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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AGRÍCOLA

ASIGNATURA: MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

CÁLCULO DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

Autor:

José Ramón Soca Cabrera

Chapingo, México, 2009

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CÁLCULO DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

INTRODUCCIÓN

La tendencia mundial en el incremento de la potencia de los motores de combustión 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 refrigeración por líquido se eleva con el aumento de la circulación del líquido, su temperatura máxima y por la cantidad de calor disipado en el radiador por la unidad de área del mismo. La eficiencia se mide por la potencia que se utiliza para accionar la bomba y el ventilador, principalmente, así como por índices dimensionales y másicos.

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

Los principales parámetros de diseño del sistema se establecen para el régimen más peligroso, cuando el vehículo 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 vehículos trabajan sobreenfriados más del 90% del tiempo, por ello es fundamental que los motores utilicen el termostato y otros dispositivos automáticos que permiten la adecuada temperatura de trabajo, según indique cada fabricante.

La presente guía establece la metodología de cálculo de los parámetros principales del sistema de enfriamiento de los motores y tiene como objetivo fundamental interrelacionar los elementos del diseño con los indicadores técnico–explotativos de esta fuente de energía.

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1. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO.

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 líquido bajo el principio de convección o termosifón.

Fig. 1 Sistema de enfriamiento por convección o termosifón. 1-Radiador, 2- Ventilador; 4- Tanque o depósito superior; 5- Tapa del radiador; 6- tubo de desahogo de vapores )sistema no presurizado); 7- Conducto de entrada de líquido al radiador; 9- Sentido de circulación del líquido refrigerante; 10- Conducto de salida del líquido del radiador; 11- Depósito o tanque inferior; 12- Válvula de drenaje.

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

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

En la figura 4 se presenta un sistema presurizado con depósito compensador de los vapores del líquido con radiador de circulación horizontal (transversal).

En el esquema que se dibuje se debe señalar todas las partes que lo componen, incluyendo mangueras, conductos y otros elementos componentes, explicándose la finalidad o función de cada uno. Se debe señalar su tipo (presurizado o atmosférico), de circulación forzada o por termosifón y distribución de los flujos del líquido, describiendo las zonas con circulación forzada y por termosifón. Además se debe realizar una breve descripción 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 líquido no presurizado 1-Radiador; 2- Ventilador; 13- Tubo de desahogo de vapores; 14- Termostato; 15- Indicador de temperatura del líquido refrigerante (sensor de temperatura); 16- Sentido de circulación del líquido; 17- Bomba de agua; 18- Conducto para el circuito corto (cuando el termostato está cerrado).

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

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Mediante el empleo de colores se debe mostrar los circuitos cortos y largos del líquido. Después de la elaboración del esquema principal correspondiente al motor prototipo se procede al cálculo de los elementos principales: radiador y bomba de agua. 1.2 Cálculo térmico del radiador.

• Cantidad de calor transferida al líquido de enfriamiento por unidad

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

Donde:

Pérdidas específicas de calor a través del líquido de enfriamiento; 2 a 0.25 – para motores de encendido por chispa con válvulas en

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

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

 

Donde: 

- Calor de combustión 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 ecuación para determinarlo:

Donde

- Potencia efectiva para el régimen de cálculo, kW; - Consumo específico efectivo de combustible del motor para el régimen de

cálculo, .

El consumo específico efectivo de combustible se escoge del cálculo térmico y se determina por la ecuación siguiente:

Donde:

- Densidad de la carga fresca, kg/m3; - Coeficiente de llenado de carga fresca o rendimiento volumétrico; - Cantidad de aire teórica para la combustión completa de l kg de

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

Todos los datos anteriores se toman del cálculo térmico de su motor. Con carácter orientador, según datos estadísticos, algunos parámetros se encuentran en los rangos que aparecen en la tabla No. 1 Tabla No. 1 Rangos de algunos parámetros 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 líquido en el radiador,

;

- para sistemas presurizados;

- para sistemas atmosféricos.

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

Temperatura media del aire en el radiador;

Donde

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

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

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

Donde:

Área frontal del radiador, ;

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- para motores de encendido por chispa;

- para motores a Diesel.

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

radiador,

- Capacidad calorífica del aire (calor específico); .

Si el cálculo es correcto se comprueba por la siguiente condición:

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 área frontal (Ffr) y el ancho o profundidad (l).

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

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La superficie de enfriamiento Fenf se determina por la ecuación:

Donde:

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

construcción de las aletas del radiador y la velocidad de desplazamiento del aire Wa y del líquido 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 cálculo realizado de Fenf se usa el método de comparación con datos estadísticos de radiadores de construcción análogos:

- 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 ecuación siguiente:

 Donde:

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

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

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Este cálculo se limita a la selección de las dimensiones de la bomba, mediante la determinación de su velocidad de rotación; y al cálculo de la potencia necesaria para su accionamiento. • Gasto volumétrico de la bomba, Gab

El gasto volumétrico de la bomba se determina por la ecuación siguiente:

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

fugas en la línea de descarga y de succión (rendimiento volumétrico de la bomba).

- Gasto volumétrico teórico de líquido en el sistema; El gasto volumétrico de líquido se determina por la ecuación:

Donde:

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

Algunas características termofísicas de las sustancias refrigerantes más usadas se muestran en la tabla No. 1. Tabla No. 1 Características de sustancias refrigerantes.

Sustancias

Temperatura normal de ebullición,

Temperatura de

solidificación,

Propiedades termofísicas 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 estadísticos se selecciona el diámetro del orificio de succión del

rotor (d1) y la velocidad del líquido 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 parámetros de las bombas centrífugas de paletas.

Fig. 6 Esquema de la rueda motriz (rotor) (a) y de la derivación espiral (b) de una bomba centrífuga para líquido.

• Diámetro del cubo del rotor (tubo de admisión) de la bomba (Do)

• Diámetro de la carcasa o casquillo de la bomba (dcas)

• Velocidad tangencial de salida del líquido de enfriamiento del motor (V2)

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Donde:

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

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

- Eficiencia o rendimiento hidráulico de la bomba. Al seleccionar estos parámetros se debe recordar que al aumentar el ángulo

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

• De datos estadísticos se selecciona el diámetro del rotor (D2) D2=62 a 105 mm;

• Velocidad de rotación necesaria del eje de la bomba en el régimen de

cálculo nominal (nb. nom)

Donde D2 está dado en m.

• Relación de transmisión de la bomba (i)

Donde:

n – Frecuencia de rotación 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 mecánico de la bomba. Para comprobar el cálculo se utiliza el siguiente criterio:

Nb=(0.5 a 1 %) Ne nom.

En caso de no encontrarse entre estos límites se deben elegir nuevos parámetros y recalcular.

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1.4 Cálculo del ventilador

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

La potencia que se utiliza en accionar el ventilador es proporcional a su frecuencia de rotación al cubo. Por lo anterior y además para que no se sobrenfríe el motor cuando trabaja con bajas cargas, entre otros factores, muchos diseños consideran la posibilidad de desconectarse de manera mecánica, hidráulica o electromagnética automáticamente.

En la tabla No. 3 y la figura 7se presentan algunos parámetros característicos de los ventiladores axiales para vehículos automotrices.

Fig. 7 Parámetros característicos de los ventiladores

Tabla No. 3 Parámetros característicos de los ventiladores axiales para autos.

Parámetro Valores

Cantidad de paletas 4 … 7

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Diámetro de las paletas, Dp; m 0.25 …0.65

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

Diámetro del cubo Dc; mm (0.3 … 0.6) Dp

Velocidad circunferencial máxima; m/s Hasta 100

Ángulo de ataque óptimo para las pañetas, 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 rotación y se determina por la ecuación:

Donde:

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

Las resistencias aerodinámicas que se oponen al paso del aire dependen de:

Las que surgen en la entrada del aire en la caja del ventilador; Las que oponen el radiador y las persianas (si tienen); Las que surgen durante la circulación del aire a través del motor y sus

accesorios y su salida del motor.

• Diámetro del ventilador, Dp

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

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• Frecuencia de rotación del ventilador, nvent

La frecuencia de rotación del ventilador se puede determinar utilizando la ecuación siguiente:

Donde:

- Velocidad circunferencial, m/s. • Velocidad circunferencial, u que depende de la presión y otros parámetros constructivos se puede calcular por la ecuación:

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 rotación, N/m2; Para los motores de encendido por chispa: 2, para tractores y camiones Diesel:

2.

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

• Para motores de encendido por chispa: hasta 1.5; • Para motores Diesel con cámara de inyección directa: 1.0 … 1.8; • Para motores Diesel con cámara de combustión separada: 1.5 … 2.4

• Potencia consumida por el accionamiento del ventilador, Nvent.

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La potencia se determina por la siguiente ecuación:

Donde:

- Rendimiento del ventilador; para ventiladores axiales: 0.32 … 0.40 (valores más bajos para los plásticos); para ventiladores fundidos:

0.55 … 0.65. Para comprobar los cálculos efectuados se utiliza la siguiente condición:

Donde:

- Potencia nominal efectiva del motor, W.

2. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AIRE

El esquema principal del sistema de enfriamiento por aire es más simple que el por líquido. 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 cálculo se debe:

a) Señalar todos los elementos del sistema y explicar brevemente sus características.

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

c) Describir el sistema de regulación de temperatura. d) Señalar 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 diseñan orientándose por datos estadísticos. En la figura 8 y la tabla No. 2 se muestran algunos parámetros con sus valores.

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

Dimensiones de

las aletas, mm

HIERRO FUNDIDO

ALEACIÓN 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 ℓ 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 límites: 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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Bibliografía

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2. Giacosa, D., 1980. "Motores Endotérmicos", Tercera Edición, Madrid: Editorial

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

Moscú: Editorial Mir. 4. Jovaj, M.S., 1982. "Motores de Automóvil", Moscú: Editorial Mir. 5. Lukanin, V.N., 1988. "Motores de Combustión Interna", Moscú: Editorial Mir. 6. Soca Cabrera, J. R. 1994. Motores del automóvil. UACh, México.

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