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UNIVERSIDAD AUTNOMA CHAPINGO

DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA AGRCOLA

ASIGNATURA: MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

CLCULO DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

Autor:

Jos Ramn Soca Cabrera

Chapingo, Mxico, 2009

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CLCULO DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

INTRODUCCIN

La tendencia mundial en el incremento de la potencia de los motores de combustin interna da lugar al crecimiento en la cantidad de calor que se transfiere al sistema de enfriamiento de los motores.

La eficiencia del sistema de refrigeracin por lquido se eleva con el aumento de la circulacin del lquido, su temperatura mxima y por la cantidad de calor disipado en el radiador por la unidad de rea del mismo. La eficiencia se mide por la potencia que se utiliza para accionar la bomba y el ventilador, principalmente, as como por ndices dimensionales y msicos.

La eficiencia del sistema de refrigeracin por aire se evala por la uniformidad de la temperatura de trabajo en las paredes de los cilindros y la cabeza, tanto en direccin radial como longitudinal, as como por el consumo de potencia para accionar los ventiladores y sus dimensiones exteriores.

Los principales parmetros de diseo del sistema se establecen para el rgimen ms peligroso, cuando el vehculo se mueve entre 12 y 15 m/s y a elevadas temperaturas del medio ambiente (de 40 a 50 0C.

Se plantea en la literatura especializada que alrededor del 95% de los vehculos trabajan sobreenfriados ms del 90% del tiempo, por ello es fundamental que los motores utilicen el termostato y otros dispositivos automticos que permiten la adecuada temperatura de trabajo, segn indique cada fabricante.

La presente gua establece la metodologa de clculo de los parmetros principales del sistema de enfriamiento de los motores y tiene como objetivo fundamental interrelacionar los elementos del diseo con los indicadores tcnicoexplotativos de esta fuente de energa.

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1. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LQUIDO.

1.1 Esquema principal del sistema.

El trabajo extraclase sobre el sistema de enfriamiento comienza con el dibujo del sistema o su esquema fundamental a partir del motor prototipo.

En la figura 1 se muestra un esquema del sistema de enfriamiento por lquido bajo el principio de conveccin o termosifn.

Fig. 1 Sistema de enfriamiento por conveccin o termosifn. 1-Radiador, 2- Ventilador; 4- Tanque o depsito superior; 5- Tapa del radiador; 6- tubo de desahogo de vapores )sistema no presurizado); 7- Conducto de entrada de lquido al radiador; 9- Sentido de circulacin del lquido refrigerante; 10- Conducto de salida del lquido del radiador; 11- Depsito o tanque inferior; 12- Vlvula de drenaje.

En la figura 2 se presenta la estructura de un sistema de enfriamiento por lquido forzado no presurizado.

En la figura 3 se presenta el sistema de refrigeracin por lquido forzado en una vista del corte transversal.

En la figura 4 se presenta un sistema presurizado con depsito compensador de los vapores del lquido con radiador de circulacin horizontal (transversal).

En el esquema que se dibuje se debe sealar todas las partes que lo componen, incluyendo mangueras, conductos y otros elementos componentes, explicndose la finalidad o funcin de cada uno. Se debe sealar su tipo (presurizado o atmosfrico), de circulacin forzada o por termosifn y distribucin de los flujos del lquido, describiendo las zonas con circulacin forzada y por termosifn. Adems se debe realizar una breve descripcin de sus elementos del sistema (ejemplo: en el radiador se debe describir tipo de aletas y tubos; tipo de bomba de agua, entre otros).

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Fig. 2 Sistema de enfriamiento forzado por lquido no presurizado 1-Radiador; 2- Ventilador; 13- Tubo de desahogo de vapores; 14- Termostato; 15- Indicador de temperatura del lquido refrigerante (sensor de temperatura); 16- Sentido de circulacin del lquido; 17- Bomba de agua; 18- Conducto para el circuito corto (cuando el termostato est cerrado).

Fig. 4 Sistema de enfriamiento presurizado con radiador de circulacin transversal

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Mediante el empleo de colores se debe mostrar los circuitos cortos y largos del lquido. Despus de la elaboracin del esquema principal correspondiente al motor prototipo se procede al clculo de los elementos principales: radiador y bomba de agua. 1.2 Clculo trmico del radiador.

Cantidad de calor transferida al lquido de enfriamiento por unidad

de tiempo, Qa. La cantidad de calor Qa se determina por la siguiente ecuacin:

Donde:

Prdidas especficas de calor a travs del lquido de enfriamiento; 2 a 0.25 para motores de encendido por chispa con vlvulas en

cabeza; 25 a 0.3 para motores de encendido por chispa con vlvulas en L; 18 a 0.35 para motores a Diesel (valores menores para motores

con cmaras de combustin no separadas y los valores mayores a motores con cmaras de turbulencia). Qt Cantidad de calor que se introduce al motor producto de la combustin del combustible, en la unidad de tiempo, en kJ/s. La cantidad de calor Qt se calcula por la siguiente ecuacin:

Donde:

- Calor de combustin inferior del combustible, .

para quema de gasolina y GLP; para

quema combustible Diesel.

- Consumo de combustible horario, Este valor se escoge del prototipo.

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En caso de no disponerse de los valores del consumo horario , se puede utilizar la siguiente ecuacin para determinarlo:

Donde

- Potencia efectiva para el rgimen de clculo, kW; - Consumo especfico efectivo de combustible del motor para el rgimen de

clculo, .

El consumo especfico efectivo de combustible se escoge del clculo trmico y se determina por la ecuacin siguiente:

Donde:

- Densidad de la carga fresca, kg/m3; - Coeficiente de llenado de carga fresca o rendimiento volumtrico; - Cantidad de aire terica para la combustin completa de l kg de

combustible, kg; - Coeciciente de exceso de aire o coeficiente lamda; Presin media efectiva, MPa.

Todos los datos anteriores se toman del clculo trmico de su motor. Con carcter orientador, segn datos estadsticos, algunos parmetros se encuentran en los rangos que aparecen en la tabla No. 1 Tabla No. 1 Rangos de algunos parmetros efectivos.

Motores Pe,

MPa

;

g/(kW h)

Encendido por chispa de 4 tiempos

0.6 0.95 0.7 0.85 0.25 0.33 300 325

Diesel de 4 tiempos

0.55 0.85 0.7 0.82 0.35 0.40 190 238

GLP (a gas) 0.5 0.75 0.75 0.85 0.23 0.28 Diesel de 4 tiempos sobrealimentados

0.7 2.0 0.8 0.9

Diesel de 2 tiempos

0.4 0.75 0.7 0.85

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Incremento medio de temperatura en el radiador, El incremento se determina por medio de:

Donde:

Temperatura media del lquido en el radiador,

;

- para sistemas presurizados;

- para sistemas atmosfricos.

Diferencia de temperatura entre el lquido que sale y entra al motor;

Temperatura media del aire en el radiador;

Donde

= 50 - Temperatura de clculo del aire ambiente alrededor del motor;

Caldeo del aire en el radiador de aceite. Si este se encuentra delante del radiador del lquido refrigerante:

Diferencia entre la temperatura del aire a la entrada y salida del radiador. La diferencia se determina por la ecuacin siguiente:

Donde:

rea frontal del radiador, ;

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- para motores de encendido por chispa;

- para motores a Diesel.

Gasto (de masa) de aire a travs de la superficie frontal del

radiador,

- Capacidad calorfica del aire (calor especfico); .

Si el clculo es correcto se comprueba por la siguiente condicin:

En caso que salga fuero del rango establecido se debe recalcular el radiador con nuevos valores.

Superficie de enfriamiento del radiador, Fenf

En la figura 5 se muestra dos de las dimensiones principales de un radiador, la superficie o rea frontal (Ffr) y el ancho o profundidad (l).

Fig. 5 rea frontal Ffr y ancho del un radiador l.

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La superficie de enfriamiento Fenf se determina por la ecuacin:

Donde:

=1.1 a 1.15 Coeficiente de seguridad que tiene en cuenta el posible empeoramiento de la transferencia de calor, debido a depsitos de sales y suciedad en las superficies exteriores de transferencia de calor durante la explotacin del motor. - Coeficiente de transferencia del calor del radiador. Su valor depende de la

construccin de las aletas del radiador y la velocidad de desplazamiento del aire Wa y del lquido Wl.

0.093 a 0.100 para radiadores de tubos y aletas planas; 0.100 a 0.110 para radiadores de tubos y cintas plegadas; 0.119 a 0.130 para radiadores de cintas plegadas.

Para comprobar el clculo realizado de Fenf se usa el mtodo de comparacin con datos estadsticos de radiadores de construccin anlogos:

- para motores de encendido por chispa de autos.

- para motores de encendido por chispa de camiones.

- para motores Diesel. Ancho o profundidad del radiador, l

El ancho de un radiador se determina por la ecuacin siguiente:

Donde:

= 600 a 930 m2/m3 para motores de encendido por chispa;

= 370 a 630 m2/m3 para motores a Diesel. 1.3 Clculo de la bomba de agua

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Este clculo se limita a la seleccin de las dimensiones de la bomba, mediante la determinacin de su velocidad de rotacin; y al clculo de la potencia necesaria para su accionamiento. Gasto volumtrico de la bomba, Gab

El gasto volumtrico de la bomba se determina por la ecuacin siguiente:

Donde: = 0.7 a 0.85 Coeficiente que tiene en cuenta las prdidas de gasto debido a

fugas en la lnea de descarga y de succin (rendimiento volumtrico de la bomba).

- Gasto volumtrico terico de lquido en el sistema; El gasto volumtrico de lquido se determina por la ecuacin:

Donde:

= Calor especfico del lquido refrigerante; - Densidad del lquido refrigerante; = 8 a 10 - Diferencia de temperatura del lquido en el circuito del radiador.

Algunas caractersticas termofsicas de las sustancias refrigerantes ms usadas se muestran en la tabla No. 1. Tabla No. 1 Caractersticas de sustancias refrigerantes.

Sustancias

Temperatura normal de ebullicin,

Temperatura de

solidificacin,

Propiedades termofsicas para t=100 0C

,

kg/m3

,

kJ/(kg

,

m2/s

W/(m

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Agua 100 0 958.4 4.224 0.295 68.4

Aire 193 213 0.946 1.009 23.13 3.21

Anticonge_

lante

102 a 197.2 -65 a -40 901.54 2.093 0.8 26.75

De datos estadsticos se selecciona el dimetro del orificio de succin del

rotor (d1) y la velocidad del lquido a la entrada de la bomba (C1). D1 = 34 a 67 mm y C1 = 2.0 a 3.5 m/s; En la figura 6 se muestran algunos parmetros de las bombas centrfugas de paletas.

Fig. 6 Esquema de la rueda motriz (rotor) (a) y de la derivacin espiral (b) de una bomba centrfuga para lquido.

Dimetro del cubo del rotor (tubo de admisin) de la bomba (Do)

Dimetro de la carcasa o casquillo de la bomba (dcas)

Velocidad tangencial de salida del lquido de enfriamiento del motor (V2)

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Donde:

- ngulos que dependen del perfil de las aletas; se pueden asumir los siguientes valores:

= 8 a 120 y 35 a 500; -2 MN/m2 Presin de descarga de la bomba;

- Eficiencia o rendimiento hidrulico de la bomba. Al seleccionar estos parmetros se debe recordar que al aumentar el ngulo

, aumenta la carga de la bomba, sin embargo disminuye su eficiencia hidrulica.

De datos estadsticos se selecciona el dimetro del rotor (D2) D2=62 a 105 mm;

Velocidad de rotacin necesaria del eje de la bomba en el rgimen de

clculo nominal (nb. nom)

Donde D2 est dado en m.

Relacin de transmisin de la bomba (i)

Donde:

n Frecuencia de rotacin nominal del motor.

Cantidad de aletas de la bomba (Z) ;

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Ancho de las aletas en la entrada (b1)

Donde:

- Espesor de la aleta a la entrada.

Ancho de la aleta a la salida (b2)

Donde:

2 = 0.004 a 0.025 m - Espesor de la aleta a la salida.

Potencia utilizada para el accionamiento de la bomba (Nb)

Donde:

=0.7 a 0.9 Rendimiento mecnico de la bomba. Para comprobar el clculo se utiliza el siguiente criterio:

Nb=(0.5 a 1 %) Ne nom. En caso de no encontrarse entre estos lmites se deben elegir nuevos parmetros y recalcular.

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1.4 Clculo del ventilador

En los vehculos automotores es frecuente utilizar ventiladores axiales para asegurar el paso del aire a travs del radiador, ventilando de esta forma al motor y sus accesorios sin variar la direccin del flujo de aire.

La potencia que se utiliza en accionar el ventilador es proporcional a su frecuencia de rotacin al cubo. Por lo anterior y adems para que no se sobrenfre el motor cuando trabaja con bajas cargas, entre otros factores, muchos diseos consideran la posibilidad de desconectarse de manera mecnica, hidrulica o electromagntica automticamente.

En la tabla No. 3 y la figura 7se presentan algunos parmetros caractersticos de los ventiladores axiales para vehculos automotrices.

Fig. 7 Parmetros caractersticos de los ventiladores

Tabla No. 3 Parmetros caractersticos de los ventiladores axiales para autos.

Parmetro Valores

Cantidad de paletas 4 7

15

Dimetro de las paletas, Dp; m 0.25 0.65

Ancho de las paletas, a lo largo de la cuerda; mm 40 70

Dimetro del cubo Dc; mm (0.3 0.6) Dp

Velocidad circunferencial mxima; m/s Hasta 100

ngulo de ataque ptimo para las paetas, grados:

Planas

Convexas

40 45

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Espesor de las hojas del ventilador; mm 1.2 1.6

Caudal de los ventiladores, Gvent.

El caudal de los ventiladores es proporcional a la frecuencia de rotacin y se determina por la ecuacin:

Donde:

- rea frontal del ventilador, m2; - Velocidad del flujo de aire en la seccin delantera del ventilador, m/s.

Las resistencias aerodinmicas que se oponen al paso del aire dependen de: 9 Las que surgen en la entrada del aire en la caja del ventilador; 9 Las que oponen el radiador y las persianas (si tienen); 9 Las que surgen durante la circulacin del aire a travs del motor y sus

accesorios y su salida del motor.

Dimetro del ventilador, Dp

El dimetro del ventilador se elige de manera que el coeficiente de soplado sea igual a la unidad. Para que se cumpla lo anterior el rea frontal del radiador debe ser igual al rea barrida por las paletas, entonces el dimetro del ventilador se determina por la ecuacin siguiente:

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Frecuencia de rotacin del ventilador, nvent

La frecuencia de rotacin del ventilador se puede determinar utilizando la ecuacin siguiente:

Donde:

- Velocidad circunferencial, m/s. Velocidad circunferencial, u que depende de la presin y otros parmetros constructivos se puede calcular por la ecuacin:

Donde:

- Coeficiente de forma de las paletas; para paletas planas: 2.8 3.5; para curvadas: 2.2 2.9;

Resistencia de paso al recorrido del aire, la cual es proporcional al cuadrado de la frecuencia de rotacin, N/m2; Para los motores de encendido por chispa: 2, para tractores y camiones Diesel:

2.

En el caso de los sistema de refrigeracin por aire la resistencia de paso al recorrido del aire depende de la cantidad, estructura y disposicin de las aletas, de la distancia entre ejes de los cilindros y del diseo de los deflectores. Sus valores son los siguientes, en kN/m2:

Para motores de encendido por chispa: hasta 1.5; Para motores Diesel con cmara de inyeccin directa: 1.0 1.8; Para motores Diesel con cmara de combustin separada: 1.5 2.4

Potencia consumida por el accionamiento del ventilador, Nvent.

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La potencia se determina por la siguiente ecuacin:

Donde:

- Rendimiento del ventilador; para ventiladores axiales: 0.32 0.40 (valores ms bajos para los plsticos); para ventiladores fundidos:

0.55 0.65. Para comprobar los clculos efectuados se utiliza la siguiente condicin:

Donde:

- Potencia nominal efectiva del motor, W.

2. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AIRE

El esquema principal del sistema de enfriamiento por aire es ms simple que el por lquido. En la figura 7 se muestran varios de ellos.

Fig. 7 Sistema de enfriamiento por aire.

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Al describir el esquema fundamental del sistema de enfriamiento por aire, en la memoria de clculo se debe:

a) Sealar todos los elementos del sistema y explicar brevemente sus caractersticas.

b) Destacar si el ventilador trabaja a tiro forzado o inducido, refiriendo las ventajas y desventajas del sistema seleccionado.

c) Describir el sistema de regulacin de temperatura. d) Sealar la presencia de aletas de enfriamiento en los diferentes

elementos del motor.

Habitualmente las aletas de enfriamiento de la cabeza y el monobloque o bloque de cilindros se disean orientndose por datos estadsticos. En la figura 8 y la tabla No. 2 se muestran algunos parmetros con sus valores.

Fig. 8 Parmetros principales de las aletas para sistemas de enfriamiento por aire

Dimensiones de

las aletas, mm

HIERRO FUNDIDO

ALEACIN DE ALUMINIO

ALETAS DE LOS

CILINDROS

ALETAS DE LAS CABEZAS

ALETAS DE LOS

CILINDROS

ALETAS DE LAS CABEZAS

h 14 a 30 15 a 50 15 a 35 15 a 75 S 6 a 12 6 a 12 3.5 a 8 3.5 a 8 4 a 8 4 a 8 2 a 6 2 a 6

2 a 4 2 a 4 1.5 a 2.5 1.5 a 2.5

La superficie total de enfriamiento se debe encontrar entre los siguientes lmites: Fenf= 600 a 750 Ne; cm2 para motores de encendido por chispa; Fenf= 600 a 750 Ne; cm2 para motores a Diesel.

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Bibliografa

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2. Giacosa, D., 1980. "Motores Endotrmicos", Tercera Edicin, Madrid: Editorial

Dossat, S.A. 3. Gurvich, A.M. y Sorokin, E.M., 1978. "Tractores y Automviles", Tomos 1 y 2

Mosc: Editorial Mir. 4. Jovaj, M.S., 1982. "Motores de Automvil", Mosc: Editorial Mir. 5. Lukanin, V.N., 1988. "Motores de Combustin Interna", Mosc: Editorial Mir. 6. Soca Cabrera, J. R. 1994. Motores del automvil. UACh, Mxico.

7. Vsorov, B.A.M., 1986. "Manual de Motores Diesel para Tractores", Mosc: Editorial Mir.