos llamadas perdidas misceláneas; para el cálculo del balance térmico se utiliza la siguiente fórmula:

74


Escuela de Ingeniería Mecánica

Donde,

es la energía desprendida por la combustión del combustible,

es la potencia

media efectiva,

es el calor disipado al refrigerante (calor transferido a través de las es el calor por perdidas no incluidas en los

paredes de la cámara de combustión), y demás parámetros.

2.2.9. PARAMETROS DE SALIDA DE UN M.E.P.  Presión Media Efectiva.

Es la media de todas las presiones instantáneas que se producen en la fase de combustión y expansión de los gases dentro del cilindro. La presión media está en función del llenado del cilindro y del aprovechamiento del combustible que se introduce al motor.

(2.88)

Dónde:

*

(

)

(

)+

(2.89)

(2.90)  Potencia Indicada.

La potencia desarrollada en el interior del cilindro no se transmite íntegramente al eje de salida del motor, si no que parte de esta potencia es absorbida o pérdida debido al rozamiento. La potencia indicada es desarrollada en el interior del cilindro al momento de la combustión de la mezcla aire/combustible, antes de ser transmitida a los elementos mecánicos motor.

75


Escuela de IngenieríaMecánica Tanto el torque como la potencia están en función a la velocidad del motor, el torque aumenta a medida que aumenta la velocidad del motor hasta alcanzar un máximo y luego disminuye, esto se debe a que el motor no está en condiciones de ingerir un cantidad completa de aire a altas velocidades. La potencia indicada aumenta con la velocidad, mientras que la potencia efectiva aumenta hasta un máximo y luego disminuye. Esto se debe a que la potencia de fricción aumenta con la velocidad del motor y es dominante a mayores valores de esta; para muchos motores de automóviles la potencia efectiva

máxima se da alrededor de 6000 a 7000 RPM.

La potencia indicada está representada entonces por la siguiente ecuación: ̇ Donde ̇ es la potencia efectiva y pasivas. ̇ ̇ ̇

es la potencia perdida debido a las resistencias

También se puede calcular conociendo la presión media indicada del ciclo indicado, mediante la siguiente ecuación:

̇

Esta ecuación es para un motor de cuatro tiempos (1 ciclo termodinámico cada dos revoluciones), donde:

Z: número de cilindros del motor. V: cilindrada del motor: C: carrera del pistón. D: diámetro del cilindro. pmi: presión media indicada. N: revoluciones por minuto.

76


Escuela de Ingeniería Mecánica  Potencia Efectiva. La potencia real que se obtiene en el cigüeñal de un motor es llamada potencia efectiva, que es el resultado final de la potencia descontando las perdidas mecánicas de la potencia indicada obtenida por la combustión, también es llamada potencia al freno ya que esta potencia semide colocando un dispositivo en el eje de salida del motor llamado freno o un dinamómetro. Existen diferentes tipos de freno:

a) Hidráulicos. b) Eléctricos. c) Aerodinámicos.

Todos ellos se basan en equilibrar mediante un momento de fuerzas externas medibles, el momento en el eje producido por el motor; esta potencia medida mediante estos sistemas esta en relación a la presión media efectiva, esta presión media multiplicada por la cilindrada da el mismo resultado de trabajo útil efectivo que el medido por los frenos.

La expresión que nos permite calcular la potencia efectiva de un motor de combustión interna es la siguiente: ̇

Donde Q=calor liberado por ciclo (Kj/Kg), N= r.p.m., ̇ ciclo, nt= eficiencia térmica del ciclo.

flujo másico de mezcla por

Si utilizamos

que es la presión media efectiva, también encontramos que la potencia

efectiva esta en función a la velocidad media del pistón:

77


Escuela de Ingeniería Mecánica Dónde: : Área de la cara superior de todos los pistones. : Velocidad media del pistón.  Eficiencia Térmica.

En un motor de combustión interna, no se puede utilizar el 100% de la energía térmica generada en la combustión de mezcla, de modo que solo es aprovechado el 30% para generar trabajo mecánico, mientras que la energía restante es disipada al medio ambiente y también se debe a su funcionamiento que suele ser por debajo del régimen del par máximo y con una carga menor que la máxima; para evaluar la eficiencia térmica de un motor sería necesario contar con gráficos del consumo especificode combustible a diferentes regímenes y cargas, una forma teórica de calcularla se estima mediante la siguiente ecuación. ̇ ̇ ̇

Dónde: ̇ es la potencia indicada,

es la energía generada por la combustión y

es la eficiencia de la combustión generalmente esta entre e rango de 0.95-0.98 (WILLAR. W.).  Eficiencia Mecánica.

Parte de la potencia indicada es utilizada para expulsar los gases de escape e inducir carga fresca para superar la fricción entre los diversos mecanismos del motor y eliminar otras resistencias pasivas; por lo tanto la eficiencia mecánica es la relación entre la potencia efectiva y la potencia indicada: ̇

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Escuela de Ingeniería Mecánica  Consumo Específico de Combustible.

En un motor el consumo de combustible se mide por la relación del flujo de masa por unidad de tiempo o caudal; un parámetro más útil es el consumo específico de combustible que mide la eficiencia de la cantidad de combustible que utiliza un motor para producir trabajo o generar una determinada potencia y está determinada por la tasa del flujo másico de combustible por unidad de potencia de salida y se mide en g/KWh. ̇ Dónde:

: Consumo especifico de combustible. ̇ : Flujo másico de combustible.

Los valores más bajos de consumo específico de combustible es evidentemente lo más deseado. Los mejores valores para motores de encendido por chispa están entre los 220 g/KW.h a 340g/KWh.  Curvas Características del Motor.

Son aquellas que para una determinada carga nos indican como varían las magnitudes físicas en función del númerode revoluciones del motor y nos da una serie de curvas características, como son:

a) Par motor. b) Potencia efectiva. c) Consumo especifico de combustible. d) Presión media efectiva. e) Rendimiento volumétrico.

Existen dos familias de curvas características que son:

79


Escuela de Ingeniería Mecánica Curvas a plena carga.

Las más representativas son las del par motor, potencia efectiva y consumo especifico de combustible. Para este caso, en el banco de pruebas para motores a gasolina se abre totalmente la mariposa, o en los motores diesel se coloca al máximo la inyección de combustible, y también se ajusta la carga para la velocidad mínima, a dicha velocidad se toman los datos necesarios, nuevamente se ajusta la carga para una nueva velocidad y repite el proceso hasta obtener las correspondientes curvas.

Curvas a carga parcial.

Este tipo de curvas se realizan para completar la información sobre el funcionamiento del motor. En general para distintas posiciones de abertura de mariposa ó de carrera de bomba de inyección se toman los parámetros medidos en la prueba anterior, realizando las gráficas correspondientes.

80


Escuela de Ingeniería Mecánica 2.3 DEFINICIÓN DE LA TERMINOLOGÍA EMPLEADA.

Autoencendido: Es el encendido espontaneo o a destiempo de la mezcla carburante contenida en el cilindro del motor. Balance Térmico: Es la contabilidad de entrada y salida de energía. Densidad: es la medida de cuánta masa hay contenida en una unidad de volumen. Usualmente se representa como kg/m3. Calor: Es la transferenciade energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Carburador: Es un dispositivo mecánico que realiza la mezcla aire/combustible en motores de combustión interna Otto, el buen funcionamiento del motor en su parámetro de potencia depende de una buena proporción de aire/ combustible. Cilindrada: Es el espacio comprendido en el cilindro entre el punto muerto inferior y el punto muerto superior. Combustión: La combustión es una reacción química en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de calor y luz. Energía interna: A nivel microscópico la Energía Interna de un sistema está constituida por la energía del movimiento de todas las partículas microscópicas. A nivel macroscópico es aquella que depende de la temperatura del sistema. Energía química: Es un aspecto de la energía interna de un cuerpo, es la que posee un combustible, capaz de liberar calor. Energía Térmica: es la energía liberada en forma de calor, es decir, pasa de un cuerpo más caliente a otro que presenta una temperatura menor. Energía Mecánica: Es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico. Fluido: Se entiende por fluido todo cuerpo cuyas moléculas tienen entre sí poca coherencia y toma siempre la forma del recipiente donde está contenido. Dentro de esta definición los fluidos se consideran a la materia en estado líquido y gaseoso. 81


Escuela de Ingeniería Mecánica Poder calorífico: Cantidadde calor desprendido al quemar por completo una unidad másica de gasolina de combustible. Potencia efectiva: Es el producto del par motor en el eje del cigüeñal por su régimen de giro. Relación de compresión: Es un digito que permite saber cuánto se a comprimido la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión. Refrigerante: Sustancia encargada de absorber y ceder calor en un sistema de refrigeración, sin perder sus propiedades. Viscosidad: propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Cuanto más resistencia oponen los líquidos a fluir, mas viscosidad poseen Volumen de control: Es el volumen identificable ya sea fijo o deformable donde se presentan tanto el flujo de entrada como el flujo de salida.

82


Escuela de Ingeniería Mecánica

CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO

83


Escuela de Ingeniería Mecánica 3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN.

Descriptiva - experimental.

3.2. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN.

IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA

Efectos que produce la utilización de agua natural como sustituto del refrigerante Vistony 33% en la eficiencia del motor tico

JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA

Reducción de los costos excesivos de mantenimiento tanto en el sistema de refrigeración como en el motor, y la búsqueda de una mayor eficiencia del vehículo

ANÁLISIS Y SÍNTESIS DEL PROBLEMA

Se realizara pruebas experimentales de medición a la entrada y salida del radiador para los refrigerantes antes mencionados posteriormente se desarrollaran modelos matemáticos para ver la influencia en losparámetros indicados del motor

BUSQUEDA DE SOLUCIONES

Se realizara análisis térmico para los dos refrigerantes, y determinar la influencia en los parámetros indicados del motor

EVALUACIÓN DE LA SOLUCIÓN

Nos quedaremos con la alternativa que nos permita reducir costos de mantenimiento, y se logre mejoras en el rendimiento del motor tico.

84


Escuela de Ingeniería Mecánica 3.3. POBLACIÓN Y MUESTRA.

3.3.1. Población:

Motores de combustión interna de 4 tiempos de encendido por chispa de la ciudad de Chiclayo.

3.3.2. Muestra:

Motor F8C de 3 cilindros, modelo Tico marca Daewoo, año 1998.

3.4. HIPOTESIS.

Si utilizamos una mezcla de Agua y refrigerante en

la proporción adecuada,

mejoramos el rendimiento y disminuimos los costos de mantenimiento del Motor Tico.

3.5. VARIABLES Y OPERACIONALIZACIÓN.

Variables:

Variables Independientes

Variables Dependientes Calor evacuado por el sistema de refrigeración

Agua Natural. Potencia efectiva del motor. Rendimiento efectivo del motor. Mezcla de Agua Natural con Refrigerante Vistony 33%. Consumo de combustible. Costos de mantenimiento

85


Escuela de Ingeniería Mecánica Operacionalización de las Variables.

86


Escuela de Ingeniería Mecánica 3.6. MÉTODOS Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN.

Experimentación:

Se ha realizado mediciones de la temperatura del refrigerante a la entrada y salida del radiador del motor tico a plena carga, utilizando como fluidos operantes des sistema de refrigeración Agua Natural y Mezcla Agua Natural con RefrigeranteVistony 33%.

Análisis de documentos:

Búsqueda de material de lectura que nos permita el desarrollo del modelo matemático para poder evaluar el motor Tico y alcanzar los objetivos propuestos.

3.7. DESCRIPCIÓN DE INSTRUMENTOS UTILIZADOS.

Pruebas experimentales de medición de temperatura en el sistema de refrigeración del motor Daewo modelo Tico.

Componentes del sistema. A. Bomba de Líquido Refrigerante:

Tipo de bomba: centrifuga. Diámetro de tubería de succión: 3/8 pulg. Diámetro de tubería de descarga: 3/8 pulg. Flujo másico: RPM:

B. Radiador: Presión de alivio de la tapa: 0.9 kg/cm2 Ordenamiento de los Tubos: Vertical. Tipo de aletas: Serpentín. Material de las aletas: Aluminio 87


Escuela de Ingeniería Mecánica Paso entre tubos a lo ancho: 20.066mm. Área total de transferencia de calor: 4.85 m2

C. Termostato:

Tipo Wax Pallet Temperatura a la que comienza la apertura de la válvula: 82°C. Temperatura de apertura total de la válvula: 95°C.

D. Líquido Refrigerante: Líquido para radiador triple acción –VISTONY 33%-anticongelante, anticorrosivo, antioxidante.

Cuadro 3.1: propiedades de la mezcla Agua Natural – Vistony 33%.

Color Punto de ebullición Punto de congelamiento Densidad Viscosidad Conductividad Térmica Coeficiente de Transferencia de calor
Fuente: www.vistony.com

Verde 130°C -40°C 1045.55 kg/m3 0.0004278506 kg/m.s 0.261 W/m°C 756.6951 W/m2°C

88


Escuela de Ingeniería Mecánica Agua natural.
Cuadro N°3.2: Propiedades del Agua Natural.

Color Punto de ebullición Punto de congelamiento CloruroSulfatos Dureza PH Coeficiente de transferencia de calor Conductividad Térmica
Fuente: Epsel S.A.

Incolora 100°C 0°C 250 ppm 250 ppm 377.2 ppm 6.5-8.5 2374.44 W/m K.
0.673 W/m2°C.

Cuadro N°3.3: Calidad del agua para uso como refrigerante.

Propiedades

Limites

Pruebas ASTM

Cloruro gr/gal (ppm)

2.4 (40) Max.

D512B,D512D,D4327

Sulfato gr/gal (ppm)

5.9 (100) Max.

D516b,D516d,D4327

Dureza total gr/gal (ppm) PH

10 (170) Max 5.5-9.0

D1126b D1293

Fuente: The Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Co .

89


Escuela de Ingeniería Mecánica E. CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN.

ENTRADA DE LIQUIDO REFRIGERANTE

DEPOSITO DE LIQUIDO REFRI.

RADIADOR

TERMOSTATO

BOMBA DE LIQUIDO REFRIGERANTE

BLOQUE DE CILINDROS

CULATA

TERMOSTATO

SALIDA DE LIQUIDO REFRIGERANTE

F. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EXPERIMENTAL. Materiales y herramientas.        Juego de mangueras (superior e inferior) Ø 3/8’’ (2) TEE hierro fundido Ø 3/8’’ (2) reducciones de 3/8’’ a 1/2’’ (2) termómetros MARSH con un rango 0°C-120°C, caratula 2’’, bulbo2’’ (08) abrazaderas 3/8’’ (1/4 gal.) Líquido para radiador triple acción –VISTONY (01) silicona.

90


Escuela de Ingeniería Mecánica 3.8. ANÁLISIS ESTADÍSTICO E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS.

Proceso experimental para obtención de temperaturas.

Las pruebas de medición de temperatura del líquido refrigerante a la entrada y salida del radiador se realizaron en un vehículo DAEWOO modelo TICO del año 1998 en condiciones de operación estable en la ciudad deChiclayo.

Se utilizó un juego de mangueras (superior e inferior) para vehículo TICO, a las cuales se tuvo que hacer una adaptación para colocar un termómetro (calibrado) en cada una de ellas, con el fin de obtener los valores reales de la temperatura del fluido de trabajo.

Previo a las pruebas realizadas se hizo una limpieza del sistema de refrigeración con agua y detergente posteriormente Se realizó un drenaje total del fluido del sistema de refrigeración, luego se desmonto el radiador para sustituir el juego de mangueras acondicionadas para la prueba. 

Utilizando agua como refrigerante:

Una vez montada las mangueras con sus respectivos termómetros, se procedió a llenar el sistema de refrigeración con agua natural utilizada normalmente en la mayoría de vehículos, una vez encendido el motor se verifico fugas en el sistema, asegurándose que se encuentre presurizado. Posteriormente el vehículo se puso en operación por la ciudad a plena carga por un tiempo de dos horas, luego se tomaron lecturas de las temperaturas de la entrada y salida a intervalos de 5 minutos. Arrojando como resultado los siguientes valores.

91


Escuela de Ingeniería Mecánica
Cuadro N°3.4: Resultados de la prueba experimental de medición de temperatura a la entrada y salida del radiador utilizando Agua Natural.

Etapas

Minutos 0

Temperatura a la entrada °C 20 40 70 92 100 100 100

Temperatura A la salida 20 40 70 92 65 65 65

Motor en proceso de calentamiento

Motor caliente
Fuente: Propia

5 10 15 20 120 125



Utilizando Líquido pararadiador triple acción –VISTONY al 33%.

Para esta prueba se utilizó una mezcla de agua con refrigerante en la proporción de 33% respectivamente.

Cuadro N°3.5: Resultados de la prueba experimental de medición de temperatura a la entrada y salida del radiador utilizando mezcla Agua Natural – Vistony 33%.

Etapas

Minutos 0

Temperatura a la entrada °C 20 36 68 84 90 90 90

Temperatura A la salida 20 36 68 84 80 80 80

Motor en proceso de calentamiento

Motor caliente
Fuente: Propia

5 10 15 20 120 125

92


Escuela de Ingeniería Mecánica
Fig. N° 3.1: Evolución de temperaturas medidas de los refrigerantes en la salida del motor Tico en operación.

Fuente: Propia – Matlab 2010.

Fig. N° 3.2: Evolución de temperaturas medidas de los refrigerantes en la entrada del motor Tico en operación.

Fuente: Propia – Matlab 2010.

93


Escuela de Ingeniería Mecánica Temperatura media del refrigerante en el radiador: Según la tesis de Romero Piedrahita Carlos [11] la temperatura media para el refrigerante.
 Como refrigerante Agua Natural.

 Mezcla de agua y refrigerante Vistony 33%

94


Escuela de Ingeniería Mecánica

CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS

95


Escuela de Ingeniería Mecánica 4.1. ANÁLISIS DE LOS PARAMETROS GEOMÉTRICOS DEL VEHICULO DAEWOO MOTOR TICO.

Volumen total desplazado:

Volumen de la cámara de combustión:

Volumen total:

Velocidad Media del Pistón:

Según la ecuación 2.3 se obtienen los siguientes valores:

Cuadro 4.1: Variación de la velocidad mediadel pistón en función de las rpm del motor Tico. RPM Vmp (m/s) Fuente: Propia. 500 1500 2500 3500 4500 5500

1.2

3.6

6

8.4

10.8

13.2

96


Escuela de Ingeniería Mecánica Flujo másico de combustible por ciclo.

Densidad de la carga de admisión:

Masa de la mezcla por ciclo ̇ ̇ ̇

Flujo másico de la mezcla a 5500 rpm: ̇ ̇ ̇ ̇

97


Escuela de Ingeniería Mecánica 4.2. CALOR LIBERADO EN LA COMBUSTIÓN DEL MOTOR TICO MARCA DAEWOO.

El siguiente cálculo resulta muy útil porque nos permite determinar los parámetros que definen las etapas finales de los procesos individuales, introduciendo algunas suposiciones debidamente fundamentadas y utilizando coeficientes experimentales, que nos permiten determinar la variación de la presión y temperatura.

Parámetros iniciales del motor:

Ne = 30 kW N = 5500 rpm Z= 3 rc =9.3 Del combustible:

C = 0.885 H = 0.145 Hu= 44 MJ/kg 

Cantidad teórica de aire necesaria para la combustión de 1 kg de combustible.

(

)

(

)

O también en kmol:

(

)

98


Escuela de Ingeniería Mecánica ( )



Cantidad real de aire que participa en la combustión de 1 kg de combustible para α = 0.9.

O también en kmol:

Cantidad total de mezcla fresca:



Cantidad de cada uno de los componentes de los productos de la combustión y su suma; asumiendo k=0.5

99


Escuela de Ingeniería Mecánica

Cantidad total de los productos de la combustión M2:

El incremento del volumen es:

100


Escuela de Ingeniería Mecánica

Coeficiente teórico de variaciónmolecular:



Parámetros del proceso de admisión: adoptamos que el incremento de la temperatura es de 15sC y la temperatura de los gases residuales 1050 K, y la presión de los gases residuales 0.12 MPa.

El coeficiente sumario que considera la amortiguación de la velocidad y la resistencia del sistema de admisión, referido a la sección de la válvula de la carga en la sección de la válvula . y la velocidad

Presión al final de la admisión:

Coeficiente de gases residuales:

101


Escuela de Ingeniería Mecánica Temperatura al final de la admisión:

Cálculo del rendimiento volumétrico:



Parámetros del proceso de compresión: se usara como exponente politrópico de compresión n1=1.34. Presión al final de la compresión (Pc):

Temperatura al final de la compresión (TC):

102


Escuela de Ingeniería Mecánica



Parámetros al final del proceso de combustión:

Coeficiente real (µr):

Calor no desprendido por defecto de la combustión incompleta cuando α˂1.

Ecuación de combustión para motores de carburador, para α˂1. [ ]

Asumimos un coeficiente de aprovechamiento de calor

.

La energía interna de 1mol de mezcla fresca al final del proceso de compresión es:

103


Escuela de Ingeniería Mecánica Donde (KJ/kmolsC). es el calor especifico de la mezcla fresca a la temperatura

Asumimos que el calor específico de la mezcla fresca es igual al calor específico del aire:

Para la temperatura

el valor de

La energía interna de 1 mol de productos de combustión al final del proceso de combustión es:

Dondees el calor especifico de los productos de la combustión al final del

proceso de compresión.

El calor específico de la mezcla es igual a la suma que resulta de multiplicar cada uno de los componentes de los productos de la combustión por sus fracciones volumétricas. Para la composición química elemental del combustible siendo α = 0.9.

∑

104


Escuela de Ingeniería Mecánica

La energía interna de los productos de la combustión para

seria:

Reemplazando tenemos:

Entonces:

Admitiendo que para la variación de la temperatura la energía interna varia linealmente la temperatura seria (ver anexoE-3).

El calor se calcula por la siguiente ecuación:

̇ ̇ ̇

̇

105


Escuela de Ingeniería Mecánica 4.3 CONSTRUCCIÓN DEL CICLO INDICADO DEL MOTOR TICO MODELO DAEWOO.

fig. N°4.1 configuración de las variables para la construcción del ciclo Del motor

Fuente: Propia

106


Escuela de Ingeniería Mecánica

Cuadro N° 4.2 Datos calculados para el proceso de compresión

ITEM

CARRERA (mm)

PRESION DE COMPRES. P(X) MPA 1 1.013 1.025 1.039 . . . 9.031 0.086 0.087 0.089 0.09 . . . 1.699

1 2 3 4 . . . 72
Fuente: Propia

80.674 79.674 78.674 77.674 . . . 8.674

Presión al final de la combustión:

Presión al final de la expansión. ( )

107


Escuela de Ingeniería Mecánica

Cuadro N°4.3 Datos calculados para el proceso de expansión

ITEM

CARRERA (mm)

PRESION DE EXPAN. P(ZX) MPA 1 1.013 1.025 1.039 . . . 9.031 0.401699 0.408 0.414 0.421 . . . 6.38

1 2 3 4 . . . 72
Fuente: Propia

80.67479.674 78.674 77.674 . . . 8.674

Fig: N°4.2 Ciclo indicado del motor tico marca Daewoo Diagrama P-V

Fuente: propia-Matlab

108


Escuela de Ingeniería Mecánica 4.4. ANÁLIS TÉRMICO DEL RADIADOR DEL VEHICULO DAEWOO. MODELO TICO. Cálculo del calor evacuado por radiador del motor Daewoo Modelo tico. A. Parámetros geométricos del radiador.
Fig, N°4.3: Corte Trasversal del Radiador Motor Tico Fig. N°4.4 Vista Frontal del Radiador del Motor Tico

Fuente: Propia.

Fuente: Propia.

Cuadro N°4.4 Parámetros Geométricos de Entrada del Radiador Del Motor Daewoo Modelo Tico

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS ANCHO DEL RADIADOR ALTO DE RADIADOR VOLUMEN DEL RADIADOR DIÁMETRO INTERNO DEL TUBO DIÁMETRO EXTERNO DEL TUBO NÚMERO DE TUBOS (Nt) ANCHO DE ALETAS LARGO DE ALETAS NUMERO DE ALETAS CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Fuente: Propia.

UNIDAD [mm] [mm] [m3] [mm] [mm] [mm] [mm] [w/m°c]

VALOR 3550 3775 0.0033 7.4 9.4 36 33.4 335 207 204

109


Escuela de Ingeniería Mecánica A.1 Área de flujo libre lado refrigerante:
Fig. N°4.5: Diámetros externo e interno De la tubería del radiador. Fig. N°4.6: área libre del refrigerante

Fuente: Propia.

Longitud de circunferencia (Lc.) está dado por:

Área de flujo libre del refrigerante por tubo:

Área de transferencia de calor lado refrigerante del radiador:

110


Escuela de Ingeniería Mecánica A.2) Área de flujo libre lado aire:

Fig. N°4.7: Área de flujo libre basado en el Lado externo del tubo.

Fuente: Propia.

Longitud de circunferencia basada en el diámetro externo del tubo:

Área deflujo libre lado aire por tubo:

Área total de flujo libre lado aire basada en los tubos del radiador:

111


Escuela de Ingeniería Mecánica Área de transferencia de calor por las aletas:

Área de flujo libre total lado aire:

Cuadro N°4.5: Parámetros Geométricos Calculados del Radiador Del Motor Daewoo Modelo Tico.

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS ÁREA DE FLUJO DE REFRIGERANTE/TUBO ÁREA DE FLUJO DE REFRIGERANTE TOTAL ÁREA DE FLUJO LADO AIRE/TUBO ÁREA DE FLUJO LADO AIRE TOTAL DE TUB ÁREA DE TRANSF. CALOR POR ALETAS
Fuente: Propia.

UNIDAD [m2] [m2] [m2] [m2] [m2]

VALOR 8.4444*a€–10a€—^(-3) 0.304 3.2483*a€–10a€—^(-5) 0.219 4.6336

B) Cálculo de los flujos másicos:
Cuadro N°4.6: Propiedades Termofluídicas y Parámetros Adimensionales Del Refrigerante (Agua Natural) a temperatura media de 62.5°C.

PROPIEDADES FISICAS DE LOS FLUIDOS DENSIDAD DEL AGUA CALOR ESPECÍFICO DEL AGUA NÚMERO DE PRANDTL DEL AGUA VISCOSIDAD DINÁMICA DEL AGUA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL AGUA
Fuente: Transferencia de Calor-HOLMAN.

UNIDAD Kg/m3 [KJ/Kg °c] [Kg/m S] [W/m°c]

VALOR 970.2 3.41 2.16 3.47 0.673

112


Escuela de Ingeniería Mecánica
Cuadro N°4.7: Propiedades Termofluídicas y Parámetros Adimensionales Del Refrigerante (67% de Agua Natural y33% de vistony ) A temperatura media de 85°C.

PROPIEDADES FISICAS DE LOS FLUIDOS DENSIDAD DEL REFRI. VISTONY al 25%. CALOR ESPECÍFICO DEL REFRI. VISTONY al 25%. NÚMERO DE PRANDTL REFRI.VISTONY al 25%. VISCOSIDAD DINÁMICA VISTONY al 25%. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA VISTONY al 25%.
Fuente: Transferencia de Calor-HOLMAN.UNIDAD Kg/m3 [KJ/Kg °c] [Kg/m S] [W/m°c]

VALOR 1045.55 2.656 32.4 0.000427851 0.261

Cuadro N°4.8: Propiedades Termofluídicas y Parámetros Adimensionales Del aire a temperatura promedio de 30°C.

PROPIEDADES FISICAS DE LOS FLUIDOS DENSIDAD DEL AIRE CALOR ESPECÍFICO DEL AIRE NÚMERO DE PRANDTL DEL AIRE VISCOSIDAD DINÁMICA DEL AIRE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL AIRE
Fuente: Transferencia de Calor-HOLMAN.

UNIDAD Kg/m3 [KJ/Kg °c] [Kg/m S] [W/m°c]

VALOR 1.1774 1.0057 0.7191 0.0000202 0.02624

Cantidad de calor que se debe evacuar al amiente a través del sistema de refrigeración.

B.1 flujo másico del aire: Caudal volumétrico de aire que pasa por la sección trasversal del radiador:

113


Escuela de Ingeniería Mecánica

(

)

Flujo másico de aire que pasa a través del radiador: ̇ ̇

̇ ̇

B.2) Flujo másico del refrigerante.

Reemplazando 2 en 1 tenemos:

114


Escuela de Ingeniería Mecánica

Flujo másico del refrigerante para 5500 r.p.m

B.4) Capacidad térmica del refrigerante (agua natural).

B.5) Capacidad térmica del refrigerante (Agua Natural y Vistony 33%).

B.5) Capacidad térmica del aire.

115


Escuela de Ingeniería Mecánica
Cuadro N°4.9: Parámetros de Flujo Calculado de los Fluidos de Trabajo.

PARÁMETROS DE FLUJO DE LOS FLUIDOS CAUDAL VOLUMÉTRICO DE AIRE CAUDAL MÁSICO DE AIRE CAUDAL VOLUMÉTRICO DE REFRIGERANTE CAUDAL MÁSICO DE REFRIGERANTE CARGA TÉRMICA DE DISEÑO A EVACUAR EL SISTEMA
Fuente: Propia.

UNIDAD [M3/S] [Kg/H] [M3/S] [Kg/S] [KW]

VALOR 1.9423 8233 a€–5.6291*10a€—^(-5) 7276.4623

C). Cálculo de Temperaturas de los Fluidos. Para determinar el valor de las temperaturas se realizaron mediciones en las mangueras superior e inferior del radiador. Para el caso del aire se utilizaron las ecuaciones de conservación de la energía como se muestra a continuación.
Fig N° 4.8 Esquema de medición de temperaturas en el refrigerante.

Fuente: Propia.

En el esquema mostrado se considera como temperatura de entrada del refrigerante al radiador, el valor medido por el termómetro 1, y como temperatura de salida del refrigerante se toma el valor medido por el termómetro 2. Según el experimento hecho el motor tico se tiene.

116


Escuela de Ingeniería Mecánica
Cuadro N°4.10: Temperaturas de Entrada y Salida del Radiador para los Refrigerantes Agua natural y la Mezcla de Agua Natural y Vistony al 33%.

TEMPERATURAS DE LOS FLUIDOS DE TRABAJO TEMPERATURA DE ENTRADA DEL AGUA TEMPERATURA DE SALIDA DEL AGUA TEMPERATURA DE ENTRADA REFRI.(VISTONY 25%) TEMPERATURA DE SALIDA REFRI(VISTONY 25%)
Fuente: Propia

UNIDAD °C °C °C °C

VALOR 100 65 90 80

C.1) temperatura de salida de aire utilizando agua natural como refrigerante.

(

)(

)

C.2) temperatura de salida de aire utilizando refrigerante VISTONY al 25%.

(

)(

)

Cuadro N°4.11: Temperaturas de entrada y salida del aire según el refrigerante.

TEMPERATURAS DE LOS FLUIDOS DE TRABAJO TEMPERATURA DE ENTRADA DEL AIRE (AGUA) TEMPERATURA DE SALIDA DEL AIRE (AGUA) TEMPERATURA DE ENTRADA AIRE(VISTONY 25%) TEMPERATURA DE SALIDA DEL AIRE (VISTONY 25%)Fuente: Propia.

UNIDAD °C °C °C °C

VALOR 20 72 20 65.5

117


Escuela de Ingeniería Mecánica D) Cálculo del número de reynolds: D.1) Reynolds para el refrigerante (agua natural): ( ( ) ( ) ( ) )

D.2) Reynolds para el refrigerante (VISTONY 25%): ( ( ) ( ) ( ) )

D.3) Reynolds para el fluido frio aire:

Diámetro hidráulico del área transversal del radiador:

Flujo másico por unidad de área:

118


Escuela de Ingeniería Mecánica Reynolds para el fluido frio aire:

E) Cálculo del número de Nusselt:

E.1) Número de Nusselt para el refrigerante (agua natural).

E.2) Número de Nusselt para el refrigerante (VISTONY 25%).

F). Cálculo del coeficiente unitario de película de los fluidos de trabajo:

F.1) Coeficiente unitario de película del refrigerante (agua natural):

119


Escuela de Ingeniería Mecánica F.2) Coeficiente unitario de película del refrigerante (VISTONY 25%):

F.3) Coeficiente unitario de película para el fluido frio aire:

Según la gráfica 10-19 HOLMAN hallamos la siguiente STATON-PRNADTL: St. Pr2/3

Cuadro N°4.12: Parámetros Adimensionales y Coeficientes Unitarios De Película Calculados de los Fluidos de Trabajo.

PARÁMETRO NÚMERO DE REYNOLDS REFRIGERANTE (AGUA NATU.) NÚMERO DE REYNOLDS REFRIGERANTE (VISTONY 25%) NÚMERO DE REYNOLDS PARA EL AIRE NÚMERO DE NUSSELT REFIGERANTE (AGUA NATURAL) NÚMERO DE NUSSELT REFIGERANTE (VISTONY 25%) STATON - PRANDTL PARA EL AIRE COEFICIENTE UNITARIO DE PELÍCULA (AGUA NATURA) COEFICIENTE UNITARIO DE PELÍCULA (VISTONY 25%) COEFICIENTE UNITARIO DE PELÍCULA PARAEL AIRE
Fuente: Propia.

UNIDAD

[w/m2°c] [w/m2°c] [w/m2°c]

VALOR 5840.5376 4743.004469 6554.3 29.86 56.98153 0.0045 2374.44 1756.6951 222.92

120


Escuela de Ingeniería Mecánica G) Eficiencia de la superficie extendida:

w=Aa/Ac.u*Na.

Asumimos una eficiencia de 0.8 para las aletas:

H) Evaluación de las resistencias.

H.1) Resistencia convectiva del refrigerante (utilizando agua natural). Factor de Corrección debido al ensuciamiento de la tubería = 0.7

H.2) Resistencia convectiva del refrigerante (VISTONY 25%).

121


Escuela de Ingeniería Mecánica H.3) Resistencia conductiva debido al material.

( (

) )

H.4) Resistencia convectiva debido al aire ambiente.

I)

Calor transferido al ambiente.

I.1) Calor transferido al ambiente (Agua Natural).

∑

I.2) Calor transferido al ambiente (VISTONY 25%).

122


Escuela de Ingeniería Mecánica
Cuadro N°4.13: Calor transferido al ambiente.

PARÁMETRO RESISTENCIA CONV. REFRI.(AGUA NATURA) RESISTENCIA CONV. REFRI.(VISTONY 25%) RESISTENCIA POR CONDUCCION RESISTENCIA CONV. AIRE AMBIENTE CALOR TRANSFERIDO (AGUA NATURAL) CALOR TRANSFERIDO (VISTONY 25%)
Fuente: Propia.

UNIDAD °C/W °C/W °C/W °C/W W W

VALOR 0.001923068 0.002068048 1.6328*(10)-5 0.00114127 25968.4107 18632.30174

Análisis calor extraído por el sistema de refrigeración utilizando agua natural y mezcla agua-vistony 33% según las r.m.p. del motor.
Cuadro N°4.14: Calores evacuados y números adimensionales del sistema De refrigeración calculados en función de las r.p.m.

PARÁMETROS1500
Torque (N.m) Carga térmica (KW) Flujo másico del aire de refrigeración (Kg/S) Flujo másico del refrigerante (Kg/S) Reynolds para el agua Reynolds para mezcla aguavistony 33% Reynolds para el fluido frio- aire Nusselt para el agua Nusselt para la mezcla aguavistony 33% Coeficiente unitario de película agua Coeficiente unitario de película para vistony Coeficiente unitario de película del aire Calor extraído por el agua (KW) Calor extraído por mezcla aguavistony 33% (KW)

RPM 2500 52.063 11.797 1.173 0.916 2646.9 2146.7 3575 15.858 30.109 1255 928.25 102.02 12.798 9.2439 3500 52.085 15.609 1.553 1.283 3706.6 3005.5 4451 20.757 39.409 1642.7 1214.9 141.540 17.1142 12.32 4500 52.075 19.418 1.932 1.649 4764.4 3864.1 5537 25.379 48.185 2008.5 1485.5 180.181 21.2314 15.2448 5500 52.087 23.885 2.28 2.02 5840 4743 6554 29.869 56.98 2374.41 1756.4 222.92 25.968 18.632

52.075 7.988 0.795 0.55 1588 1288 2278 10.538 20.008 834.0036 616.84 68.99 8.566 6.1825

Fuente: propia.

123


Escuela de Ingeniería Mecánica 4.5. BALANCE TÉRMICO DE MOTOR TICO MARCA DAEWOO. 

Utilizando como refrigerante agua natural.
Fig.4.9: Balance Térmico del Motor Tico Utilizando Agua Natural Como Refrigerante

Fuente: Propia

Calor liberado por el combustible

.

Calor evacuado por el refrigerante utilizando agua natural (

).

Calor evacuado por los gases de escape, según Heywood está en el rango de 34 – 45% del calor total. 124


Escuela de Ingeniería Mecánica

Perdidas e calor no incluidas en los demás componentes (

).

Calor equivalenteal trabajo efectivo del motor (

) utilizando agua natural.



Utilizando mezcla de agua natural y refrigerante Vistony 33%.

Fig.4.10: Balance Térmico del Motor Tico Utilizando Mezcla Agua Natural Y Refrigerante Vistony 33%.

Fuente: Propia

Calor evacuado por el refrigerante utilizando VISTONY 33%.

125


Escuela de Ingeniería Mecánica Calor equivalente al trabajo efectivo del motor ( ) utilizando VISTONY 33%.

4.6. PARÁMETROS INDICADOS DEL MOTOR TICO:

Cuadro N°4.15: Parámetros indicados del motor tico Calculados en función de las r.p.m.

PARAMETROS INDICADOS 1500
Potencia indicada (kw) Potencia efectiva según balance térmico -agua Potencia efectiva balance térmico visony33% Eficiencia efectiva utilizando como refr. agua Eficiencia térmica utilizando vistony 33% Cosumo horario de combustible (g/h) Consumo esp. de combus. agua (g/Kw.h) Consumo esp. de combus. vistony (g/Kw.h) Fuente: propia

RPM 2500 41.467 9.2927 12.839 0.2241 0.3096 876.37 365.1 264.27 3500 58.054 13.6544 18.44 0.235 0.3176 1226.92 348.16 257.6 4500 74.641 18.3283 24.3149 0.2455 0.3257 1577.47 333.27 251.2 5500 91.228 22.437 29.773 0.2678 0.3263 1928.05 305.5 250.74

24.88 4.6268 7.0039 0.1859 0.2815 525.82 440.11 290.65

126


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Fig. 4.11 Evolución del flujo másico del aire y refrigerante En función de rpm

Fuente: Propia-Matlab

En la figura 4.11 se muestra la evolución del flujo másico en función a las revoluciones del motor. La tendencia de las gráficas muestra que a mayor potencia aumentan el flujode aire y refrigerante, debido a que hay una mayor carga térmica a evacuar por el sistema de refrigeración para mantener las temperaturas de operación del motor en el rango indicado.

127


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Fig.4.12 Evolución del flujo másico del aire y refrigerante En función de la carga térmica

Fuente: Propia-Matlab

En la figura 4.12 se muestran que a medida que aumenta la carga térmica, debido a un mayor consumo de potencia, es necesario tener mayores flujos másicos de aire y refrigerante con la finalidad de mantener las temperaturas de trabajo (80°C a 113°C [1]), y garantizar la operación dentro de los parámetros de diseño del motor

128


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Fig.4.13 Calor extraído por los refrigerantes agua natural y Mezcla agua – vistony 33% en función rpm

Fuente: Propia-Matlab

En la figura 4.13 se muestra que utilizando agua natural como fluido operante en el sistema de refrigeración, extrae mayor calor que la mezcla agua – vistony 33%, en un promedio de 4.81 KW, todo esto a que el agua natural posee un coeficiente unitario de películas más elevado que la mezcla agua – vistony 33%.

129


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Fig.4.14 Variación de la potencia efectiva utilizando como refrigerantes Agua natural y mezcla agua – vistony 33% en función rpm

Fuente: propia-Matlab

En la figura 4.14 se muestra la variación de las potencias efectivas, que se va incrementando de acuerdo a la carga del motor; se observa que al utilizar como refrigerante mezcla de agua – vistony 33% , obtenemospotencias más cercanas a los valores estipulados en el catalogo por el fabricante. Mientras que utilizando agua natural como refrigerante se obtiene potencias por debajo de las de diseño en un promedio de 4.8KW.

130


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Fig.4.15 Variación del consumo especifico de combustible utilizando Agua natural y mezcla agua – vistony 33% en función rpm.

Fuente: Propia-Matlab

En la figura 4.15. Se observa que utilizando un mismo combustible y como fluido operante mezcla agua – vistony 33%, el consumo especifico de combustible se mantiene dentro del rango estipulado para motores Otto (250 g/KWh - 325 g/KWh [ ] ); utilizando agua como refrigerante tenemos un aumento de consumo de combustible debido a la cantidad de calor extraído por el sistema de refrigeración.

131


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Fig.4.16 Eficiencia efectiva utilizando. Agua natural y mezcla agua – vistony 33% en función rpm.

Fuente: Propia-Matlab

En la figura 4.16

muestra que la utilización del refrigerante agua – vistony 33%,

representa un mejor aprovechamiento térmico, acercándonos a los valores de eficiencia de diseño.

132


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CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

133


Escuela de Ingeniería Mecánica 5.1. CONCLUSIONES: 1. Para el desarrollo de este trabajo se utilizó modelos globales de transferencia de calor y termodinámica clásica para el análisis del sistema de refrigeración, tomando en cuenta los valores reales de temperatura del refrigerante a la entrada y salida delmotor, así como también se ha empleado la solución de las ecuaciones

diferenciales del ciclo real de trabajo del motor para obtener los parámetros promedios de cada uno de los procesos. Estos modelos no se emplean para describir los efectos transitorios de la transferencia de calor, de modo que se han propuesto para evaluar la transferencia de calor en condiciones estacionarias; y son por lo tanto apropiados para simular el ciclo del motor y predecir las prestaciones globales del mismo como la potencia efectiva, el consumo de combustible, las pérdidas totales de calor, la carga térmica del motor o la temperatura de los gases de escape.

2. Las diferencias de extracción de calor en el sistema de refrigeración, utilizando como refrigerantes agua natural y mezcla de agua natural – vistony al 33% es de 2.3 KW a bajas revoluciones y 7.3 KW a altas revoluciones. Por lo que se concluye que la diferencia se va incrementando de acuerdo a la velocidad de giro del motor 3. De acuerdo al análisis térmico realizado utilizando agua como fluido refrigerante en el motor Tico marca Daewoo, se obtuvo que el calor evacuado en el sistema de refrigeración tiene un valor de 25.9 KW (28.3% de la potencia indicada) , a su máxima potencia, mientras que utilizando como fluido refrigerante mezcla de agua – vistony al 33% se obtuvo 18.6 KW (20.4% de la potencia indicada); encontrándose dentro del rango (17%-26% de la potencia indicada [ 1 ]) según la literatura para motores de combustión. 4. La potencia efectiva máxima obtenida según el balance térmico, utilizandoagua como fluido refrigerante en el sistema de refrigeración es de 22.437 KW a 5500 rpm. Mientras que utilizando como fluido refrigerante mezcla de agua – vistony al 33% se obtiene 29.77 KW a 5500 rpm. Valor que es muy cercano al especificado por el fabricante (30KW a 5500 rpm según el catalogo del motor tico marca Daewoo).

134


Escuela de Ingeniería Mecánica 5. El consumo especifico de combustible del motor Tico marca Daewoo utilizando agua como fluido refrigerante del sistema de refrigeración es de 440.11 g/KW-h a 1500 rpm. – 305.5g/KW-h a 5500 rpm, asi mismo utilizando como fluido refrigerante mescla de agua – vistony al 33% se obtiene 290.65 g/KW-h a 1500 rpm – 250.74 g/KW –h a 5500 rpm, encontrándose dentro del rango recomendado según literatura de motores de combustión (250 g/KWh - 325 g/KWh [ 17 ] ) 6. El uso del refrigerante agua – Vistony al 33% es favorable respecto a uso del agua natural, debido al mejor aprovechamiento del calor, obteniendo una diferencia promedio en potencia de 4.8 KW. Obteniendo parámetros de operación cercanos a los especificados según el fabricante. 7. Desde el punto de vista económico se concluye que el uso del refrigerante agua – Vistony al 33%, es favorable debido a que tiene un mejor aprovechamiento térmico mejorando relativamente la potencia efectiva y respecto al uso de agua como refrigerante. 8. Desde el punto de vista ambiental se concluye que el uso de la mezcla aguaVistony al 33% como refrigerante, es favorable, debido a que se logra una mejora relativa del consumo específico de combustiblerespecto al uso de agua como refrigerante. consumo de combustible con

135


Escuela de Ingeniería Mecánica 5.2 . RECOMENDACIONES. 1. Se recomienda el uso de la mezcla agua – Vistony al 33%, porque se logra una mejora relativa en la eficiencia del motor con respecto al uso del agua como refrigerante, por su aporte al medio ambiente y economía debido a los menores consumos de combustible.

2. Usar mezcla agua- Vistony al 33% para evitar costos de mantenimiento excesivos debido a sus propiedades anticongelantes y anticorrosivas, manteniendo en condiciones adecuadas los elementos del sistema de refrigeración del motor. 3. Para obtener resultados con mayor precisión se recomienda realizar estudios multidimensionales debido a que su formulación se basa en la conservación de la masa y energía en cualquier punto del sistema, en cualquier instante del tiempo, en este modelo las variables independiente son las coordenadas espaciales y el tiempo, gobernadas por un sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Utilizando estos modelos se pueden obtener resultados detallados del campo de velocidades, de temperaturas y composiciones dentro del cilindro. 4. Se recomienda validar estos resultados mediante el análisis por software, debido a la precisión de estos y realizar pruebas experimentales de los parámetros indicados del motor.

136


Escuela de Ingeniería Mecánica BIBLIOGRAFÍA: [1] HEYWOOD John B. “Internal Combustion Engine fundamentals”, 2 da Edición, Mc Graw Hill, 1988, Unites States. [2] WOSCHNI G. A. “Universally ApplicableEquation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the I. C. Engine.” [3] BORMAN Y NISHIWAKI “Internal Combustion Engine Heat Transfer Energy Combustion Sciences” 1987. [4] BOHAC SV “Global Model for Steady-State and Transient S.I. Engine Heat Transfer Studies” mencionada en la tesis de PIEDRAHITA Carlos [10]

Progress in

[5] Mencionada en la tesis [10]

[6] Mencionada en la tesis [10] [7] W. M. Kays and A. L. London, “Compact Heat Exchangers”, 3tha edition, 1984. [8] T.R. Lahvic “Investigation of Engine Heat Rejection” Agosto 1986, (citado por

ROMERO PIEDRAHITA Carlos [5]). [9] C.A. Mesa. “The Engine Cooling System Livonia”, 4tha edition, 1997. [10] PIEDRAHITA ROMERO Carlos y CARRANZA SÁNCHEZ Yamid “Evaluación de la Capacidad Térmica de un Radiador”, Universidad Tecnológica de Pereira, 2007, Colombia. [11] ROMERO PIEDRAHITA Carlos, “Contribución al Conocimiento del

Comportamiento Térmico y la Gestión Térmica de los Motores de Combustión Interna Alternativos”, Valencia-España, Mayo 2009. [12] J. P. Holman “Transferencia de Calor” 8ava. Edición, Mc Graw Hill, 1998, España.

137


Escuela de Ingeniería Mecánica [13] INCROPERA Frank, DE WIT T David “Fundamento de Transferencia de Calor” 4tha Edición, Prentice Hall, 1999, México. [14] RAKOPOULOS, CD “The Influence of the Exhaust System Unsteady Gas Flow and Insulation on the Performance of a Turbocharged Diesel Engine. Heat Recovery System. (Mencionada en la tesis de PIEDRAHITA Carlos [10]). [15] TORREGROSA A.J. “Assessment of the Influence of the Different SystemConfigurations on Engine”. (Mencionada en la tesis PIEDRAHITA Carlos [10]). [16] JARRIER L. Y GENTILE D. “Diesel Engine: Experiment and Modeling. [17] M. S. Jóvaj “Motores de Automovil”,Editorial Mir, 1982, Rusia. [18] MATAIX Claudio “Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas”, 2 da edición, Editorial mexicana, 1982, México. [19] CURTO RISO Pedro. “Simulación Numérica y Modelización Teórica de un Ciclo tipo Otto Irreversible. SAE”

PAGINAS WEB.

[20] https://www.sabelotodo.org/automovil/refrigliquida.html

[21] https://www.sabelotodo.org/automovil/refrigliquida.html

[22] https://www.intrapperu.org/

138


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ANEXOS

139


Escuela de Ingeniería Mecánica ANEXO A. Resultado de las pruebas experimentales de medición de temperatura utilizando agua natural como refrigerante del sistema de refrigeración del motor Tico modelo Daewoo en su ciclo de trabajo.

Minutos
Motor en proceso de calentamiento

Motor caliente
Fuente: Propia

0 5 10 15 20 120 125

Temperatura a la entrada °C 22 40 70 92 100 100 100

Temperatura A la salida 22 40 70 92 65 65 65

ANEXO B: resultado de las pruebas experimentales de medición de temperatura utilizando como refrigerante mezcla de agua – vistony al 33% del sistema de refrigeración del motor Tico modelo Daewoo en su ciclo de trabajo.

Minutos 0 5 10 15 20 120 125

Motor en proceso de calentamiento

Motor caliente
Fuente: Propia.

Temperatura a la entrada °C 22 36 68 84 90 90 90

Temperatura A la salida 22 36 68 84 80 80 80

140


Escuela deIngeniería Mecánica ANEXO C. Ficha técnica de termómetros March utilizados en las pruebas experimentales de medición de temperaturas del refrigerante.

141


Escuela de Ingeniería Mecánica

142


Escuela de Ingeniería Mecánica ANEXO D. Material fotográfico del experimento de medición de temperaturas del refrigerante del motor Tico modelo Daewoo.

Foto N°01 materiales utilizados

Fuente: Propia

Foto N°02 termómetros MARSH con un rango 0°C-120°C, Caratula 2’’, bulbo2’’

Fuente: Propia

143


Escuela de Ingeniería Mecánica

Foto N°03 mangueras acopladas con termómetros.

Fuente: Propia

Foto N°4instalacion de manguera al radiador.

Fuente: Propia

144


Escuela de Ingeniería Mecánica

Foto N°05 sistema de medición instalado.

Fuente: Propia

Foto N°06 lectura del termómetro a la entrada del radiador Motor en proceso de calentamiento. Utilizando agua Como refrigerante

Fuente: Propia

145


Escuela de Ingeniería Mecánica

Foto N°07 lectura del termómetro a la entrada del radiador Motor a plena carga utilizando agua como Refrigerante.

Fuente: Propia

Foto N°08 lectura del termómetro a la salida del radiador Motor en proceso de calentamiento. Utilizando agua Como refrigerante.

Fuente: Propia

146


Escuela de Ingeniería Mecánica

Foto N°09 Líquido para radiador triple acción –VISTONY al 33%

Fuente: Propia

Foto N°10 lectura del termómetro a la entrada del radiador Motor a plena carga utilizando Líquido para radiador Triple acción –VISTONY

Fuente: Propia

147


Escuela de IngenieríaMecánica

Foto N°11 lectura del termómetro a la salida del radiador Motor a plena carga utilizando Líquido para radiador Triple acción –VISTONY al 33%

Fuente: Propia

148


Escuela de Ingeniería Mecánica ANEXO E. Tablas de la composición química de la gasolina, calores específicos ey energía interna de los gases de la combustión.

1. Composición química de la gasolina.

Fuente: Jóvaj [17]

149


Escuela de Ingeniería Mecánica 2. Calor especifico molar medio de los gases de combustión a V= cte.

Fuente: Jóvaj [17].

150


Escuela de Ingeniería Mecánica 3. Calor especifico de los productos de la combustión en KJ/Kmol°C.

Fuente: Jóvaj [17].

151


Escuela de Ingeniería Mecánica 4. Energía interna de los productos de la combustión en MJ/Kmol.

Fuente: Jóvaj [17].

152


Escuela de Ingeniería Mecánica ANEXO E. Propiedades físicas de algunos refrigerantes utilizados en motores de combustión interna.

153


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154


Escuela de Ingeniería Mecánica Presentación del producto en el mercado del refrigerante vistony

Color Punto de ebullición Punto de congelamiento Densidad Viscosidad Conductividad Térmica Coeficiente de Transferencia de calor
Fuente: www.vistony.com

Verde 130°C -40°C 1045.55 kg/m3 0.0004278506 kg/m.s 0.261 W/m°C 756.6951 W/m2°C

155


Escuela de Ingeniería Mecánica Datos de las propiedades físicas y de seguridad del etilenglicol puro.

156


Escuela de Ingeniería Mecánica Propiedades físicas del agua en función de la temperatura.

157


Escuela deIngeniería Mecánica ANEXO F. Fórmulas para el cálculo de propiedades físicas de una mezcla.

1. Viscosidad:

Para la mezcla:

Para obtener la viscosidad de la mezcla se usa la siguiente fórmula:

[∑ Dónde: : es la viscosidad de la mezcla (Kg/m.s). : es la viscosidad de cada compuesto. : es la viscosidad de cada de compuesto.

]

2. Capacidad calórica: Para la mezcla. Para obtener la capacidad calórica de la mezcla se usa la siguiente fórmula:

∑

: Capacidad calórica de la mezcla. : Capacidad calórica del componente i. : Fracción molar del componente i.

158


Escuela de Ingeniería Mecánica 3. Conductividad térmica. Para la mezcla. Para obtener la conductividad térmica de la mezcla se usa la siguiente fórmula: ∑ Dónde: : Conductividad térmica de la mezcla (W/m°K). : Conductividad térmica del componente i. : Fracción molar del componente i.

4. Temperatura de ebullición. Para calcular la temperatura de ebullición de una mezcla se debe cumplir la siguiente igualdad: ∑ : Coeficiente de equilibrio a una presión y temperatura dada. : Fracción molar del compuesto i. La temperatura viene a ser la variable para la cual se cumple la igualdad.

5. Densidad.

Está dado por:

159


Escuela de Ingeniería Mecánica Densidad de la sustancia 1. Densidad de la sustancia 2. Volumen de la mezcla 1. Volumen de la mezcla 2.

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Escuela de Ingeniería Mecánica ANEXO G. Datos generales del motor Tico marca Daewoo.

Fuente: Manual Daewoo.

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