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DISEÑO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
PARA UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Autor
Andrés Felipe Herrera Atehortúa
Universidad de Antioquia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica
Medellín, Colombia
2020
2
Diseño de un sistema de refrigeración para un motor de combustión interna
Andrés Felipe Herrera Atehortúa
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de:
Ingeniero Mecánico
Asesor (a):
Iván Darío Bedoya Caro
Doctor en Ingeniería
Línea de Investigación:
Línea Energética
Grupo de investigación:
GASURE
Universidad de Antioquia
Facultad de ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica
Medellín, Colombia
2020.
3
Resumen
Este trabajo de grado tiene como objetivo el diseño y la implementación de un sistema de
refrigeración para un motor de combustión interna de encendido por chispa (MEP) con el fin
de brindar una condición segura y mantener una temperatura óptima del motor en el cual
actualmente se está desarrollando un proyecto CODI de la Universidad de Antioquia en el
Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía (GASURE).
Inicialmente se realizó una exhaustiva investigación del estado del arte con el fin de adquirir
información acerca del funcionamiento y la disponibilidad de los sistemas de refrigeración
de motores de combustión interna de encendido por chispa que actualmente se encuentran en
bancos de pruebas.
En la metodología se describió el proceso de búsqueda de la información, para el cual se
tomó como referencia el método de macro- procesos empleado por universidades a nivel
mundial con el fin de obtener información confiable. Esta técnica consiste en la elaboración
de algoritmos de búsqueda y un análisis de la calidad de la información encontrada que aportó
a la elaboración de este trabajo de grado.
En los resultados, se presentó el sistema de refrigeración empleado y se describió
detalladamente los elementos que lo componen con la explicación de su respectivo
funcionamiento individual y el funcionamiento del sistema de refrigeración con todos los
elementos en conjunto. Además, se realizó un balance de masa y energías con el cual es
posible obtener la energía en forma de calor que debe ser retirada del motor a través del
sistema de refrigeración y se describió cálculo de la capacidad de transferencia del
intercambiador de calor.
Finalmente, se presentan las conclusiones entre la cuales se destacan, los sistemas de gestión
térmica que implementa el motor en estudio, que ayuda a minimizar el calentamiento del
motor en el arranque en frío reduciendo así, emisiones contaminantes y el consumo de
combustible.
4
Agradecimientos
Agradezco principalmente a mis Padres: William y Patricia, a quienes les debo lo que
actualmente soy, pues me han apoyado y guiado durante todo el camino y quienes con su
cariño, esfuerzo y dedicación me enseñaron la importancia de ser una persona de bien para
la sociedad. A mi novia Sofía por su incondicional apoyo. A mis dos grandes amigos Sammy
y Daniel, con los cuales pude compartir este maravilloso pregrado, quienes me enseñaron el
valor de la amistad y quienes me dejaron muchas enseñanzas tanto en lo personal como en
lo académico. A todos los profesores del departamento de Ingeniería Mecánica, en especial
al profesor Juan Fernando Pérez y al profesor Iván Darío Bedoya por la formación académica
y personal que me pudieron brindar. Y finalmente a la Universidad de Antioquia y al Grupo
de investigación GASURE por brindarme educación de calidad y permitirme realizar este
trabajo de grado.
5
Contenido
1. Introducción .............................................................................................................. 9
2. Objetivos ................................................................................................................. 13 2.1. Objetivo general ......................................................................................................... 13
3. Marco Teórico.......................................................................................................... 14 3.1. Transferencia de calor ................................................................................................ 14 3.2. Sistema de refrigeración ............................................................................................. 17 3.3. Tipos de refrigeración para motores de combustión interna ...................................... 18
3.3.1. Refrigeración por aire......................................................................................... 18 3.3.2. Refrigeración por líquido .................................................................................... 18
3.4. Sistemas de refrigeración para motores de combustión interna ubicados en bancos de pruebas ................................................................................................................................... 19
3.4.1. Sistemas de suministro directo de agua de refrigeración: Control de temperatura del refrigerante del motor .................................................................................................. 20 3.4.2. Sistemas abiertos de enfriamiento por agua ...................................................... 24 3.4.3. Sistemas cerrados de enfriamiento por agua ..................................................... 25 3.4.4. Circuitos de agua helada. ................................................................................... 26
3.5. Estado del arte............................................................................................................ 27
4. Metodología ............................................................................................................ 29 4.1. Revisión sistemática de la literatura................................................................................. 30 4.2. Descripción detallada del Sistema de refrigeración .......................................................... 33 4.3. Balance de masa y energía ......................................................................................... 37
4.3.1 Balance de masa ..................................................................................................... 38 4.3.2. Balance de energía ............................................................................................. 39 4.3.3. Cálculo y selección de los intercambiadores (radiadores) .................................. 46
5. Análisis y resultados ................................................................................................ 52 5.1. Metodología de indexación y resumen en Scopus............................................................ 53 5.2. Caracterización del sistema de refrigeración y su funcionamiento. .................................. 59
5.2.1. Elementos que componen el sistema de refrigeración definido. ............................... 60 5.2.2. Funcionamiento del sistema de refrigeración ........................................................... 68
5.3. Cálculo de los radiadores y selección del ventilador ................................................... 77 5.3.1. Cálculo de los radiadores .......................................................................................... 77 5.3.2. Selección del ventilador ..................................................................................... 82
5.4. Cotización ................................................................................................................... 86
6. Conclusiones ............................................................................................................ 87
7. Referencias bibliográficas ........................................................................................... 90
8. Anexos ..................................................................................................................... 93
6
Figura 1. distribución de temperatura típica que se encontraría en un motor MEP
operando en estado estable. [5] .............................................................................. 14 Figura 2. Ilustración de los fenómenos de transferencia de calor dentro del cilindro.
[4] ............................................................................................................................ 15 Figura 3. Refrigeración por bomba y presurización. [7] .............................................. 19
Figura 4. "Cooling Colum": Columna de refrigeración del motor. [8] ....................... 20 Figura 5. Sistema abierto de agua de refrigeración que incorpora un sumidero
dividido. [8] ............................................................................................................. 25 Figura 6. Sistema cerrado de enfriamiento por agua. [12] ........................................... 26
Figura 7. Circuito de agua helada. ................................................................................ 27 Figura 8. Motor 1,6 L Turbocargado inyección directa (GTDI) con tecnología
downsizing, modelo 2018. ....................................................................................... 30 Figura 9. Diseño del sistema de refrigeración. .............................................................. 36
Figura 10. Distribución de la energía del combustible. [4] ........................................... 37 Figura 11. Volumen de control seleccionado para elaboración del balance de masa. . 38
Figura 12. Volumen de control seleccionado para describir el balance energético del
motor. ...................................................................................................................... 39
Figura 13. Diagrama de capacitancias térmicas en el ducto de escape. ....................... 42 Figura 14. Diagrama de la capacitancia térmica en la pared del motor. ..................... 43
Figura 15. Diagrama de las capacitancias térmicas en el enfriador de aceite.............. 44 Figura 16. Diagrama de la resistencia térmicas en el eje del turbo. ............................. 45
Figura 17. Volumen de control seleccionado para describir el balance energético del
radiador. ................................................................................................................. 46
Figura 18. Mapa de delimitación del ELR. ................................................................... 53 Figura 19. Ubicación de los elementos que componen el sistema de refrigeración en el
motor (vista frontal). .............................................................................................. 60 Figura 20. Ubicación de los elementos que componen el sistema de refrigeración en el
motor (vista lateral derecha). ................................................................................. 67 Figura 21. Ubicación de los elementos a través de los cuales fluye el refrigerante. ..... 70
Figura 22. Etapa 1 - Flujo estancado en el motor. ........................................................ 72 Figura 23. Etapa 2 - Refrigerante fluye a través del motor y los demás elementos a
refrigerar. ............................................................................................................... 73 Figura 24. Etapa 3 - Refrigerante comienza a fluir hacia el termostato. ..................... 74
Figura 25. Etapa 4.1 - Refrigerante fluye a través del radiador. ................................. 75 Figura 26. Etapa 4.2 - Refrigerante fluye intermitentemente al radiador con el fin de
mantener temperatura de trabajo. ........................................................................ 76 Figura 27. Características del ventilador seleccionado. [27] ........................................ 84
Figura 28. Dimensiones del ventilador seleccionado. [27] ............................................ 85 Figura 29. Conexión eléctrica de los sensores ECT y HCT a la PCM. ......................... 93
Figura 30. Conexión eléctrica del electro-ventilador. ................................................... 94
7
Grafica 1. Distribución del consumo de energía entre los diferentes sectores del país.
[3] ............................................................................................................................ 10 Grafica 2. Distribución del consumo por energético en el sector transporte de
Colombia-2015. [2] ................................................................................................. 10 Grafica 3. Proyección del cambio en la matriz energética del sector transporte de
Colombia. [3] .......................................................................................................... 11 Grafica 4. Variación de la temperatura de diferentes elementos del motor con el
tiempo. [5] ............................................................................................................... 15 Grafica 5. Reducción de la fricción como consecuencia de la aplicación de diferentes
revestimientos de pulverización térmica. [11] ....................................................... 23 Grafica 6. Curvas de potencia y torque del motor en estudio. ..................................... 34
Grafica 7. Valores típicos de la distribución de la energía del combustible en un motor
de encendido por chispa (MEP).[1] ....................................................................... 41
Grafica 8.Efectividad para los intercambiadores de calor. [21] ................................... 51 Grafica 9. Número de publicaciones acerca de sistemas de refrigeración de motores de
combustión interna a través de los años. ............................................................... 54 Grafica 10. Publicaciones acerca de sistemas de refrigeración para motores de
combustión interna por países. .............................................................................. 55 Grafica 11. Publicaciones que se han realizado acerca de sistemas de refrigeración de
motores de combustión interna por universidades en el mundo. ......................... 56 Grafica 12. Publicaciones acerca del sistema de refrigeración de los motores de
combustión interna por áreas académicas............................................................. 56 Grafica 13. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs flujo másico de aire y
de refrigerante. ....................................................................................................... 80 Grafica 14. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs Efectividad del
radiador. ................................................................................................................. 81 Grafica 15. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs Resistencia térmica
total. ........................................................................................................................ 81 Grafica 16. Efectividad del radiador Vs Flujo másico de aire y de refrigerante. ........ 82
Grafica 17. Diferencia económica entre los sistemas de refrigeración posibles a
emplear. .................................................................................................................. 86
8
Tabla 1. Tecnologías de sistemas de gestión térmica incorporadas por grandes marcas
de automóviles. [10] ................................................................................................ 23 Tabla 2. Palabras claves y sus sinónimos. ..................................................................... 30
Tabla 3. Estudios más relevantes para el desarrollo del trabajo de grado. ................. 32 Tabla 4. Características del motor de combustión interna seleccionado. .................... 34
Tabla 5. Variables para determinar los balances de masa y energía. .......................... 36 Tabla 6. Análisis de calidad - Top 30 ............................................................................ 57
Tabla 7. Análisis de calidad - Top 10............................................................................. 58 Tabla 8. Estado del arte - Top 7. ................................................................................... 59
Tabla 9. Nombre de los elementos que componen el sistema de refrigeración que se
encuentran ubicados en el motor (vista frontal).................................................... 60
Tabla 10. Presión del sistema de refrigeración. ............................................................ 61 Tabla 11. Temperaturas de apertura del termostato. ................................................... 63
Tabla 12. Dimensiones del radiador. ............................................................................. 63 Tabla 13. Espesores del radiador. ................................................................................. 63
Tabla 14. Geometría de los tubos. ................................................................................. 64 Tabla 15. Geometría de las aletas. ................................................................................. 64
Tabla 16. Nombre de los elementos que componen el sistema de refrigeración que se
encuentran ubicados en el motor (Parte lateral derecha). .................................... 67
Tabla 17. Operación del sistema. ................................................................................... 69 Tabla 18. Nombre de los elementos a través de los cuales fluye el refrigerante. ......... 71
Tabla 19. Propiedades del refrigerante utilizado en el sistema de refrigeración. [24] 77 Tabla 20. Parámetros de flujo del refrigerante y del aire. ........................................... 78
Tabla 21. Propiedades termofluídicas. .......................................................................... 78 Tabla 22. Resultados de las Variables relevantes para el cálculo de transferencia de
calor. ....................................................................................................................... 79 Tabla 23. Transferencia de calor real del radiador para diferentes velocidades del
aire. ......................................................................................................................... 80 Tabla 24. Variables para selección del ventilador. ....................................................... 83
Tabla 25. Condiciones de operación del ventilador en Medellín. ................................. 85 Tabla 26. Precio elementos del sistema de refrigeración diseñado............................... 86
9
1. Introducción
Un motor de combustión interna es una máquina que aprovecha la energía química de un
combustible para transformarla en energía térmica y finalmente en trabajo rotacional, esto se
da mediante un proceso de oxidación del combustible al interior del cilindro, lo que permite
el incremento de la fuerza aplicada en la cara del pistón, produciendo así, un trabajo mecánico
lineal que luego es transformado en trabajo mecánico rotacional a través de un mecanismo
biela - manivela acoplado a un cigüeñal.
Del 100% de la energía química del combustible, el motor de combustión interna solo
aprovecha aproximadamente el 40% de esta [1] y el otro 60 % corresponde a la combustión
incompleta, energía transformada en forma de calor debido a la fricción de los diferentes
elementos mecánicos, temperatura de los gases de combustión y temperatura en las paredes
de los cilindros como consecuencia de la combustión dentro de la cámara. Estos valores
permiten concluir que los motores de combustión interna son máquinas ineficientes que, a su
vez, posicionan al sector transporte como el sector con la mayor pérdida de energía a nivel
mundial, razón por la cual, en la actualidad los motores de combustión interna continúan en
constante desarrollo permitiendo encontrar cada día nuevas tecnologías que proporcionen un
ahorro energético. Un ejemplo de ellos son los sistemas de gestión térmica en los sistemas
de refrigeración quienes han logrado un ahorro en el consumo de combustible aumentando
la eficiencia del sector transporte, y la penetración de nuevos combustibles o sistemas bi-
combustibles quienes a su vez también aportan al aumento de la eficiencia y a la reducción
de emisiones de CO2.
Hoy en día, Colombia se muestra como un país con baja eficiencia energética, pues durante
el 2015 las perdidas en la matriz energética nacional ascendieron al 52% y solo el 48%
corresponde a la porción de energía útil. Por esta razón, el nuevo plan de acción PROURE
(Programa de Uso Racional y Eficiente de Energía y demás Formas de Energía No
Convencionales) se enfoca en la eficiencia energética del sector transporte, pues como se
muestra en la Grafica 1, este sector es el más crítico al representar el 40% del consumo de la
energía total del país y es el más ineficiente de todos con una contribución del 65% del total
de las perdidas energéticas en Colombia. [2].
10
Grafica 1. Distribución del consumo de energía entre los diferentes sectores del país. [3]
Por otra parte, el sector transporte también tiene una gran influencia en el impacto ambiental
ya que al ser el sector con el mayor consumo de combustible ya que su fuente principal de
energía son los combustibles fósiles, especialmente la gasolina con un 40% y el ACPM con
un 37% tal como se muestra en la Gráfica 2. Además, se encuentra la mayor cantidad de
emisiones de gases de efecto invernadero como el CO2, y contaminantes de gran importancia
para los centros urbanos como el material particulado (PM) y los óxidos de Nitrógeno (NOx)
[2].
Grafica 2. Distribución del consumo por energético en el sector transporte de Colombia-2015. [2]
11
Para aumentar la eficiencia en el consumo de energías y para mitigar el impacto ambiental
producto del sector transporte, PAI 2017-2022 [2] propone introducir nuevas tecnologías y
la reducción del uso de los combustibles líquidos impulsando así el uso del GNV (Gas
Natural Vehicular) que permitan reducir las pérdidas energéticas y por ende la huella de
carbono, pues el uso de combustibles con menor relación C/H, contribuyen a la disminución
de emisiones netas de CO2 en el sector transporte. Incluso en la Gráfica 3, se muestra la
proyección del cambio en la matriz energética del sector transporte donde se busca que el
uso del gas natural incremente.
Grafica 3. Proyección del cambio en la matriz energética del sector transporte de Colombia. [3]
Los motores de encendido provocado (MEP) en modo bi-combustible son los más usados
para el uso de combustibles gaseosos en transporte terrestre en Colombia. En dichos motores
se utilizan dos sistemas de alimentación de combustible, uno para el combustible gaseoso y
otro para la gasolina, y el motor opera con alguno de los dos combustibles, nunca con una
mezcla. Dado que Colombia es un país importador de tecnologías en el sector transporte,
debe hacer una revisión permanente de las tendencias tecnológicas en los países desarrollados
para lograr una adecuada implementación y adaptación tecnológica en el mediano plazo a
sus condiciones específicas de operación. La normatividad vigente para el sector transporte
en los países fabricantes de vehículos contempla la regulación de emisiones de CO2, lo cual
ha llevado a los fabricantes a implementar estrategias en el diseño de los mismos que
permitan aumentar la eficiencia de transformación energética de los vehículos, siendo la
disminución de tamaño de los motores de encendido provocado (downsizing) una de las más
importantes.
La implementación de esta estrategia (downsizing) junto con la turbo-alimentación y el
aumento de las relaciones de compresión, han permitido desarrollar altas potencias con
motores mucho más pequeños. Sin embargo, estos cambios provocan que variables como la
temperatura y la presión en el cilindro aumenten de forma considerable hasta el punto de
presentarse fenómenos como el “Super Knocking” debido a la auto-ignición del combustible
12
antes del encendido producido por la descarga eléctrica en la bujía, provocando así daños en
elementos de vital importancia para el motor. Además, también se presenta la necesidad del
uso de combustibles con mayor octanaje, lo cual es un reto para Colombia ya que el índice
de octano de nuestra mejor gasolina está por debajo de los estándares recomendados por los
países fabricantes de motores de combustión interna de encendido provocado (MEP).
El Grupo GASURE (grupo de ciencia y tecnología del gas y uso racional de la energía) de la
Universidad de Antioquia, se encuentra realizando el proyecto de investigación “Estudio
Experimental del uso de mezclas gasolina/combustibles gaseosos para la optimización del
desempeño de motores de encendido provocado de alta relación de compresión
turboalimentados en el sector transporte colombiano”, cuyo objetivo es el estudio del “Super
Knocking” y el uso de mezclas gasolina/gas natural para su atenuación a condiciones de
Medellín. Para el desarrollo del proyecto de investigación es necesario el encendido y la
puesta a punto del motor en cuestión (motor 1,6 L Turbocargado inyección directa (GTDI)
con tecnología downsizing, modelo 2018), objetivo que sólo se puede alcanzar con el
correcto funcionamiento de los demás sistemas que componen el motor, para lo cual es
necesario una intervención ingenieril en los sistemas periféricos que se requieran. Con base
a lo anterior, este trabajo busca diseñar un sistema de refrigeración para dicho motor, el cual
estará sometido a condiciones de potencia y torque máximos y al estar ubicado en un banco
de pruebas estacionario no contará con el mecanismo de transferencia de calor por
convección del aire producido por el movimiento del vehículo en el cual se utiliza.
13
2. Objetivos
2.1. Objetivo general
• Diseñar un sistema de refrigeración para un motor de combustión interna 1,6 L
turbocargado inyección directa (GTDI) con tecnología downsizing, modelo 2018,
operando con mezclas gasolina/gas natural en un banco de ensayos.
2.2.Objetivos específicos
• Estudiar las estrategias de refrigeración utilizadas en motores de encendido provocado que
usan gas natural mediante la revisión sistemática de literatura.
• Determinar la configuración del sistema de refrigeración y su sistema de control para un
motor de combustión interna 1,6 L turbocargado inyección directa (GTDI) con tecnología
downsizing, modelo 2018 operando en banco de ensayos.
• Realizar los respectivos balances de masa y energía, así como el diseño y
dimensionamiento del sistema de refrigeración propuesto.
14
3. Marco Teórico
3.1. Transferencia de calor
Durante el proceso de combustión, se generan gases dentro del cilindro los cuales pueden
alcanzar temperaturas alrededor de los 2000ºC produciéndose así un flujo de calor transferido
a las paredes del cilindro de hasta 10 𝑀𝑊/𝑚2. Este flujo varía según el lugar, y los
elementos que entran en contacto directo con los gases de combustión experimentan flujos
más altos, involucrando así: el pistón, la culata, las válvulas y las bujías. En estas regiones,
las tensiones térmicas deben mantenerse por debajo de las temperaturas que causarían
agrietamiento por fatiga, razón por la cual las temperaturas deben ser inferiores a los 400ºC
para el hierro fundido y 300ºC para las aleaciones de Aluminio. La superficie de la pared del
cilindro debe mantenerse en una temperatura inferior a los 180ºC de lo contrario se
presentaría descomposición térmica del aceite y las bujías y las válvulas deben mantenerse
frías con el fin de evitar fenómenos de autoignición y “Super Knocking” que resultan del
sobrecalentamiento de los electrodos de las bujías o de las válvulas de escape. Resolver estos
problemas de transferencia de calor es de suma importancia, pues un buen diseño del sistema
de refrigeración garantizara un estado seguro para el motor. [4,5]
La Figura 1, ilustra una distribución de temperaturas típicas que se encontraría en un motor
de encendido provocado operando en estado estable.
Figura 1. distribución de temperatura típica que se encontraría en un motor MEP operando en estado estable. [5]
15
Y en la Gráfica 4, se ilustra la variación de la temperatura de diferentes elementos del motor
con el tiempo después del arranque en frío.
Grafica 4. Variación de la temperatura de diferentes elementos del motor con el tiempo. [5]
Para resolver los problemas de transferencia de calor antes mencionados y realizar un buen
diseño del sistema de refrigeración, es necesario tener diferentes herramientas académicas en
las áreas de la termodinámica y la transferencia de calor que permitirán el cálculo adecuado
de la carga térmica que se debe retirar del motor para poder seleccionar el intercambiador de
calor compacto (radiador) y demás dispositivos (ventilador, bomba, termostato, entre otros)
quienes proporcionaran una correcta refrigeración del motor manteniéndolo en un estado
seguro.
Para conocer la carga térmica a retirar del motor, inicialmente se debe hacer un análisis de
los mecanismos de transferencia de calor que están ocurriendo dentro del cilindro tal como
lo muestra la Figura 2.
Figura 2. Ilustración de los fenómenos de transferencia de calor dentro del cilindro. [4]
16
A continuación, se describen las ecuaciones que describen los mecanismos de transferencia
de calor que se presentan en el cilindro:
�̇�𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ𝑔𝐴(𝑇𝑔 − 𝑇𝑝𝑔) Eq. 1
�̇�𝑟𝑎𝑑 = 𝜎휀𝐴( 𝑇𝑟𝑎𝑑4 − 𝑇𝑝𝑔
4 ) Eq. 2
�̇�𝑐𝑜𝑛𝑑 =𝐾𝐴
𝑒( 𝑇𝑝𝑔 − 𝑇𝑃𝑟) Eq. 3
�̇�𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ𝑟 𝐴𝑟( 𝑇𝑃𝑟 − 𝑇𝑟) Eq. 4
El calor que fluye hacia las paredes del cilindro y el cual es transferido al líquido refrigerante
puede ser determinado asumiendo lo siguiente:
➢ El calor cedido por radiación, conducción y convección durante la combustión.
➢ El calor cedido en el proceso de expansión.
➢ El calor cedido en el proceso de escape.
➢ El calor generado y cedido por la fricción del cilindro y los anillos.
Taylor y Toons, han desarrollado una ecuación generalizada para el cálculo de la
transferencia de calor del cilindro hacia el refrigerante [6]. Esta ecuación es:
�̇� = ℎ𝐴(𝑇𝑔 − 𝑇𝑟) Eq. 5
�̇�𝑟𝑒𝑓 = ℎ𝑔𝜋𝐷𝑝
2
4(�̅�𝑔 − �̅�𝑟𝑒𝑓) Eq. 6
𝑁𝑢 = 10,4𝑅𝑒0,75 Eq. 7
ℎ𝑔 = 10,4𝐾𝑔
𝐷𝑔(
𝜌𝑐𝐷𝑝
𝜇)
0,75
= 10,4𝐾𝑔
𝜇0,75(
𝜌𝑐𝐴
𝐴)
0,75
∗ 𝐷𝑝−0,25
ℎ𝑔 = 10,4𝐾𝑔
𝜇0,75 (4�̇�𝑔
𝜋𝐷𝑝2 )
0,75
∗ 𝐷𝑝−0,25 Eq. 8
Donde:
ℎ𝑟: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒)
𝐾: 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎
𝜎: 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑡𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑆𝑡𝑒𝑓𝑎𝑛 − 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛 = 5,67 𝐸 − 8 𝑊/𝑚2
휀: 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑇𝑔: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠
𝑇𝑝𝑔: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠
𝑇𝑃𝑟: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑇𝑟: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑢𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑔𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑇𝑟𝑎𝑑: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛(𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑦 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠)
17
𝐴: 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 𝐴𝑟: 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑒: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑
𝐷𝑝: 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 [𝑚]
𝐾𝑔: 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠
𝜇: 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠
𝜌: 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠
𝑐: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡á𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 �̇�𝑔: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠
3.2. Sistema de refrigeración
El sistema de refrigeración del motor de combustión interna es un sistema cerrado que
además de controlar la temperatura del motor manteniéndolo en un estado seguro, también
permite la expansión y la contracción del refrigerante, así como los cambios de presión a
medida que el refrigerante aumenta o disminuye su temperatura con el funcionamiento del
motor. Asimismo, tiene otras exigencias u objetivos tales como:
➢ Reducir el tiempo de calentamiento del motor.
➢ Reducir las emisiones de contaminantes
➢ Reducir el consumo de combustible.
➢ Aumentar la vida útil de los componentes del motor.
Y está compuesto por elementos como: juntas, sellos, mangueras y abrazaderas que contienen
el refrigerante dentro del sistema de refrigeración y evitan que otros fluidos y contaminantes
entren en dicho sistema.
La implementación de un sistema de refrigeración en un motor de combustión interna es un
aspecto tan importante, que incluso se puede ver el uso de estrategias de refrigeración a través
de la historia, pues, Karl Benz, quien fue el encargado de adaptar por primera vez el motor
de combustión interna en un vehículo, también patentó un sistema de refrigeración con el
cual buscaba solucionar la constante evaporación del agua que se usaba para enfriar dicho
motor y de esta manera mantener el líquido por debajo de la temperatura de ebullición. Esto
era posible haciendo circular agua a través de los cilindros y posteriormente a través de una
estructura de tubos paralelos conocida como radiador, quien además debía estar en constante
contacto con el aire, pues de esta manera se obtendría una temperatura más baja del agua al
momento de circular por el motor, permitiendo así temperaturas óptimas de operación.
Los motores de combustión interna aprovechan la energía química de los combustible para
hacer mover los vehículos, pero como es sabido gracias a las leyes de la termodinámica, no
es posible convertir el 100% de esta energía en trabajo, solo aproximadamente un 40% del
total de esta energía va directamente a las ruedas (trabajo) [1], mientras que el restante se
pierden en gases de escape, accesorios y calor, el cual es generado en su gran mayoría debido
a la combustión de la mezcla dentro del cilindro y a la fricción de los elementos móviles.
18
Este porcentaje es tan considerable, que incluso, alrededor de un 30% de la energía potencial
del combustible se pierde en transferencia de calor al refrigerante [1].
No obstante, si en el motor no se disipa parte del calor liberado en la combustión, entonces
se provocaría rigidez de las piezas por una excesiva dilatación, además de que el lubricante
perdería sus propiedades, pues a temperaturas superiores a los 125ºC se presenta su
descomposición térmica de este y se podría presentar deformación de las piezas móviles.
Pero se debe tener especial cuidado en la extracción de dicho calor, ya que el rendimiento de
un motor de combustión interna aumenta con la temperatura, razón por la cual una
refrigeración excesiva provocaría una disminución de la eficiencia. Con base en lo anterior,
se puede deducir que el objetivo de la refrigeración será mantener una temperatura de
funcionamiento en diferentes partes del motor, de tal forma que no sufran un excesivo
calentamiento, ni tampoco provoque una disminución del rendimiento del motor.
3.3. Tipos de refrigeración para motores de combustión interna
Los sistemas de refrigeración se clasifican según el fluido utilizado para bajar la
temperatura del motor y estos pueden ser de dos tipos:
3.3.1. Refrigeración por aire
La refrigeración por aire es común encontrarla en motores pequeños como en el caso de las
motocicletas o en condiciones muy específicas. Esta refrigeración se produce cuando el aire
generado por el movimiento del vehículo entra en contacto con las partes exteriores del
motor, razón por la cual, los cilindros y la culata cuentan con aletas para así aumentar la
superficie de contacto y por ende la transferencia de calor por convección, además se debe
tener en cuenta que la capacidad de refrigeración del vehículo disminuye cuando este se
encuentra estático, por lo que, este sistema de refrigeración es más ineficiente y a su vez mas
difícil de controlar que la refrigeración por líquido. [7]
3.3.2. Refrigeración por líquido
La refrigeración por liquido se basa en los principios de transferencia de calor por conducción
y convección. Pues inicialmente, el líquido refrigerante es forzado por el movimiento de una
bomba, haciéndolo circular a través de los cilindros y la cámara de combustión, esto con el
fin de aumentar la velocidad del fluido y con ella la transferencia de calor. Una vez el líquido
refrigerante absorbe el calor a retirar, pasa por el radiador, donde finalmente es enfriado por
el aire, produciéndose así la transferencia de calor al depósito o sumidero [7]
La refrigeración por líquido utiliza un radiador, el cual es un intercambiador de calor que
según el diseño del vehículo tendrá una configuración especial (flujo vertical, flujo
transversal, tubular, de panal), que se ubica normalmente en la parte frontal del vehículo para
que reciba directamente el aire de la marcha y se fija a la carrocería mediante uniones
elásticas con el fin de no transmitirle vibraciones [7]. En la Figura 3, es posible observar un
esquema del sistema de refrigeración por líquido.
19
Figura 3. Refrigeración por bomba y presurización. [7]
3.4. Sistemas de refrigeración para motores de combustión interna ubicados en bancos
de pruebas
A medida que se van incorporando nuevas tecnologías en el sector automotriz, se crea la
necesidad de la implementación de bancos de pruebas de motores de combustión interna con
el fin de medir las prestaciones y características de funcionamiento de dichos motores:
potencia, torque, consumo de combustible, comportamientos de fenómenos en cámara de
combustión, etc. Durante el proceso del montaje del banco de pruebas, es necesario realizar
ciertas intervenciones ingenieriles en los sistemas periféricos del motor, un ejemplo de ello
es el sistema de refrigeración, pues este sistema permitirá que el motor funcione en una
temperatura óptima y en un modo seguro cuando se están realizando las respectivas
investigaciones, aun cuando el motor es exigido y es llevado al estado de plena carga.
Cuando se habla de refrigerar motores de combustión interna ubicados en bancos de pruebas,
se debe tener en cuenta que las condiciones no son las mismas que se presentan cuando el
motor está ubicado en el vehículo y llevar el motor al banco de pruebas representa un rediseño
del sistema de refrigeración. Como se mencionó anteriormente, en la actualidad existen dos
tipos de refrigeración para motores de combustión interna: refrigeración por agua y
refrigeración por líquido, sin embargo, en este caso solo se estudiará la refrigeración por
liquido debido al tipo de motor estudiado.
Los sistemas de refrigeración para motores de combustión interna ubicados en bancos de
pruebas se clasifican de la siguiente manera:
➢ Sistemas abiertos: En estos sistemas, el fluido refrigerante se encuentra en contacto
directo con el ambiente.
➢ Sistemas cerrados: En los sistemas cerrados, el fluido refrigerante fluye a través de tubos
o serpentines y no está en contacto directo con el ambiente.
➢ Sistemas directos: Se caracterizan por que solo hay un intercambiador de calor donde el
fluido refrigerante enfría el fluido del proceso.
➢ Sistemas indirectos: Se caracterizan porque existen al menos 2 intercambiadores de
calor y un circuito secundario de refrigeración entre el proceso y el primer refrigerante.[8]
20
A continuación, se presentan los sistemas de refrigeración que actualmente se encuentran
disponibles para motores de combustión interna ubicados en bancos de pruebas.
3.4.1. Sistemas de suministro directo de agua de refrigeración: Control de
temperatura del refrigerante del motor Su característica principal se encuentra en que el agua está directamente relacionada con la extracción del calor del motor sin necesidad de utilizar un intercambiador de calor intermedio y además si el motor no utiliza refrigerantes especiales, es posible utilizarlos con dichos fluidos. Estos sistemas, generalmente son utilizados cuando se implementan “Cooling Colum”, que, traducido al español, quiere decir columna de refrigeración y es común que el agua sea desechada, sin embargo, es posible recuperarla a través de un depósito sumidero y llevarla de vuelta por gravedad [8]. Los sistemas de suministro de agua por refrigeración se presentan a continuación:
a) Columna de refrigeración
Como se mencionó anteriormente, si no se requieren refrigerantes especiales, esta es una
solución sencilla para la refrigeración del motor y es utilizada comúnmente en los bancos de
pruebas. Su principal ventaja se encuentra en que la columna de refrigeración puede ser
portátil o también puede montarse en el soporte del motor, además, es posible parametrizarla
para asegurar la temperatura de diseño del motor. En cuanto a su funcionamiento, una vez
aumenta la temperatura del motor, una válvula termostática se apertura permitiendo que el
agua a baja temperatura circule desde la parte inferior de la columna de refrigeración hacia
el motor y que el agua caliente sea llevada al depósito sumidero desde la parte superior de la
columna de refrigeración. En la parte superior de este dispositivo se encuentra ubicado un
tapón de radiador de automoción estándar que permite la correcta presurización del motor y
a su vez permite la recarga de agua [8]. En la Figura 4, se puede observar la ilustración de
este dispositivo.
Figura 4. "Cooling Colum": Columna de refrigeración del motor. [8]
21
Con la implementación de la columna de refrigeración, es posible eliminar el radiador y el
ventilador del motor, pues este dispositivo actúa como intercambiador refrigerante/agua del
tipo coraza y tubos y está compuesto por bombas encargadas de hacer circular el fluido
primario (agua suministrada por el banco de pruebas) a través de la columna de enfriamiento
mientras que el fluido secundario (refrigerante: fluido que fluye a través del motor) circula a
través del motor robando el calor de exceso. A medida que el fluido secundario aumenta, el
sensor de temperatura ajusta la válvula de control para aumentar el flujo del fluido primario
lo que a su vez provoca un aumento de la presión la cual es controlada con la válvula
reguladora de presión que normalmente se encuentra en la parte inferior de la columna de
refrigeración [8].
Dentro de las ventajas de este dispositivo se pueden encontrar:
➢ Conserva la temperatura óptima del motor durante la prueba.
➢ Es un sistema ajustable que permite regular la presión.
➢ Cuenta con ayudas visuales para detectar fugas.
➢ Cuenta con medidores analógicos de temperatura y presión.
➢ En un dispositivo portátil el cual permite instalarlo fácilmente en cualquier otro banco de
pruebas.
b) Sistema de refrigeración convencional del motor
Utilizar el sistema de refrigeración convencional el motor en un banco de pruebas puede ser
ventajoso pues el sistema ya viene de fábrica diseñado a la medida del motor, sin embargo,
hay que ser muy cuidadosos, pues estos sistemas están diseñados para otras condiciones y
por esta razón se deben hacer algunas intervenciones basadas en decisiones ingenieriles.
Estos sistemas conservan los elementos básicos que componen un sistema de refrigeración
convencional como: la bomba de refrigerante, el termostato, radiador, electro ventiladores,
sensores de temperatura y válvulas de derivación de refrigerante, pero se deben realizar
cálculos previos para saber si es necesario incluir otro elemento como un radiador más o un
ventilador que proporcione un flujo de aire mayor con el fin de retirar adecuadamente el calor
de exceso del motor.
Esta decisión se debe tomar con base en los cálculos termodinámicos y de transferencia de
calor que proporcione un valor de la energía transferida al refrigerante.
• “Thermal Management”
Es interesante ver que desde la invención del motor de combustión interna y la
implementación de este en los vehículos, los sistemas de refrigeración para dichos motores
no han tenido cambios significativos, pues hoy en día se puede decir que su principio de
funcionamiento es el mismo. Sin embargo, en la actualidad con la regulación de los países
por disminuir los contaminantes en los gases de combustión y la necesidad del aumento de
la eficiencia térmica de los motores, se ha venido desarrollando en los últimos años, más
específicamente en los últimos 5 años, un concepto muy interesante denominado el “Thermal
Management” que al español traduce: Gestión térmica.
22
El concepto “gestión térmica” describe el control del flujo de energía térmica en los motores
de combustión interna de acuerdo a los requerimientos específicos y las condiciones de
funcionamiento. Como resultado de los sistemas de gestión térmica se pueden encontrar los
siguientes beneficios [9]:
➢ Reducción de las pérdidas de potencia.
➢ Mejora el control del sistema de refrigeración permitiendo condiciones del motor en
estado estable por más tiempo.
➢ Permite un calentamiento más rápido del motor durante el arranque en frío.
➢ Reduce la fricción y el desgaste de los elementos móviles del motor.
➢ Aumenta la vida útil del lubricante.
➢ Reduce el consumo de combustible.
➢ Disminuye las emisiones contaminantes en los gases de escape.
➢ Permite que el motor tenga una buena refrigeración cuando el motor se encuentra
apagado.
➢ Aumenta la vida del motor reduciendo el desgaste en las piezas móviles.
Para obtener estos beneficios, los fabricantes han reemplazado las bombas convencionales
por bombas eléctricas, permitiendo así que la bomba esté en función de la temperatura del
motor como debe ser y no en función de las RPM como normalmente sucede. Esta acción
evita el sobre enfriamiento cuando el motor se encuentra operando a carga parcial,
permitiendo que el motor esté durante mucho más tiempo en su temperatura óptima. Otro
elemento mejorado es el termostato, el cual ha sido reemplazado por válvulas de control de
refrigerante, permitiendo que el refrigerante alcance una temperatura más alta antes de
circular por el radiador. También se están desarrollando calentadores de bloque, con el
objetivo de alcanzar un calentamiento más rápido del aceite cuando el motor se encuentra en
condiciones de temperaturas extremas y otras muchas tecnologías en sistemas de gestión
térmica que se están desarrollando en la actualidad y que a continuación se presentan [10]:
➢ Bombas de refrigeración inteligentes (eléctricas)
➢ Válvula de control del refrigerante eléctrico
➢ Estado calentado + sensor de posición
➢ Válvula de desviación del aceite de la transmisión
➢ Sistema de recuperación de calor de escape
➢ Generador termoeléctrico
➢ Ciclo orgánico Rankine
➢ Almacenamiento térmico
➢ Calentador de bloque
➢ El tradicional arranque remoto
➢ Recubrimiento de pulverización térmica Los beneficios que se han alcanzado con los sistemas antes mencionados han sido tan considerables, que incluso, en la actualidad los grandes fabricantes de vehículos están incorporando en sus modelos de automóviles diferentes sistemas de gestión térmica. En la Tabla 1, se muestran los porcentajes del uso de estas tecnologías por marca, por ejemplo, para el 2014, BMW había implementado en el 85,5% de sus vehículos sistemas de ventilación
23
de cabina activa y en el 78,5% calentamiento activo del motor, siendo esta última una de las tecnologías más implementada por los fabricantes para el año 2014 [10].
Tabla 1. Tecnologías de sistemas de gestión térmica incorporadas por grandes marcas de automóviles. [10]
En definitiva, se posible concluir que uno de los aspectos a desarrollar en los motores de combustión interna a futuro está enfocado en los sistemas de gestión térmica, pues, Osborne et al, demostraron que las tecnologías de gestión térmica que incluían un termostato avanzado y un sistema de recuperación de calor del refrigerante, contribuyeron a una reducción 60% de las emisiones de CO2 en pruebas reales en un vehículo, un valor mucho más alto de lo esperado pues las simulaciones predijeron una reducción del 4,7% de CO2. Además, los efectos térmicos relacionados con el aceite de motor debido a lubricantes de baja fricción y a una bomba de aceite variable contribuyeron a una mejora relacionada con la temperatura. Asimismo, como conclusión de sus experimentos, encontraron que los sistemas de gestión térmica pueden contribuir a una disminución del consumo combustible entre el 2% y el 7,5% [10]. Morawitz et al, encontraron en sus investigaciones, que casi todas las combinaciones de revestimientos de pulverización térmica en los anillos ofrecen una fricción reducida frente a la combinación estándar de revestimiento de hierro fundido y anillos tratados con nitruro (barra azul) [11]. Los resultados se pueden encontrar en la Gráfica 5.
Grafica 5. Reducción de la fricción como consecuencia de la aplicación de diferentes revestimientos de pulverización
térmica. [11]
24
Además de reducir las pérdidas asociadas a la fricción del conjunto del pistón, se demostró que el revestimiento de aluminio de un cilindro tiene una influencia positiva en la transferencia de calor, ya que el revestimiento de aluminio (137 W/mK) tiene una conductividad térmica 3 veces mayor en comparación con el hierro fundido (40 W/mK) [11].
3.4.2. Sistemas abiertos de enfriamiento por agua
Se caracterizan porque el agua regresa al depósito sumidero ubicado bajo el nivel del suelo
a través de tuberías por acción de la gravedad y presión atmosférica.
El depósito sumidero se encuentra divido en dos zonas por un muro de separación, una zona
de agua caliente y otra de agua fría. Cuando el sistema alcanza su temperatura máxima, las bombas del depósito sumidero caliente se encienden y llevan el fluido hasta la torre de
enfriamiento donde se le baja la temperatura al agua y es retornada de nuevo al depósito de
agua fría [8].
La característica esencial de estos sistemas se encuentra en que almacenan el agua en un
sumidero situado bajo el nivel del suelo, desde el cual se bombea el agua a través de los
intercambiadores de calor y hacia la torre de enfriamiento. El sumidero normalmente cuenta
con una zona de agua caliente y otra zona de agua fría y se divide por un muro de separación.
El agua circula desde el lado frío a través de los sistemas que necesitan ser refrigerados en el
banco de pruebas y vuelve de nuevo al lado del depósito sumidero caliente y cuando el
sistema alcanza su temperatura máxima, la bomba del depósito sumidero caliente se activa,
llevando el agua a través de la torre de enfriamiento antes de volver de nuevo al sumidero
frío [8].
La capacidad máxima del depósito sumidero, se mide con una regla que indica que el agua
no debe ser retornada más de una vez por minuto, siendo el mayor volumen de agua
disponible la opción que entrega los mejores resultados y, además, debe proporcionarse
suficiente capacidad de sumidero excedente, por encima del nivel de trabajo normal, para
acomodar el drenaje de las tuberías, los motores y los dinamómetros cuando el sistema se
apaga. Por otra parte, debido a las pérdidas de agua por evaporación y por drenaje de los
pequeños residuos, se debe tener una idea del nivel del agua del sistema y esta reposición de
suministro agua debe ser controlada por una válvula de flotador [8].
Finalmente, estos sistemas son propensos a ser contaminados con desechos como hojas y
aguas de inundaciones por lo que debe hacerse un riguroso mantenimiento para evitar que
esto suceda [8]. El esquema de la Figura 5, es un ejemplo de un sistema abierto de
enfriamiento por agua.
25
Figura 5. Sistema abierto de agua de refrigeración que incorpora un sumidero dividido. [8]
3.4.3. Sistemas cerrados de enfriamiento por agua
Actualmente, estos sistemas se han convertido en los más comunes debido a que la mayoría
de los dispositivos de control de temperatura y dinamómetros eléctricos a diferencia de los
frenos de agua, no necesitan descarga gravitacional. Una de las ventajas de este sistema se
encuentra en que no presenta pérdidas por evaporación como los sistemas abiertos y son
menos propensos a las contaminaciones por desechos. Estos sistemas pueden requerir la
inclusión de un gran número de válvulas de prueba y de regulación de flujo junto con puntos
de purga de aire, bombas de reserva y filtros, además, utilizan una o más bombas con el fin
de hacer circular el agua a través del sistema en prueba para extraer el calor de exceso que
después será dispersado mediante las torres de enfriamiento cerradas [8].
A medida que el fluido aumenta su temperatura, se generan unos cambios de volumen en el
sistema y para lograr una circulación adecuada, el sistema debe incluir un tanque de
expansión que a su vez permiten la presurización y la reposición de agua, estos requisitos
también pueden cumplirse utilizando una forma de acumulador de aire comprimido/agua
conectado a un suministro de reposición presurizado de agua tratada [8].
Finamente, en lugares donde las condiciones ambientales son agresivas, se debe considerar
la congelación del agua, por lo que los sistemas cerrados de agua a presión pueden ser
llenados con una mezcla de etilenglicol/agua para evitar que el agua se congele cuando las
temperaturas bajen hasta tal punto, o también es posible calentar el sistema con una cinta
calefactora especial que se enrolla alrededor de las tuberías en una larga espiral inclinada
bajo el material aislante. El control suele estar totalmente automatizado de manera que la
corriente de calentamiento se regula en función de la temperatura ambiente [8]. La Figura 6
ilustra un sistema cerrado de enfriamiento por agua.
26
Figura 6. Sistema cerrado de enfriamiento por agua. [12]
3.4.4. Circuitos de agua helada.
Estos sistemas suministran el agua por debajo de la temperatura ambiente, más
específicamente entre los 4ºC y 8ºC. El agua helada suministrada por el banco de pruebas se
utiliza para refrigerar los siguientes sistemas [8]:
➢ Aire acondicionado de la sala de control.
➢ Control de la temperatura del combustible.
➢ Control de la temperatura del aire de combustión.
➢ Control de la temperatura del motor de combustión interna.
Si un sistema común de agua helada suministra agua a varios procesos que tienen cargas
térmicas diferentes, cada subsistema debe tener su propio control y se debe incorporar al
sistema un tanque de reserva de tamaño adecuado. Finalmente, en un sistema cerrado puede
utilizarse un tanque de amortiguación térmicamente estratificado en el que el agua de retorno
del sistema entra en la parte superior del tanque y desde allí es extraída al enfriador, que
devuelve el flujo tratado al fondo del tanque de donde es extraído y distribuido [8]. En la
Figura 7 se puede observar el funcionamiento del sistema de refrigeración de agua helada.
27
Figura 7. Circuito de agua helada.
3.5. Estado del arte
Con la revisión sistemática de la literatura y a través de la metodología de indexación y
resumen en Scopus, se encontró información de gran importancia acerca de las
investigaciones de los sistemas de gestión térmica avanzada durante los últimos 5 años, los
cuales se presentan a continuación:
Pizzonia, et al, propusieron la implementación de un modelo robusto de control predictivo
del caudal de refrigerante de un motor de combustión interna (MEP). La estrategia de control
propuesta consiste en el ajuste del flujo del refrigerante mediante una bomba eléctrica con el
fin de que el sistema de enfriamiento trabaje alrededor del inicio de la ebullición nucleada: a
través de él durante el calentamiento y por encima (ebullición nucleada o saturada) bajo
condiciones totalmente calientes. Esta estrategia de control fue validada a través de pruebas
experimentales bajo varias condiciones de operación en un motor de encendido provocado y
quien además se le adaptó una bomba eléctrica accionada por el algoritmo de control.
Finalmente, pudieron concluir que el control propuesto fue eficaz puesto que se logró reducir
el calentamiento del motor y a su vez reducir la tasa del flujo de refrigerante en condiciones
de calentamiento total con respecto a la bomba convencional [13].
Castiglione, et al, desarrollaron una estrategia de control basado en la metodología Robust
Model Predictive Control (MPC), para un motor de combustión interna de encendido
provocado (1,2 dm3) el cual tenía una bomba de refrigeración eléctrica. Esta estrategia fue
desarrollada con el fin de optimizar la gestión térmica del motor y de evaluar las ventajas del
enfoque de enfriamiento propuesto en el ciclo de homologación NEDC, el cual fue simulado
y validado por pruebas de laboratorio y donde se tomaron mediciones de: temperatura de
pared, temperatura de lubricante, temperatura de refrigerante y se prestó especial atención al
período de calentamiento. La estrategia propuesta, hace uso de un modelo dinámico del
sistema de enfriamiento de un MEP que es capaz de predecir la transferencia de calor tanto
28
bajo convección forzada monofásica como en presencia de ebullición nucleada o saturada.
Además, define una métrica para establecer el mecanismo de transferencia de calor dentro
del motor y para estimar la distancia del estado térmico del motor desde el inicio de la
ebullición nucleada. Los resultados muestran, que el algoritmo MPC desarrollado es robusto
y eficaz puesto que se logró reducir el calentamiento del motor y a su vez reducir la tasa del
flujo de refrigerante en condiciones de calentamiento total con respecto a la bomba
convencional [14].
El objetivo de Chen, et al, fue investigar diferentes configuraciones o estructuras de
enfriamiento para el bloque y la culata del motor con el objetivo de evaluar el estado térmico
del motor, la disipación de potencia por fricción y la disipación de potencia en forma de calor.
Lo anterior se realizó ya que, en una configuración convencional del sistema de refrigeración,
el fluido refrigerante pasa por el bloque hasta llegar a la culata, razón por la cual la culata
siempre se encontrará a una temperatura mayor a la del bloque, generando así un sobre
enfriamiento en el bloque, pues los sistemas de refrigeración son diseñados en la condición
más crítica, es decir, en función de la temperatura de la culata sin considerar la carga de
enfriamiento del bloque. Esta investigación se realizó modelando un cilindro en 3D, que
permitió el análisis de la influencia de la dirección del flujo de refrigerante y el enfriamiento
de la estructura dividida para la culata y el bloque. Los resultados arrojados, indican que la
estructura de enfriamiento dividida de flujo superior – inferior puede reducir la carga térmica
de la culata y aumentar en una pequeña proporción la temperatura de la camisa del cilindro,
siendo esta la estructura que brinda la solución óptima con las ventajas de una menor
disipación de potencia térmica y por fricción en comparación con la estructura de
enfriamiento convencional [15].
Chalet, et al, utilizaron un modelo avanzado de gestión térmica en un motor de encendido
por compresión (MEC) para analizar la evolución de la temperatura del refrigerante en la
etapa de calentamiento durante un ciclo NEDC. El objetivo se centra en calcular el
intercambio de calor entre las masas térmicas de los submodelos: culata, bloque, pistón,
carter y los fluidos en cuestión. El enfoque consiste en modelar los componentes principales
del motor con el fin de definir el motor completo con el máximo nivel de precisión. La
investigación fue validada con un motor MEC en un banco de pruebas y se logró definir las
transferencias de calor de la pared (con el uso de un modelo de motor de alta frecuencia 1D),
brindando la posibilidad de analizar la descomposición energética de la entalpía del
combustible después del proceso de combustión y el flujo de energía a través de los
componentes. Los resultados de esta investigación dan ideas para proponer una reducción de
masa de un componente especifico del motor con respecto a otros o para revisar el diseño de
los sistemas de lubricante y refrigeración del motor [16].
Zhang, et al, este estudio desarrolla un esquema de modelado del acoplamiento del proceso
de enfriamiento y la combustión del motor mediante la combinación de un modelo de cilindro
1D y un modelo de ebullición nucleada 3D. Para la modelación de la combustión, se utilizó
el mecanismo de reacción global y para simular el flujo de refrigerante considerado en la
ebullición de la pared y las fuerzas de interface, se utilizó el método de flujo multifásico. En
definitiva, los resultados arrojados indican que un aumento considerable del flujo de
refrigerante puede lograr una alta temperatura en las paredes de los cilindros y al mismo
tiempo bajar las pérdidas de calor [17].
29
Castiglione, et al, presentaron un modelo robusto de control predictivo con el fin de satisfacer
los requerimientos del sistema de refrigeración de un motor de combustión interna (MEP)
mediante el ajuste del flujo del refrigerante de una bomba eléctrica. La estrategia de control
propuesta adopta un modelo de parámetros agrupados del sistema de refrigeración del motor,
que predice la temperatura del refrigerante, la temperatura media de las paredes y el régimen
de transferencia de calor, incluida la ebullición del nucleada. Aunque dicho modelo es posible
implementarlo en cualquier condición, para esta investigación solo se tuvo en cuenta el
funcionamiento del motor en condiciones de calentamiento total, con el fin de mantener la
pared de los cilindros dentro de las temperaturas óptimas y con la menor tasa de flujo de
refrigerante posible. El modelo se desarrolló proponiendo diferentes estrategias de control de
las cuales se evaluaron su eficiencia en función de la temperatura de las paredes del motor,
la temperatura del refrigerante, la tasa de flujo del refrigerante y el régimen de transferencia
de calor en respuesta a las variaciones graduales de la tasa de flujo del combustible. Se puede
concluir que, para una determinada condición de funcionamiento del motor, si se permite la
ebullición nucleada, el algoritmo del controlador garantiza un enfriamiento efectivo con tasas
de flujo de refrigerante mucho más bajas en comparación con las tasas de flujo que
proporciona una bomba convencional [18].
Śliwiński K. y Szramowiat M, presentan una discusión critica acerca de los desafíos que
enfrentan los sistemas de refrigeración de motores de combustión interna modernos dentro
de las cuales se encuentran la reducción de emisiones contaminantes en los gases de escape
y el aumento de la eficiencia de los motores de combustión interna, pues en la actualidad
dichos sistemas ya no cumplen con los requisitos establecidos por los sistemas de propulsión
de vehículos modernos. Por lo anterior se concluyó, que es necesario desarrollar nuevas
soluciones universales que tendrán una aplicación más amplia tanto para la refrigeración de
elementos estructurales cargados térmicamente como para la implementación de toda la
gestión térmica en el vehículo [19].
4. Metodología
Debido a la necesidad que el grupo GASURE tenía con la puesta a punto de un motor de
combustión interna para dar inicio al proyecto de investigación, se propuso este trabajo de
grado el cual consistió en el diseño de un sistema de refrigeración para el motor que se
muestra en la Figura 8 el cual está ubicado en un banco de pruebas. El trabajo de grado se
desarrolló principalmente en 3 etapas, las cuales son mencionadas a continuación.
30
Figura 8. Motor 1,6 L Turbocargado inyección directa (GTDI) con tecnología downsizing, modelo 2018.
4.1. Revisión sistemática de la literatura
Se realizó una exhaustiva investigación de la información que permitió comprender
principalmente la descripción fenomenológica de cómo se da la refrigeración en un motor de
combustión interna, y las tendencias de los sistemas de refrigeración utilizados en bancos de
pruebas.
Ya que la marca del motor tiene su sede principal en los Estados Unidos, se realizó una
búsqueda de información en el banco de patentes de Estados Unidos (United States Patent
and Trademark Office - USPTO), con la cual fue posible hallar información acerca del
funcionamiento de algunos elementos del sistema de refrigeración convencional del motor
estudiado que no fueron posibles encontrar en la literatura común ayudando a una mejor
compresión del funcionamiento de estos dispositivos
Además, se usó el sistema de indexación y resumen Scopus para identificar las tendencias de
las diferentes estrategias y sistemas de refrigeración que ayudan a controlar la temperatura
en motores de combustión interna. Utilizar esta metodología garantizó que la información
encontrada y utilizada para la construcción de este trabajo de grado fuera confiable y
entregara datos de investigaciones reales que actualmente se están llevando a cabo en el
contexto mundial.
Inicialmente se definieron los términos clave de búsqueda y sus sinónimos con la herramienta
“palabras clave” (keywords) de Scopus como los términos comunes usados en el mayor
número de investigaciones. En la Tabla 2, se muestran los sinónimos y palabras claves
utilizadas.
Tabla 2. Palabras claves y sus sinónimos.
Palabras claves Keyword Sinónimos
Motor de combustión interna Internal combustión engine Heat exchanger
Refrigeración Cooling radiators
Sistema de refrigeración Cooling system Thermal Management
Gestión térmica Thermal Management
31
Con la definición de las palabras claves, se llevó a cabo la construcción de los algoritmos de
búsqueda, y a través de la aplicación de diferentes filtros a dichos algoritmos se logró orientar
la búsqueda de información, encontrando publicaciones sobre el tema investigado y las áreas
que se encuentran involucradas, en este caso: los sistemas de refrigeración del motor de
combustión interna.
El primer algoritmo de búsqueda construido se presenta a continuación.
TITLE-ABS-KEY ( "internal combustion engine" AND ( cooling OR cooling OR "cooling
system" OR "Thermal Management" ) ) AND ( LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ar" ) OR LIMIT-
TO ( DOCTYPE , "cp" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "re" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE ,
"cr" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ch" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "bk" ) ) AND (
LIMIT-TO ( SUBJAREA , "ENGI" ) OR LIMIT-TO ( SUBJAREA , "ENER" ) OR LIMIT-
TO ( SUBJAREA , "ENVI" ) )
Con este primer algoritmo de búsqueda, se encontraron publicaciones que permiten analizar
las tendencias generales en el tema de estudio. Con el objetivo de encontrar información más
específica, se realizó un filtro por título y por el mayor número de citas al algoritmo inicial.
El segundo algoritmo de búsqueda se presenta a continuación:
TITLE ( "internal combustion engine" AND ( cooling OR cooling OR "cooling system" OR
"Thermal Management" ) ) AND ( LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ar" ) OR LIMIT-TO (
DOCTYPE , "cp" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "re" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "cr"
) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ch" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "bk" ) ) AND ( LIMIT-
TO ( SUBJAREA , "ENGI" ) OR LIMIT-TO ( SUBJAREA , "ENER" ) OR LIMIT-TO (
SUBJAREA , "ENVI" ) )
Aunque este nuevo algoritmo de búsqueda redujo en gran cantidad las publicaciones
encontradas, fue de vital importancia implementar un estudio de calidad de cada publicación
(Top), esto con el fin de identificar los documentos que aportaban información valiosa. Este
análisis de calidad se hizo con un chequeo exploratorio del título y resumen de cada Top.
Al chequear la información suministrada en las publicaciones del segundo algoritmo de
búsqueda, se pudo identificar que hay estudios que hablan del tema en una escala muy baja
y por esta razón se consideró que no eran relevantes. Sin embargo, también se identificaron
estudios con alto contenido de información que sí aportaba al desarrollo de este trabajo de
grado, de los cuales en la Tabla 3 se pueden ver los más relevantes que fueron utilizados y
citados en el marco teórico y en el estado del arte.
32
Tabla 3. Estudios más relevantes para el desarrollo del trabajo de grado.
Autor-es Titulo Año Fuente Citaciones
Pizzonia F., Castiglione
T., Bova S.,
A Robust Model Predictive Control for
efficient thermal management of internal
combustion engines
2016 Applied Energy 30
Morawitz U., Mehring J.,
Schramm L.,
Benefits of thermal spray coatings in
internal combustion engines, with specific
view on friction reduction and thermal
management
2013 SAE Technical Papers 16
Castiglione T., Pizzonia
F., Bova S.,
A novel cooling system control strategy for
internal combustion engines 2016
SAE International Journal
of Materials and
Manufacturing
15
Chen X., Yu X., Lu Y.,
Huang R., Liu Z., Huang
Y., Roskilly A.P.,
Study of different cooling structures on the
thermal status of an Internal Combustion
Engine
2017 Applied Thermal
Engineering 12
Chalet D., Lesage M.,
Cormerais M.,
Marimbordes T.,
Nodal modelling for advanced thermal-
management of internal combustion engine 2017 Applied Energy 11
Zhang J., Xu Z., Lin J.,
Lin Z., Wang J., Xu T.,
Thermal characteristics investigation of the
internal combustion engine cooling-
combustion system using thermal boundary
dynamic coupling method and experimental
verification
2018 Energies 6
Chastain J.H., Wagner
J.R.,
Advanced thermal management for internal
combustion engines - Valve design,
component testing and block redesign
2006 SAE Technical Papers 6
Castiglione T., Bova S.,
Belli M.,
A Novel Approach to the Thermal
Management of Internal Combustion
Engines
2017 Energy Procedia 3
Mahlia T.M.I., Husnawan
M., Masjuki H.H., Chow
K.V., Low T.S., Liaw
A.W.J.,
Energy analysis of cooling pump in internal
combustion engine 2009
ASME International
Mechanical Engineering
Congress and Exposition,
Proceedings
1
Śliwiński K., Szramowiat
M.,
Development of cooling systems for internal
combustion engines in the light of the
requirements of modern drive systems
2018
IOP Conference Series:
Materials Science and
Engineering
0
33
Finalmente, con el objetivo de encontrar y utilizar información actualizada acerca del tema
en estudio, se realizó un último y más exigente filtro por los últimos cinco años de los trabajos
publicados por los investigadores en el mundo, que responde P3: ¿Cuáles son las
publicaciones sobre sistemas de refrigeración para motores de combustión interna, más
posicionadas en la comunidad académica en los últimos 5 años?
El algoritmo de búsqueda experimental construido para la obtención de información que
describe el panorama de las investigaciones que se están llevando a cabo en la actualidad se
presenta a continuación.
TITLE ( "internal combustion engine" AND ( cooling OR cooling OR "cooling system" OR
"Thermal Management" ) ) AND ( LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ar" ) OR LIMIT-TO (
DOCTYPE , "cp" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "re" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "cr"
) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ch" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "bk" ) ) AND ( LIMIT-
TO ( SUBJAREA , "ENGI" ) OR LIMIT-TO ( SUBJAREA , "ENER" ) OR LIMIT-TO (
SUBJAREA , "ENVI" ) ) AND ( LIMIT-TO ( PUBYEAR , 2020 ) OR LIMIT-TO (
PUBYEAR , 2019 ) OR LIMIT-TO ( PUBYEAR , 2018 ) OR LIMIT-TO ( PUBYEAR ,
2017 ) OR LIMIT-TO ( PUBYEAR , 2016 ) )
4.2. Descripción detallada del Sistema de refrigeración
Para comenzar, es importante mencionar que el banco de pruebas estará compuesto de un
motor de encendido provocado (MEP) 1,6 l GTDI, modelo 2018, acoplado a su respectiva
transmisión a través del embrague. Este motor estará equipado con un captador de presión
piezo-eléctrico dentro de la cámara de combustión con el fin de hallar parámetros como el
trabajo indicado y la intensidad de golpeteo (Knocking). Además, estará equipado con un
medidor de flujo sónico, pues este permite medir el flujo volumétrico del gas natural
vehicular. Por otra parte, se utilizará una balanza y un diferencial de consumo con respecto
al tiempo para de esta manera hallar el consumo de combustible.
Este banco de pruebas también tendrá un freno retardador de tipo electromagnético el cual
será acoplado al sistema de potencia con el objetivo de medir y proporcionar un torque
variable y opuesto al cigüeñal del motor que permitirá frenarlo. Y finalmente, el banco de
pruebas estará dotado con un sistema de adquisición de datos, con un medidor de emisiones
contaminantes en el sistema de escape y con termocuplas para medir: la temperatura del
motor, la temperatura de los gases de combustión a la salida del cilindro y la temperatura del
refrigerante.
Las especificaciones del motor antes mencionado se muestran en la Tabla 4.
34
Tabla 4. Características del motor de combustión interna seleccionado.
ITEM ESPECIFICACIÓN
Motor 1.6L Turbocargado inyección directa (GTDI)
Combustible Gasolina
Inyección Inyección directa
Número de cilindros 4
Disposición de los cilindros Línea
Potencia máxima
Potencia máxima corregida
197 HP/132 KW
110,745 KW
Revoluciones potencia máxima 6000 rpm
Par máximo 274 Nm
Revoluciones par máximo 4200 rpm
Diámetro/carrera 79 mm / 81,4 mm
Cilindrada 1,6 L
Relación de compresión
Modelo
10:1
2018
Y las curvas de potencia y torque del motor se pueden observar en la Gráfica 6.
Grafica 6. Curvas de potencia y torque del motor en estudio.
35
Una vez conocidas las especificaciones del motor en estudio y con el objetivo de realizar un
buen diseño del sistema de refrigeración que garantizara el estado seguro para el motor en
estudio durante las pruebas en el laboratorio, entonces fue necesario la caracterización de
cada uno de los elementos que componen el sistema de refrigeración y así se logró
comprender su funcionamiento.
Debido a que esta información es sensible, en este caso no fue de utilidad la metodología de
indexación en Scopus, y para obtener esta información se recurrió a las patentes de los
Estados Unidos que como se mencionó anteriormente sirvió para comprender el
funcionamiento de algunos elementos que componen el sistema de refrigeración de este
motor. Otra de las herramientas utilizadas para la caracterización del sistema fue el uso de
información libre encontrada en internet y foros que hablaban sobre el sistema de
refrigeración de este motor en específico y finalmente la fuente más importante que despejó
todas las dudas y confirmo la veracidad de la información que ya se tenía fue la información
suministrada por los funcionarios de la marca del motor quienes a través de una entrevista
describieron con gran detalle el funcionamiento de cada uno de los elementos que componen
el sistema de refrigeración y su funcionamiento en conjunto.
Una vez caracterizado el sistema de refrigeración en general, se prosiguió con el diseño del
sistema a emplear. Este motor se encuentra en una condición crítica debido a que estará
sometido a ciertos parámetros de operación a condiciones de diseño (potencia y torque
máximos) y al estar ubicado en un banco de pruebas no se contará con el mecanismo de
transferencia de calor por convección para regular la temperatura como lo es usual cuando el
motor se encuentra en un estado dinámico. Por lo anterior, se decidió utilizar 2 radiadores en
serie para de esta manera aumentar el área de transferencias de calor con el fin de simular las
condiciones del motor montado en un vehículo, se adicionó un ventilador que garantizara el
caudal de aire necesario para extraer el calor de los radiadores. Finalmente, es importante
mencionar que se decidió ubicar el motor y los radiadores tal como venía ubicado en el
vehículo, pues de esta manera es posible que el ventilador además de retirar el calor el calor
de exceso de los radiadores también ayude a la refrigeración de los cilindros. En la Figura 9,
se ilustra el diseño del sistema de refrigeración donde se puede observar la disposición del
motor, de los radiadores y del ventilador adicional en el banco de pruebas.
36
Figura 9. Diseño del sistema de refrigeración.
Para finalizar este literal, es preciso señalar que se identificaron las variables más importantes
que fueron utilizadas para así determinar a través del balance de masa y energía el caudal de
aire que debía proporcionar el ventilador adicional ubicado en frente de los radiadores y la
cantidad de energía que debían extraen los dos radiadores dispuestos en serie. A
continuación, se presentan dichas variables en la Tabla 5.
Tabla 5. Variables para determinar los balances de masa y energía.
Variable Aire Refrigerante
Calor especifico a presión constante 𝐶𝑝,𝑎𝑖𝑟 𝐶𝑝,𝑟𝑒𝑓
Temperatura de entrada 𝑇𝑐,𝑖𝑛 𝑇ℎ,𝑖𝑛
Temperatura de salida 𝑇𝑐,𝑜𝑢𝑡 𝑇ℎ,𝑜𝑢𝑡
Flujo másico �̇�𝑎𝑖𝑟 �̇�𝑟𝑒𝑓
Caudal �̇�𝑎𝑖𝑟 �̇�𝑟𝑒𝑓
Viscosidad 𝜇𝑎𝑖𝑟 𝜇𝑟𝑒𝑓
Densidad 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝜌𝑟𝑒𝑓
Conductividad térmica 𝜆𝑎𝑖𝑟 𝜆𝑟𝑒𝑓
Coeficiente de convección ℎ𝑎𝑖𝑟 ℎ𝑟𝑒𝑓
37
4.3. Balance de masa y energía
Para realizar un completo estudio ingenieril del sistema fue necesario realizar un balance de
masa y energía, pues un balance energético general de primera ley para un motor proporciona
la información acerca de cómo se distribuye la energía del combustible.
Según Heywood, el balance energético dentro de un motor es complicado y la distribución
de la energía se ilustra en el diagrama Sankey de la Figura 10. La potencia indicada es la
suma de la potencia de frenado y la potencia de fricción. Una parte sustancial de la potencia
de fricción (aproximadamente la mitad) se disipa entre el pistón, los anillos del pistón y la
pared del cilindro y se transfiere como energía térmica al medio de refrigeración. El resto de
la potencia de fricción se disipa en los cojinetes, el mecanismo de las válvulas o los
dispositivos auxiliares de accionamiento, y se transfiere como energía térmica al aceite o al
entorno (en �̇�𝑚𝑖𝑠𝑐), La entalpía inicial de los gases de escape puede subdividirse en los
siguientes componentes: una entalpía sensible (60%), una energía cinética de escape (7%),
un término de combustión incompleto (20%), y una transferencia de calor al sistema de
escape (12%) (parte de la cual es irradiada al medio ambiente y el resto termina en el medio
de enfriamiento) Así, el calor que se lleva el medio refrigerante se deba a: el calor transferido
a las paredes de la cámara de combustión de los gases del cilindro, el calor transferido a la
válvula de escape y una fracción sustancial del trabajo de fricción [4].
Figura 10. Distribución de la energía del combustible. [4]
38
Donde:
(�̇�𝑓𝑄𝐿𝐻𝑉): 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑥 𝑝𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟.
�̇�𝑤: Tasa de transferencia de calor a la pared de la cámara de combustió𝑛. �̇�𝑒: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒. 𝑃𝑏: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑜. 𝑃𝑡𝑓 : 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙.
𝑃𝑖: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎. 𝑃𝑝𝑓: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛.
�̇�𝑐𝑜𝑜𝑙: 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑐ℎ𝑎𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒.
�̇�𝑐,𝑒 : 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒.
�̇�𝑒,𝑠,𝑎: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑎𝑡𝑚ó𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎.
�̇�𝑒,𝑖𝑐 : 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑞𝑢í𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎.
�̇�𝑒,𝑟: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒.
�̇�𝑒,𝑘: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒.
�̇�𝑚𝑖𝑠𝑐 : 𝑆𝑢𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑠 𝑦 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠.
A continuación, se presenta el balance de masa y energía para un volumen de control que
rodea al motor y con los cuales se identificó la energía a extraer del refrigerante para una
condición segura del motor. Cabe aclarar que, para las ecuaciones planteadas, se asumió un
estado estacionario. Recuerde que estado estacionario hace referencia a: ningún cambio con
el tiempo.
4.3.1 Balance de masa
En la Figura 11, se ilustra el volumen de control para el planteamiento del balance de masa.
Figura 11. Volumen de control seleccionado para elaboración del balance de masa.
∑ �̇�
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
− ∑ �̇�
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
= 0 (𝐸𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜)
∑ �̇�
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
− ∑ �̇�
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 + �̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 + �̇�𝑟𝑒𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= �̇�𝑔𝑐 + �̇�𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
39
�̇�𝑔𝑐 = �̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 + �̇�𝑎𝑖𝑟𝑒
�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 + �̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 + �̇�𝑟𝑒𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= �̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 + �̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 + �̇�𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
Eq 9.
Donde:
�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
�̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 : 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒
�̇�𝑟𝑒𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑖𝑟𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
�̇�𝑔𝑐: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛
�̇�𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
4.3.2. Balance de energía
Según la primera ley de la termodinámica, para un motor de combustión interna, solo una
porción de la energía asociada al combustible es transformada en potencia efectiva, mientras
que otra parte es transferida al refrigerante y el restante se ve reflejada en los gases de escape
tal como se muestra en la Gráfica 7. Para cuantificar la cantidad de energía transferida al
refrigerante en forma de calor, se realizó un balance de energía asumiendo estado
estacionario. La Figura 12, muestra el volumen de control definido para el planteamiento de
dicho balance.
Figura 12. Volumen de control seleccionado para describir el balance energético del motor.
40
�̇� − �̇� = ∆�̇�𝑠𝑖𝑠
�̇� − �̇� =𝑑�̇�𝑠𝑖𝑠
𝑑𝑡
𝑑�̇�𝑠𝑖𝑠
𝑑𝑡= 0 (𝐸𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜 → ∆𝐸𝑘 = ∆𝐸𝑃 = 0)
�̇� − �̇� = 0 Eq.10
La ecuación de conservación de la energía para el volumen de control seleccionado es:
(�̇�𝑔𝑐 + �̇�𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎+ �̇�𝑝 + �̇�𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 + �̇�𝑇) − �̇�𝑒 = 0
�̇�𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎= �̇�𝑒 − �̇�𝑔𝑐 − �̇�𝑝 − �̇�𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 − �̇�𝑇 Eq 11
Donde:
∆�̇�𝑠𝑖𝑠 : 𝐸𝑙 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
∆𝐸𝑘: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎
∆𝐸𝑃: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 �̇�𝑔𝑐 : 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑎 𝑎 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒
�̇�𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
�̇�𝑝: 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑎𝑙 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
�̇�𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 : 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
�̇�𝑇: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑜
�̇�𝑒: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎
Los valores aproximados en los cuales se divide el 100% de la energía del combustible se
indican en la Grafica 7.
41
Grafica 7. Valores típicos de la distribución de la energía del combustible en un motor de encendido por chispa
(MEP).[1]
A veces resulta conveniente expresar la transferencia de calor a través de un medio de
manera análoga a la ley de Newton del enfriamiento:
�̇� = 𝑈𝐴 ∆𝑇 Eq. 12
U: coeficiente de transferencia de calor total.
𝑈𝐴 =1
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 Eq. 13
Por lo tanto, para una unidad de área, el coeficiente de transferencia de calor es igual al
inverso de la resistencia térmica total.
Para hallar los términos que componen la ecuación de la conservación de la energía, fue
necesario expresarlos en función de variables conocidas. Por esta razón, cada término se
expresó como capacitancias térmicas. A continuación, se presentan los resultados del análisis
hecho para cada dispositivo que involucra el sistema de refrigeración y del cual se deducen
las expresiones de cada término de la Ecuación 11 con los cuales será posible hallar la
distribución de la energía del combustible.
30%
40%
30%
Distribución de la energía del combustible
Energía asociada al refrigerenta Potencia efectiva Gases de escape
42
• Cálculo de capacitancia térmica para hallar la energía asociada a los gases de
combustión
Para conocer la energía térmica asociada a los gases de combustión, se realizó el cálculo de
la resistencia térmica en el ducto de los gases de escape, la Figura 13, ilustra el análisis en el
ducto de escape.
Figura 13. Diagrama de capacitancias térmicas en el ducto de escape.
�̇�𝑔𝑐 =(Δ𝑇)
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
(𝑈𝐴)𝑔𝑐 =1
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =1
ℎ𝑔𝑐𝐴𝑖𝑛𝑡+
ln(𝑅𝑒𝑥𝑡 − 𝑅𝑖𝑛𝑡)
2𝜋𝐿𝑘+
1
ℎ𝑎𝑚𝑏𝐴𝑒𝑥𝑡
�̇�𝑔𝑐 =(𝑇𝑔𝑐 − 𝑇𝑎𝑚𝑏)
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
�̇�𝑔𝑐 = (𝑈𝐴)𝑔𝑐(𝑇𝑔𝑐 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) Eq. 14
43
• Cálculo de capacitancia térmica para hallar la energía asociada a las pérdidas a
los alrededores
Las pérdidas de calor (calor cedido al ambiente, calor en bloque, entre otros) provienen
principalmente de la transferencia de calor por convección. Por lo tanto, la transferencia de
calor por radiación y conducción puede ser ignorada. Por lo anterior, es posible hallar la
energía asociada a las pérdidas de calor con el análisis de la capacitancia térmica en la pared
del motor como se observa en la Figura 14.
Figura 14. Diagrama de la capacitancia térmica en la pared del motor.
Se aclara, que el motor tiene una geometría asimétrica, sin embargo, para efectos de los
cálculos, se asume con una geométrica totalmente simétrica.
�̇�𝑝 =(Δ𝑇)
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
(𝑈𝐴)𝑝 =1
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =1
ℎ𝑎𝑚𝑏𝐴𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
�̇�𝑝 =(𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 − 𝑇𝑎𝑚𝑏)
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
�̇�𝑝 = (𝑈𝐴)𝑝(𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) Eq. 15
44
• Cálculo de capacitancia térmica para hallar la energía asociada al aceite
En la Figura 15, se ilustra el análisis de resistencia térmica para el enfriador de aceite.
Figura 15. Diagrama de las capacitancias térmicas en el enfriador de aceite.
�̇�𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 =(Δ𝑇)
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
(𝑈𝐴)𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 =1
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =1
ℎ𝑟𝑒𝑓𝐴𝑒𝑥𝑡 𝑡𝑢𝑏𝑜+
𝐿
𝑘𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 𝐴𝑖𝑛𝑡 𝑡𝑢𝑏𝑜+
1
ℎ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝐴𝑖𝑛𝑡 𝑡𝑢𝑏𝑜
�̇�𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 =(𝑇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
− 𝑇𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎)
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
�̇�𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = (𝑈𝐴)𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 (𝑇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎− 𝑇𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
) Eq. 16
45
• Cálculo de capacitancia térmica para hallar la energía asociada al turbo
Debido a las altas RPM a las cuales opera el turbocompresor, se presenta un aumento en la
temperatura del eje debido a la fricción que allí se presenta. La Figura 16, muestra el análisis
de capacitancias térmicas con el cual es posible hallar el valor de la energía térmica que debe
ser transferida del eje del turbocompresor al refrigerante.
Figura 16. Diagrama de la resistencia térmicas en el eje del turbo.
�̇�𝑇 =(Δ𝑇)
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
(𝑈𝐴)𝑇 =1
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =1
ℎ𝑟𝑒𝑓𝐴𝑒𝑗𝑒
�̇�𝑇 =(𝑇𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
− 𝑇𝑟𝑒𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎)
𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
�̇�𝑇 = (𝑈𝐴)𝑇(𝑇𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎− 𝑇𝑟𝑒𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
) Eq.17
Finalmente, se puede hallar el calor cedido al refrigerante reemplazando las Ecuaciones 14,
15, 16 y 17 en la Ecuación 11:
�̇�𝑟𝑒𝑓𝑜𝑢𝑡= �̇�𝑒 − [(𝑈𝐴)𝑔𝑐(𝑇𝑔𝑐 − 𝑇𝑎𝑚𝑏)] − [(𝑈𝐴)𝑝(𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) ] −
[(𝑈𝐴)𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒(𝑇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎− 𝑇𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
)] − [(𝑈𝐴)𝑇(𝑇𝑟𝑒𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎− 𝑇𝑟𝑒𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
)] Eq. 18
46
4.3.3. Cálculo y selección de los intercambiadores (radiadores)
Debido a que en esta ocasión el motor estudiado estará ubicado en un banco de pruebas,
entonces no será suficiente solo utilizar el ventilador con el que dicho motor normalmente
viene de fábrica. En esta ocasión se planteó un balance de energía con el cual se determino
la carga de energía disipada por cada uno de los radiadores utilizados y el caudal de aire que
debe proporcionar el ventilador adicional, el cual simulará el caudal de aire proporcionado
por el vehículo cuando este se encuentra en movimiento.
A continuación, se presenta el balance de energía para un volumen de control que rodea al
radiador. Como se mencionó anteriormente, es pertinente mencionar que, para las ecuaciones
planteadas se asumió un estado estacionario. Recuerde que estado estacionario hace
referencia a: ningún cambio con el tiempo. En la Figura 17, se muestra el volumen de control
definido para el planteamiento de dicho balance.
Figura 17. Volumen de control seleccionado para describir el balance energético del radiador.
�̇�𝑖𝑛 − �̇�𝑜𝑢𝑡 = ∆�̇�𝑠𝑖𝑠
�̇�𝑖𝑛 − �̇�𝑜𝑢𝑡 =𝑑�̇�𝑠𝑖𝑠
𝑑𝑡
𝑑�̇�𝑠𝑖𝑠
𝑑𝑡= 0 (𝐸𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜 → ∆𝐸𝑘 = ∆𝐸𝑃 = 0) Eq. 19
�̇�𝑖𝑛 − �̇�𝑜𝑢𝑡 = 0
La ecuación de conservación de la energía para el volumen de control seleccionado es:
�̇�𝑟𝑒𝑓𝑜𝑢𝑡− �̇�𝑎𝑚𝑏 = 0
�̇�𝑟𝑒𝑓𝑜𝑢𝑡= �̇�𝑎𝑚𝑏 Eq. 20
47
La primera ley de la termodinámica requiere que la velocidad de la transferencia de calor
desde el fluido caliente sea igual a la transferencia de calor hacia el frío, de esta manera la
Ecuación 20 se escribe de la siguiente manera:
�̇�𝑟𝑒𝑓 ∗ 𝐶𝑝𝑟𝑒𝑓∗ (𝑇ℎ𝑖𝑛
− 𝑇ℎ𝑜𝑢𝑡) = �̇�𝑎𝑖𝑟 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟
∗ (𝑇𝑐𝑖𝑛− 𝑇𝑐𝑜𝑢𝑡
)
�̇�𝑟𝑒𝑓 =�̇�𝑎𝑖𝑟∗𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟
∗(𝑇𝑐𝑖𝑛−𝑇𝑐𝑜𝑢𝑡 )
𝐶𝑝𝑟𝑒𝑓∗(𝑇ℎ𝑖𝑛
−𝑇ℎ𝑜𝑢𝑡)
Eq. 21
Para hallar el flujo de másico, antes era necesario conocer el flujo másico del aire, el cual se
halló de la siguiente manera:
�̇�𝑎𝑖𝑟 = 𝐴𝑟𝑎𝑑 ∗ 𝑣𝑎𝑖𝑟 Eq. 22
�̇�𝑎𝑖𝑟 = 𝜌𝑎𝑖𝑟 ∗ �̇�𝑎𝑖𝑟 Eq. 23
Donde:
�̇�𝑟𝑒𝑓𝑜𝑢𝑡: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟.
�̇�𝑎𝑚𝑏 : 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑡𝑖𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟. �̇�𝑟𝑒𝑓: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒.
�̇�𝑎𝑖𝑟: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒. 𝐶𝑝𝑟𝑒𝑓
: 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒.
𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟: 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒.
𝑇ℎ𝑖𝑛: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 (𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒).
𝑇𝑐𝑖𝑛: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 (𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑟í𝑜).
𝑇ℎ𝑜𝑢𝑡: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 (𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒).
𝑇𝑐𝑜𝑢𝑡: 𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 (𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑟í𝑜).
�̇�𝑎𝑖𝑟 : 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑎 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣é𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟. 𝐴𝑟𝑎𝑑: Á𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠. 𝑣𝑎𝑖𝑟: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑎 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣é𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟. 𝜌𝑎𝑖𝑟 : 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒.
Una vez conocidos los flujos másicos del aire y del refrigerante, fue posible conocer la
capacidad térmica de los radiadores (intercambiadores de flujo cruzado con ambos fluidos
sin mezclar) siguiendo los siguientes pasos [20].
A. Inicialmente, se realizó una caracterización del radiador empleado con el fin de conocer
sus propiedades geométricas:
➢ Área de transferencia de calor.
➢ Espesor de aletas y tubo.
➢ Diámetros hidráulicos.
48
➢ Longitud de los tubos.
➢ Número de tubos.
➢ Paso de aletas.
➢ Densidad de área de superficie de transferencia de calor.
B. Se calcularon las propiedades termofísicas de los fluidos y se asumieron las temperaturas
de salida tanto para el refrigerante como para el radiador.
C. A continuación, se determinaron los números Reynolds, Prandtl y Nusselt del aire y del
refrigerante, quienes permitieron conocer las características adimensionales de
transferencia de calor y de fricción de los radiadores.
𝑅𝑒 =4∗𝑟ℎ∗�̇�
𝐴 Eq. 24
𝑃𝑟 =𝜇∗𝐶𝑝
𝑘 Eq. 25
𝑁𝑢 = 0,023 ∗ (𝑅𝑒)0,8 ∗ (𝑃𝑟)0,4 Eq. 26
D. A partir del número Nusselt, fue posible hallar los coeficientes de convección para el aire
y para el refrigerante.
𝑁𝑢 =ℎ ∗ 𝐷ℎ
𝑘
ℎ =𝑁𝑢∗𝑘
𝐷ℎ Eq. 27
Donde:
𝐷ℎ: 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑦𝑒 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 −𝑎𝑖𝑟𝑒). 𝑟ℎ: 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑦𝑒 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 − 𝑎𝑖𝑟𝑒). �̇�: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑦 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒
𝐴: Á𝑟𝑒𝑎 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣é𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑦𝑒 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 − 𝑎𝑖𝑟𝑒)
𝜇: 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎. 𝐶𝑝: 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎.
𝑘: 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎.
E. Conocidos los coeficientes de convección para los dos fluidos, entonces se halló el
coeficiente global de transferencia de calor el cual fue definido en términos de la
resistencia térmica total del radiador, pues esta variable considera la resistencia a la
convección, conducción e incrustación entre el aire y el refrigerante. Partiendo de la
Ecuación 13, el coeficiente global de transferencia de calor se define de la siguiente
manera.
49
1
𝑈𝐴=
1
(𝑈𝐴)ℎ=
1
(𝑈𝐴)𝑐=
1
(ℎ𝑟𝑒𝑓𝐴𝑟𝑒𝑓)𝑟𝑒𝑓
+𝑅𝑓,𝑟𝑒𝑓
𝐴𝑟𝑒𝑓+ 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 +
1
(𝜂𝑜ℎ𝑎𝑖𝑟𝐴𝑎𝑖𝑟)𝑎𝑖𝑟 Eq. 28
𝜂𝑜 = 1 −𝐴𝑎𝑖𝑟
𝐴∗ (1 − 𝜂𝑓) = 1 −
𝐴𝑎𝑖𝑟
𝐴∗ (1 −
tanh(𝑚𝐿)
𝑚𝐿) Eq. 29
𝑚 = √2ℎ𝑎𝑖𝑟
𝑘𝛿𝑎
Donde:
ℎ𝑟𝑒𝑓: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒.
𝐴𝑟𝑒𝑓: Á𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑦𝑒 𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒.
𝑅𝑓,𝑟𝑒𝑓: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑢𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒.
ℎ𝑎𝑖𝑟: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒. 𝐴𝑎𝑖𝑟: Á𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑦𝑒 𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒. 𝐴: Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟. 𝜂𝑓 : 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎.
𝑚: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑚. 𝐿: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎. 𝑘: 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙. 𝛿𝑎: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎.
F. En este paso, se calculó la razón real de transferencia de calor del intercambiador y para
ello se utilizó el método de la eficiencia-NTU, pues este concepto se aplica en el análisis
de los intercambiadores de calor cuando se desea determinar la razón de la transferencia
de calor y las temperaturas de salida de los fluidos caliente y frío para valores prescritos
de gasto de masa y temperaturas de entrada de los fluidos, cuando se especifican el tipo
y el tamaño del intercambiador. Este método se basa en un parámetro adimensional
llamado efectividad de transferencia de calor 𝜖 [21].
𝜖 =�̇�
�̇�𝑚á𝑥 Eq. 30
Cuando 𝐶𝑓𝑟í𝑜 es diferente a 𝐶𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 , el cual suele ser el caso, el fluido con la razón de
capacidad calorífica menor experimentará un cambio más grande en la temperatura y, de este
modo, será el primero en experimentar la diferencia máxima de temperatura, en cuyo punto,
se suspenderá la transferencia de calor [21]. Por lo tanto, la razón máxima posible de
transferencia de calor en el intercambiador de calor se halló de la siguiente manera:
50
�̇�𝑚á𝑥 = 𝐶𝑚í𝑛(𝑇𝑟𝑒𝑓𝑖𝑛− 𝑇𝑐𝑖𝑛
) Eq. 31
𝐶𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = �̇�𝑟𝑒𝑓𝑐𝑝𝑟𝑒𝑓 𝐶𝑎𝑖𝑟 = �̇�𝑎𝑖𝑟𝑐𝑝𝑎𝑖𝑟
Eq. 32
Donde:
𝐶𝑚í𝑛: Razón de capacidad calorífica mínima. �̇�: 𝑅𝑎𝑧ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 �̇�𝑚á𝑥 : 𝑅𝑎𝑧ó𝑛 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
Una vez conocida la efectividad del intercambiador y la razón máxima de la transferencia de
calor, entonces fue posible determinar la razón de transferencia de calor real (�̇�).
�̇� = 𝜖 �̇�𝑚á𝑥
�̇� = 𝜖 𝐶𝑚í𝑛(𝑇𝑟𝑒𝑓𝑖𝑛− 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑖𝑛
) Eq. 33
Y la efectividad de un intercambiador de calor depende de su configuración geométrica, así
como la configuración del flujo. Para un intercambiador de flujo cruzado con los dos fluidos
no mezclados, la efectividad del radiador fue determinada así [21]:
𝜖 = 1 − 𝑒𝑥𝑝 {𝑁𝑇𝑈0,22
𝑐[𝑒𝑥𝑝(−𝑐 𝑁𝑇𝑈0,78)]}
𝑁𝑇𝑈 =𝑈𝐴𝑠
𝐶𝑚í𝑛=
𝑈𝐴𝑠
(�̇�𝑐𝑝)𝑚í𝑛
𝑐 =𝐶𝑚í𝑛
𝐶𝑚á𝑥
Donde:
NTU: Número de unidades de transferencia.
C: relación de capacidades caloríficas.
U: coeficiente de transferencia de calor total.
As: área superficial de transferencia del intercambiador.
Sin embargo, se debe tener en cuenta que también es posible hallar la efectividad de
transferencia de calor del intercambiador utilizando la Gráfica 8.
51
Grafica 8.Efectividad para los intercambiadores de calor. [21]
Conociendo la efectividad del radiador, fue posible encontrar las temperaturas reales de
salida para el refrigerante y para el aire.
𝑇ℎ𝑜𝑢𝑡= −
�̇�
𝐶𝑟𝑒𝑓+ 𝑇ℎ𝑖𝑛
𝑇𝑐𝑜𝑢𝑡=
�̇�
𝐶𝑎𝑖𝑟+ 𝑇𝑐𝑖𝑛
Eq. 34
G. El cálculo de la cabeza de presión perdida por el refrigerante se halló de la siguiente
manera.
ℎ𝐿 = 𝑁𝑡 ∗ 𝑓𝑟𝑒𝑓 ∗ (𝐿1
𝐷ℎ𝑟𝑒𝑓
) ∗ ((𝑣𝑟𝑒𝑓)
2
2∗9,81) Eq. 35
Donde:
𝑓𝑟𝑒𝑓 : 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒.
𝐿1: 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑣𝑟𝑒𝑓: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣é𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜.
Finalmente, con el fin de crear las condiciones de transferencia de calor por convección
forzada, se seleccionó el ventilador que proporcionó dicha condición y para ello fue necesario
conocer de entrada la potencia corregida para las condiciones de Medellín. Con base en la
norma SAE J1349 se realizó la corrección de la potencia de la siguiente manera [22]
52
𝐶𝐴 = (99
𝑃𝑎𝑡𝑚,𝑀𝑒𝑑𝑒) (
𝑇𝑀𝑒𝑑𝑒+273
298)
0,5
Eq. 36
Después de hallar el factor de corrección del aire entonces fue posible calcular la potencia al
freno en las condiciones de Medellín
𝑁𝑒𝑀𝑒𝑑=
𝑁𝑒
1,176 𝐶𝐴−0,176 Eq. 37
Conociendo la potencia entregada por el motor a condiciones de Medellín y asumiendo una
eficiencia de este del 40%, se encontró la energía del combustible.
𝑁𝑒𝑀𝑒𝑑= �̇�𝑓𝑃𝐶𝐼
�̇�𝑓𝑃𝐶𝐼 =𝑁𝑒𝑀𝑒𝑑
𝜂𝑒 Eq. 38
Con el valor hallado de la Ecuación 38 y asumiendo que la energía transferida al combustible
es del 30%, entonces se logró conocer la cantidad de energía que debía ser extraída del
refrigerante para garantizar un estado seguro del motor.
�̇�𝑟𝑒𝑓 = �̇�𝑓𝑃𝐶𝐼 ∗ 0,3 Eq. 39
Donde:
𝑇𝑀𝑒𝑑𝑒 : 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑀𝑒𝑑𝑒𝑙𝑙í𝑛. 𝑃𝑎𝑡𝑚,𝑀𝑒𝑑𝑒 : 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑀𝑒𝑑𝑒𝑙𝑙í𝑛. 𝑁𝑒𝑀𝑒𝑑
: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎.
�̇�𝑓: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒.
𝑃𝐶𝐼: 𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒. 𝜂𝑒 : 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟.
Finalmente, conociendo la razón de transferencia de calor real de los radiadores y la energía
transferida al refrigerante por el motor, entonces se pudo conocer el caudal de aire necesario
que debe atravesar los radiadores para retirar dicha energía del refrigerante y lograr un estado
seguro del motor. Conociendo este caudal, entonces se seleccionó el ventilador de un
catálogo.
5. Análisis y resultados
Para comenzar, se debe dejar claro que los resultados obtenidos en este trabajo de grado son
esencialmente teóricos, pues el alcance máximo se centra en el diseño del sistema de
refrigeración del motor en estudio, logrando una descripción detallada de los radiadores y del
ventilador auxiliar que se requiere para lograr una adecuada refrigeración de dicho motor.
53
Por otra parte, es importante aclarar que los resultados numéricos obtenidos pueden presentar
variaciones y por tal razón es indispensable realizar una medición rigurosa de las variables
en cuestión para garantizar resultados confiables.
El análisis y resultados de este trabajo de grado se resume en 3 etapas: la primera describe
los resultados obtenidos en la revisión sistemática de la literatura. En la segunda etapa se
puede encontrar la caracterización de los elementos que componen el sistema de refrigeración
y la descripción del funcionamiento de todo el sistema en conjunto. Y, en la última etapa, se
muestran y analizan los resultados numéricos del cálculo de la capacidad de transferencia de
calor de los dos radiadores, y las características del ventilador adicional seleccionado con el
cual se simula el flujo de aire que atraviesa el radiador cuando el vehículo se encuentra en
movimiento. A continuación, se describe detalladamente cada una de las etapas mencionadas.
5.1. Metodología de indexación y resumen en Scopus
Como se mencionó anteriormente, en el proceso de la revisión sistemática de la literatura se
construyeron 3 algoritmos de búsqueda para la ejecución de la metodología de indexación y
resumen en Scopus y los cuales permitieron identificar las tendencias de las diferentes
estrategias y sistemas de refrigeración que ayudan a controlar la temperatura en motores de
combustión interna. La Figura 18 ilustra el mapa de delimitación del ELR que se obtuvo con
la implementación de la metodología antes mencionada y en el cual se puede observar el
análisis de calidad que se hizo a la información encontrada.
Figura 18. Mapa de delimitación del ELR.
Con el primer algoritmo de búsqueda se encontraron un total de 1697 publicaciones que
trataban el tema investigado y las áreas que se encuentran involucradas, en este caso: los
54
sistemas de refrigeración del motor de combustión interna. También se pudo identificar que,
a través de los años, este tema ha llamado la atención de los científicos, pues como se muestra
en la Gráfica 9, en los últimos 20 años las publicaciones acerca de sistemas de refrigeración
para motores de combustión interna han ido aumentando de manera considerable,
permitiendo concluir que este es un asunto de gran relevancia para el mundo en la actualidad.
Grafica 9. Número de publicaciones acerca de sistemas de refrigeración de motores de combustión interna a través de
los años.
Por otra parte, los resultados también muestran que países como China y Estados Unidos son
los que más han estudiado el tema en cuestión y presentan la mayor cantidad de publicaciones
superando a grandes potencias mundiales como: Italia, Alemania, Reino Unido, Japón, entre
otros. En la Gráfica 10, se ilustra la cantidad de publicaciones que presentan estos países.
55
Grafica 10. Publicaciones acerca de sistemas de refrigeración para motores de combustión interna por países.
En esta primera etapa de la investigación sistemática de la información también se encontró
que las universidades que más se destacan en los estudios de estos sistemas, están ubicadas
en el continente asiático. Lo anterior es de esperarse, puesto que China es el país que más
publicaciones ha hecho acerca de este tema. En la Gráfica 11, se ilustra la cantidad de
publicaciones que se han realizado acerca de sistemas de refrigeración de motores de
combustión interna por universidades en el mundo.
56
Grafica 11. Publicaciones que se han realizado acerca de sistemas de refrigeración de motores de combustión interna
por universidades en el mundo.
Como lo muestra la Gráfica 12, se pudo rescatar que las áreas con mayor aporte al desarrollo
de este tema son: la ingeniería, la energía y las ciencias ambientales, tal como se esperaba,
pues en la actualidad los motores de combustión interna son un tema de alto interés ya que
son un foco de emisiones contaminantes y además son máquinas muy ineficientes, por lo
tanto, allí se encuentra un alto potencial para la recuperación de energía.
Grafica 12. Publicaciones acerca del sistema de refrigeración de los motores de combustión interna por áreas
académicas.
Una vez analizada la información entregada por el primer algoritmo de búsqueda, se realizó
un filtro con el objetivo de encontrar información más precisa e ir cerrando los resultados de
la búsqueda y con el cual se obtuvo un total de 85 publicaciones encontradas. Además, a cada
una de estas publicaciones se les hizo su respectivo análisis de calidad con el fin de identificar
los documentos que aportaban información valiosa para el desarrollo de este trabajo de grado.
Este análisis de calidad se hizo con un chequeo exploratorio del título y resumen de cada
Top.
Al chequear la información suministrada en el Top 85, se pudo encontrar que hay estudios
que hablan del tema en una escala muy baja y por esta razón se consideró que no eran
relevantes para el desarrollo de este trabajo. Por lo anterior, y como resultado del análisis de
calidad, se encontró un Top 30 en el cual se observaron publicaciones que tienen un alto
contenido de información que aportaba al desarrollo de este trabajo de grado de los cuales se
puede ver algunos en la Tabla 6.
57
Tabla 6. Análisis de calidad - Top 30
Autor-es Titulo Año Fuente Citaciones
Pizzonia F., Castiglione
T., Bova S.,
A Robust Model Predictive Control for
efficient thermal management of internal
combustion engines
2016 Applied Energy 30
Aschemann H., Prabel
R., Gross C., Schindele
D.,
Flatness-based control for an internal
combustion engine cooling system 2011
2011 IEEE
International
Conference on
Mechatronics, ICM
2011 - Proceedings
22
Morawitz U., Mehring J.,
Schramm L.,
Benefits of thermal spray coatings in internal
combustion engines, with specific view on
friction reduction and thermal management
2013 SAE Technical Papers 16
Castiglione T., Pizzonia
F., Bova S.,
A novel cooling system control strategy for
internal combustion engines 2016
SAE International
Journal of Materials
and Manufacturing
15
Chen X., Yu X., Lu Y.,
Huang R., Liu Z., Huang
Y., Roskilly A.P.,
Study of different cooling structures on the
thermal status of an Internal Combustion
Engine
2017 Applied Thermal
Engineering 12
Chalet D., Lesage M.,
Cormerais M.,
Marimbordes T.,
Nodal modelling for advanced thermal-
management of internal combustion engine 2017 Applied Energy 11
Yu X., Chen H., Huang
H., Chen Q., Gao Y.,
Development of numerical simulation on
flow and heat transfer in internal combustion
engine cooling system
2008
Jixie Gongcheng
Xuebao/Chinese
Journal of Mechanical
Engineering
9
Liu Y., Zhou D.-S.,
Zhang H.-G.,
Dynamic simulation model for cooling
system of vehicle internal combustion engine 2007
Neiranji
Gongcheng/Chinese
Internal Combustion
Engine Engineering
7
Simic D., Lacher H.,
Kral C., Pirker F.,
Evaluation of the SmartCooling (SC) library
for the simulation of the thermal management
of an internal combustion engine
2007 SAE Technical Papers 7
Al revisar el Top 30, se verificó que las publicaciones fueran representativas en el título,
resumen y palabras clave, encontrando así que el algoritmo está bien enfocado y cumple con
los requerimientos de la metodología. Sin embargo, para encontrar información más precisa,
se tuvo en cuenta un filtro más exigente realizando una revisión profunda de cada documento.
Encontrando al final un Top 10, los cuales fueron implementados en el desarrollo de este
trabajo de grado gracias a que tienen un alto contenido de información de interés en el tema
estudiado. En la Tabla 7, se pueden observar los documentos que fueron utilizados para la
elaboración de este trabajo de grado.
58
Tabla 7. Análisis de calidad - Top 10.
Autor-es Titulo Año Fuente Citaciones
Pizzonia F., Castiglione
T., Bova S.,
A Robust Model Predictive Control for
efficient thermal management of internal
combustion engines
2016 Applied Energy 30
Morawitz U., Mehring J.,
Schramm L.,
Benefits of thermal spray coatings in internal
combustion engines, with specific view on
friction reduction and thermal management
2013 SAE Technical Papers 16
Castiglione T., Pizzonia
F., Bova S.,
A novel cooling system control strategy for
internal combustion engines 2016
SAE International
Journal of Materials
and Manufacturing
15
Chen X., Yu X., Lu Y.,
Huang R., Liu Z., Huang
Y., Roskilly A.P.,
Study of different cooling structures on the
thermal status of an Internal Combustion
Engine
2017 Applied Thermal
Engineering 12
Chalet D., Lesage M.,
Cormerais M.,
Marimbordes T.,
Nodal modelling for advanced thermal-
management of internal combustion engine 2017 Applied Energy 11
Zhang J., Xu Z., Lin J.,
Lin Z., Wang J., Xu T.,
Thermal characteristics investigation of the
internal combustion engine cooling-
combustion system using thermal boundary
dynamic coupling method and experimental
verification
2018 Energies 6
Chastain J.H., Wagner
J.R.,
Advanced thermal management for internal
combustion engines - Valve design,
component testing and block redesign
2006 SAE Technical Papers 6
Castiglione T., Bova S.,
Belli M.,
A Novel Approach to the Thermal
Management of Internal Combustion Engines 2017 Energy Procedia 3
Mahlia T.M.I.,
Husnawan M., Masjuki
H.H., Chow K.V., Low
T.S., Liaw A.W.J.,
Energy analysis of cooling pump in internal
combustion engine 2009
ASME International
Mechanical
Engineering Congress
and Exposition,
Proceedings
1
Śliwiński K.,
Szramowiat M.,
Development of cooling systems for internal
combustion engines in the light of the
requirements of modern drive systems
2018
IOP Conference Series:
Materials
Science and
Engineering
0
59
Finalmente, con el tercer y último algoritmo de búsqueda, se realizó un último y más exigente
filtro con los últimos cinco años de los trabajos publicados por los investigadores en el
mundo, que responde P3: ¿Cuáles son las publicaciones sobre sistemas de refrigeración para
motores de combustión interna, más posicionadas en la comunidad académica en los últimos
5 años?, obteniendo así, un Top 7 (ver Tabla 8) que describe el panorama de las
investigaciones que se están llevando a cabo en la actualidad.
Tabla 8. Estado del arte - Top 7.
Autor-es Titulo Año Fuente Citaciones
Pizzonia F., Castiglione
T., Bova S.,
A Robust Model Predictive Control for
efficient thermal management of internal
combustion engines
2016 Applied Energy 30
Castiglione T., Pizzonia
F., Bova S.,
A novel cooling system control strategy for
internal combustion engines 2016
SAE International
Journal of Materials
and Manufacturing
15
Chen X., Yu X., Lu Y.,
Huang R., Liu Z., Huang
Y., Roskilly A.P.,
Study of different cooling structures on the
thermal status of an Internal Combustion
Engine
2017 Applied Thermal
Engineering 12
Chalet D., Lesage M.,
Cormerais M.,
Marimbordes T.,
Nodal modelling for advanced thermal-
management of internal combustion engine 2017 Applied Energy 11
Zhang J., Xu Z., Lin J.,
Lin Z., Wang J., Xu T.,
Thermal characteristics investigation of the
internal combustion engine cooling-
combustion system using thermal boundary
dynamic coupling method and experimental
verification
2018 Energies 6
Castiglione T., Bova S.,
Belli M.,
A Novel Approach to the Thermal
Management of Internal Combustion Engines 2017 Energy Procedia 3
Śliwiński K.,
Szramowiat M.,
Development of cooling systems for internal
combustion engines in the light of the
requirements of modern drive systems
2018
IOP Conference Series:
Materials Science and
Engineering
0
5.2. Caracterización del sistema de refrigeración y su funcionamiento.
Para realizar un adecuado diseño del sistema de refrigeración y garantizar que cumpliera con
las condiciones de extracción de calor del motor ya ubicado en el banco de pruebas, fue
necesario hacer una investigación de los elementos que componen el sistema y de esta manera
se logró comprender su respectivo funcionamiento. Para esto se realizó un estudio detallado
de los componentes del motor que se tenía en el laboratorio, utilizando manuales de
fabricante y entrevistas con expertos que tenían conocimientos acerca del funcionamiento del
motor en estudio y sus sistemas auxiliares. A continuación, se describe los resultados de dicha
investigación.
60
5.2.1. Elementos que componen el sistema de refrigeración definido.
En las Figuras 19 y 20, es posible observar la ubicación de los elementos del sistema de
refrigeración en el motor estudiado.
Figura 19. Ubicación de los elementos que componen el sistema de refrigeración en el motor (vista frontal).
Y en la Tabla 9, se describen los nombres de cada uno de los elementos identificados que
hacen parte del sistema de refrigeración convencional del motor.
Tabla 9. Nombre de los elementos que componen el sistema de refrigeración que se encuentran ubicados en el motor
(vista frontal).
ITEM DESCRIPCIÓN
1 Tapa de alivio de presión
2 Botella de desgasificación
3 Polea de la bomba de refrigerante
4 Bomba de refrigerante
5 Alojamiento o carcasa del termostato y termostato
6 Radiador
7 Motor del ventilador de refrigeración y cubierta
8 Enfriador de aceite
9 Válvula solenoide de cierre de refrigerante
- Sensor de temperatura del refrigerante del motor (ETC)
- Sensor de temperatura de la cabeza del cilindro (CHT)
61
• Tapa de alivio de presión
A medida que aumenta la temperatura del refrigerante, este se expande y debido a que el
sistema de refrigeración está sellado, esta expansión causa un aumento de la presión en el
sistema de refrigeración, lo cual es normal y parte del diseño. Cuando el refrigerante está
bajo presión, la temperatura en la que el fluido alcanza su punto ebullición es
considerablemente más alta. Esta presión, junto con el mayor punto de ebullición del
etilenglicol, permite que el refrigerante alcance con seguridad temperaturas superiores a los
250ºC.
Las funciones de la tapa de alivio de presión son las siguientes:
➢ Mantiene la presión del sistema en 150 Kpa (21,7 Psi), pues, no mantener la presión
provocaría el cambio de estado del refrigerante y fuga de este.
➢ Permite que el refrigerante alcance una mayor temperatura sin alcanzar su punto de
ebullición.
➢ Evita el daño de elementos del sistema de refrigeración, pues una alta presión en el
sistema podría causar daños como: romper el radiador y las mangueras.
➢ Junto con la botella de desgasificación, evita que ingrese aire al sistema cuando el
refrigerante se contrae (motor enfriándose) ya que aire en el sistema provoca corrosión y
un mal proceso de refrigeración
Finalmente, es importante conocer la presión del sistema de refrigeración pues esta variable
debe estar siempre controlada para no causar daños en algún elemento del sistema de
refrigeración, ni en el motor. En la Tabla 10, se pueden observar la presión del sistema de
refrigeración del motor estudiado.
Tabla 10. Presión del sistema de refrigeración.
Prueba de presión del sistema de enfriamiento 150 Kpa (21,7 Psi)
Tapa de alivio de presión 120 Kpa (17,4 Psi) - 150 Kpa (21,7 Psi)
Prueba de la presión del radiador 138 Kpa (20 Psi)
• Botella de desgasificación
Este elemento, es el encargado de contener el excedente de refrigerante y a su vez, elimina
el aire del sistema de refrigeración. Además, permite la expansión del refrigerante y la
presurización del sistema, reabastece el sistema de refrigerante y sirve como referencia para
el llenado del refrigerante.
62
• Polea de la bomba de refrigerante
Este dispositivo es el encargado de transmitir movimiento a la bomba del refrigerante desde
el cigüeñal a través de una correa de distribución. Es importante mencionar que, en motores
futuros, este elemento tiende a desaparecer pues con el concepto del “Thermal management”,
las bombas de refrigerante estarán accionadas eléctricamente dando así la posibilidad de que
la bomba trabaje en función de la temperatura del motor como debe ser y no de las RPM del
motor como lo es en la actualidad, unida al cigüeñal a través de una polea y una correa de
distribución. Esta nueva configuración permitirá a su vez aumentar la eficiencia del motor
pues se eliminaría las perdidas por fricción que generan las poleas y sus correas.
• Bomba de refrigerante
La bomba de refrigerante es la encargada de mantener el refrigerante en movimiento mientras
el motor esté funcionando. Lleva el líquido refrigerante a través del bloque y la culata del
motor y es accionada mediante el giro de cigüeñal a través de la una polea y una correa de
distribución. En este caso, está ubicada en la parte delantera del motor, además está
compuesta por una carcasa, en este caso de aluminio y un impulsor o impeller montado en el
eje de la polea unida al eje en el exterior del cuerpo de la bomba. El impulsor o impeller
utiliza la fuerza centrífuga para atraer el refrigerante desde la manguera inferior del radiador
y enviarlo bajo presión al bloque del motor, además cuenta con un empaque que evita que el
fluido salga de la carcasa de la bomba.
• Alojamiento o carcasa del termostato
La carcasa del termostato contiene al termostato con el fin de protegerlo de daños y de fugas
de refrigerante, además actúa como salida de refrigerante al radiador y está ubicado entre el
bloque del motor y el radiador.
• Termostato
Aunque en la actualidad los sistemas de gestión térmica reemplazan el termostato
convencional (cera termoexpansiva) por una válvula de control con el fin de alcanzar una
temperatura más alta en el motor y en un menor tiempo, no es el caso del motor en estudio.
El termostato del motor en estudio utiliza una válvula de control convencional la cual utiliza
una cera termoexpansiva refinada con petróleo que está calibrada de acuerdo con las
especificaciones que se muestran en la Tabla 11. Esta válvula es accionada por la temperatura
del refrigerante y se encuentra ubicada entre el bloque del motor y el radiador, ayudando así
a regular el flujo del refrigerante según sea necesario para mantener la temperatura correcta
del motor.
Cuando el termostato está cerrado, el flujo del refrigerante se bloquea y el fluido se dirige a
un sistema de derivación que lo conduce hacia la bomba de refrigerante y esta a su vez lo
regresa al motor, esto se repetirá hasta que el refrigerante alcance la temperatura de apertura
mínima del termostato que para este caso es de 82ºC.
63
Una vez el refrigerante alcanza la temperatura mínima de apertura de termostato, la cera se
comienza a expandir dentro del termoelemento causando el desplazamiento del pasador de
acero inoxidable, comprimiendo el resorte y abriendo la válvula, que permite el paso del
fluido al radiador. En la Tabla 11, se puede observar las temperaturas de apertura mínima y
máxima del termostato del motor estudiado:
Tabla 11. Temperaturas de apertura del termostato.
Comienzo de apertura 82ºC (180ºF)
Apertura completamente 97ºC (207ºF)
• Radiador
Es un intercambiador de calor compacto normalmente utilizados en automóviles y se
caracterizan por el ahorro de espacio, por su economía y por tener una gran área superficial
de transferencia de calor por unidad de volumen (𝛽𝑎 = 1000 𝑚2/𝑚3) [21]. En este caso los
radiadores utilizados son fabricados de aluminio.
En este diseño, la implementación de dos radiadores tiene como intención aumentar el área
de transferencia de calor del refrigerante caliente a un depósito sumidero a través de
mecanismos de transferencia de calor como: la conducción y la convección. En las Tablas
12, 13, 14 y 15 se pueden observar las características geométricas de los radiadores utilizados
las cuales fueron obtenidas mediante mediciones tomadas a los mismos.
Tabla 12. Dimensiones del radiador.
Descripción Variable m
Ancho del Radiador 𝐿1 0,4699
Profundidad del Radiador 𝐿2 0,0160274
Alto del Radiador 𝐿3 0,29591
Tabla 13. Espesores del radiador.
Descripción Variable m
Espesor de Aletas 𝛿𝑎 0.0001397
Espesor de los Tubos 𝛿𝑡 0.0003302
Espesor de las placas entre Tubos y Aletas 𝛿𝑤 0
64
Tabla 14. Geometría de los tubos.
Descripción Variable m
Diámetro Exterior 𝑑𝑜 0,002032
Radio Exterior 𝑟𝑜 0,001016
Diámetro Interior 𝑑𝑖 0,0013716
Radio Interior 𝑟𝑖 0,0006858
Diámetro medio 𝑑𝑚 0,0017018
Radio medio 𝑟𝑚 0,0008509
Longitud entre centros 𝐿𝑐 0,0139954
Longitud de los tubos 𝐿𝑡 0,4699
Descripción Variable valor unidades
Número de tubos 𝑁𝑡 29 -
Conductividad del material de los tubos (Aluminio) 𝜆𝐴𝑙 167 𝑊/𝐾. 𝑚
Área de transferencia por conducción de la pared de los
tubos (Wall) 𝐴𝑤 0,454288845 𝑚2
Área total interna de transferencia de calor 𝐴𝑇 0,44015272 𝑚2
Área de flujo libre por los tubos 𝐴𝑓𝑙,𝑡 0,000599536 𝑚2
Área frontal del flujo por los tubos 𝐴𝑓𝑟,𝑡 0,004742668 𝑚2
Relación entre el área de flujo libre y el área frontal 𝜎𝑡 0,126413202 -
Relación entre el área total de transferencia y el volumen
del intercambiador ∝𝑡 197,503696 𝑚2/𝑚3
Diámetro hidráulico 𝐷ℎ,𝑡 0,002560219 𝑚
Radio hidráulico 𝑟ℎ,𝑡 0,000640055 𝑚
Velocidad del refrigerante por el tubo 𝑣𝑟𝑒𝑓 0,400711304 𝑚/𝑠
Tabla 15. Geometría de las aletas.
Descripción Variable m
Distancia entre extremos de dos tubos 𝑑𝑒 0,0120396
Distancia entre centro de dos tubos 𝑋𝑡 0,0100076
Altura de flujo por los tubos 𝑏2 0,002032
Altura de las aletas 𝑏1 0,0079756
Descripción Variable Aletas/m
Paso de Aletas 𝑁𝑓 787,4015748
Descripción Variable Aletas/m
Distancia Entre Aletas 𝑃𝑓 0,00127
Número de desplazamientos (Offset strips) noff 1
65
Descripción Variable valor unidades
Número de pasajes de aletas 𝑁𝑝 30 -
Conductividad del material de las aletas (Aluminio) 𝜆𝐴𝑙 167 𝑊/𝐾. 𝑚
Área total de las placas que cubren las aletas 𝐴𝑇𝑝,𝑎 0,4518765 𝑚2
Numero de aletas totales del intercambiador 𝑛𝑓 11100 -
Área de las bases de las aletas cubriendo las placas
de arriba y abajo 𝐴𝑏,𝑎 0,0497064 𝑚2
Área de los laterales de las aletas 𝐴𝑙,𝑎 0,0076697 𝑚2
Área lateral de los tubos en las caras de las aletas 𝐴𝑙𝑡,𝑎 0,0591999 𝑚2
Área total primaria de la superficie de las aletas 𝐴𝑝,𝑎 0,4690397 𝑚2
Área de la sección lateral de todas las aletas 𝐴𝑠𝑙,𝑎 2,7880781 𝑚2
Área del borde las aletas a lo alto (height) 𝐴ℎ,𝑎 0,0243018 𝑚2
Área del borde las aletas a lo ancho (weight) 𝐴𝑤,𝑎 0,0039387 𝑚2
Área total secundaria de la superficie de las aletas 𝐴𝑠,𝑎 2,8163186 𝑚2
Área total de transferencia de calor 𝐴𝑇,𝑎 3,2853583 𝑚2
Área de flujo libre por las aletas 𝐴𝑓𝑙,𝑎 0,0983118 𝑚2
Área frontal del flujo por las aletas 𝐴𝑓𝑟,𝑎 0,1390481 𝑚2
Relación entre el área de flujo libre y el área frontal 𝜎𝑎 0,7070343 -
Relación entre el área total de transferencia y el
volumen total del intercambiador ∝𝑎 1474,1938 𝑚2/𝑚3
Volumen del intercambiador entre placas 𝑉𝑝,𝑎 0,001802 𝑚3
Diámetro hidráulico 𝐷ℎ,𝑎 0,0019184 𝑚
Radio hidráulico 𝑟ℎ,𝑎 0,0004796 𝑚
Densidad de la superficie de área 𝛽𝑎 1823,1802 𝑚2/𝑚3
• Motor del ventilador de refrigeración y cubierta
El motor del ventilador es el encargado de accionar el ventilador para evacuar el calor del
refrigerante en el radiador a través de la convección forzada. Una vez la temperatura del
motor aumenta considerablemente (100ºC – 103ºC), El sensor ETC envía una señal al PCM
(Módulo de Control del Tren Motriz) que hace poner en marcha el motor del ventilador.
Por otra parte, la cubierta del ventilador es el protector de plástico que cubre las aspas del
ventilador. Una función obvia de la cubierta del ventilador es proteger y cubrir las aspas del
ventilador para que no sean golpeadas por los escombros. La cubierta del ventilador también
permite que el aire se concentre en el radiador y aseguran un enfriamiento óptimo del motor.
• Enfriador de aceite
El enfriador de aceite es un intercambiador de calor de coraza y tubos refrigerante/aceite y
su propósito es permitir que el sistema de refrigeración del motor elimine el exceso de calor
del aceite lubricante del motor y de la transmisión a través del radiador. El aceite fluye
66
entonces alrededor de los tubos del refrigerador mientras que el refrigerante del motor fluye
a través de los tubos trasfiriendo así el calor por conducción a través de las paredes de los
tubos al refrigerante circundante.
El control de la temperatura del aceite lubricante disminuye la formación de contaminantes
ya que, a temperaturas superiores a los 125ºC, el aceite comenzará a oxidarse, es decir, se
formará una capa de hollín de carbono en las superficies del intercambiador disminuyendo
la efectividad de refrigeración, aspecto a tener en cuenta, puesto que mantener el aceite a una
temperatura optima ayudará a la reducción de pérdidas por fricción y por ende a conservar
las piezas móviles del motor.
• Válvula solenoide de cierre de refrigerante
La válvula de cierre de refrigerante es una válvula controlada electrónicamente y es la
encargada de bloquear o permitir el paso del refrigerante a través de la carcasa del termostato,
la bomba de refrigerante, el motor (Bloque, cilindro y culata), núcleo del calentador, el
enfriador de aceite del motor, el turbo y la botella de desgasificación y se abre cuando la
válvula no está energizada.
• Sensor de temperatura del refrigerante del motor (ECT)
El sensor de temperatura del refrigerante ECT (Engine Coolant Temperature) es un termistor
que se encuentra ubicado cerca del termostato y es el encargado de medir la temperatura del
refrigerante del motor a través de una resistencia (a mayor temperatura, menor es su
resistencia), que provoca la caída de voltaje a la computadora para que ajuste la mezcla aire
/combustible y la duración de pulsos de los inyectores. Además, este sensor es el encargado
de enviar la información a la PCM para la activación del electro ventilador (Ver Anexo A).
• El sensor de temperatura de la cabeza del cilindro (CHT)
El sensor CHT (Cylinder Head Temperature) funciona como estrategia de enfriamiento a
prueba de fallas y está ubicado en la culata. El CHT es el encargado de medir continuamente
la temperatura de la cabeza de los cilindros con el fin de identificar cuando el motor se
encuentra con en una eventual sobre temperatura y al igual que el ETC es un termistor pues
mide la temperatura de los cilindros a través de una resistencia la cual disminuye al aumentar
la temperatura (Ver Anexo A).
Como se mencionó anteriormente, el CHT está diseñado para gestionar una estrategia de
enfriamiento a prueba de fallas, en esta estrategia el PCM (Módulo de control) determina de
acuerdo a la señal del CHT cuando la temperatura del conjunto excede los parámetros de
funcionamiento seguro (110ºC – 111ºC), en caso de sobrepasar dichos valores el motor
adopta la estrategia, con lo que básicamente fija el trabajo del electro ventilador en la posición
de velocidad más alta, y desconecta cilindros en el motor, para esto corta el funcionamiento
de uno o varios inyectores, al realizar esta operación, los cilindros operan como una bomba
de aire bajando la carga térmica del motor, esto lo realiza hasta llegar a una temperatura
segura, en la cual corta la estrategia.
67
Figura 20. Ubicación de los elementos que componen el sistema de refrigeración en el motor (vista lateral derecha).
La Tabla 16, describe los nombres los elementos restantes que se identificaron y hacen parte
del sistema de refrigeración convencional del motor.
Tabla 16. Nombre de los elementos que componen el sistema de refrigeración que se encuentran ubicados en el motor
(Parte lateral derecha).
ÍTEM NOMBRE
1 Válvula solenoide de derivación de refrigerante
2 Conexión del refrigerante
15 Calentador de bloque
• Válvula solenoide de derivación de refrigerante
La válvula solenoide de derivación de refrigerante o también conocida como Baypass es una
válvula controlada electrónicamente que permite o bloquea el flujo de refrigerante del motor
y normalmente está cerrada cuando no está activa. Si el refrigerante no está lo
suficientemente caliente, el flujo hacia el radiador se bloquea y la válvula se encargará de
derivar el refrigerante, permitiendo así la circulación del fluido a la bomba quien a su vez lo
llevará de regreso al motor para equilibrar la temperatura y evitar los puntos calientes.
68
• Conexión del refrigerante
Este dispositivo permite la conexión entre el motor y la manguera superior del radiador.
Una vez el refrigerante alcanza la temperatura de apertura del termostato, este se abre y hace
pasar el refrigerante hacia el radiador.
• Calentador de bloque
Este dispositivo es uno de los sistemas de gestión térmica con el que cuenta este motor y se
utiliza normalmente en lugares donde las condiciones ambientales son extremas, pues con
temperaturas muy bajas el aceite se vuelve más denso y tardará más tiempo en llegar a la
parte superior del motor. Con temperaturas por debajo de los -15ºC estos dispositivos marcan
la diferencia para el encendido del motor pues disminuyen la densidad del aceite llevando
con mayor facilidad el aceite hasta la parte superior del motor y a su vez ayuda a calentar el
motor de forma más rápida. Su ubicación está en el bloque, pues debido a la gravedad, el
aceite se aloja en la parte inferior del bloque del motor.
5.2.2. Funcionamiento del sistema de refrigeración
Una vez se identificaron los elementos que componen el sistema de refrigeración y su
ubicación, a través de una entrevista con funcionarios de la marca del motor en estudio se
realizó un análisis detallado del funcionamiento de todos los elementos en conjunto y a
continuación se hace presentan los resultados obtenidos.
El sistema de refrigeración del motor es un sistema cerrado que permite la expansión y la
contracción del refrigerante, así como los cambios de presión a medida que el refrigerante se
calienta y enfría con el funcionamiento del motor. Además, es el encargado de mantener la
temperatura del motor durante el funcionamiento y para ello es esencial garantizar un flujo
correcto de refrigerante a través del motor, el radiador y el resto de los pasajes y componentes
del sistema de refrigeración.
El sistema de refrigeración de este motor está compuesto por 2 sistemas de gestión térmica:
una válvula solenoide de derivación de refrigerante y una válvula solenoide de cierre de
refrigerante. Usando estas dos válvulas, el flujo de refrigerante a través del motor puede ser
restringido o completamente estancado, sacando al motor de las tolerancias de
funcionamiento en frío y lo pondrá en sus rangos de funcionamiento óptimo más
rápidamente. Esta acción trae grandes beneficios, pues entre menos tiempo esté funcionando
el motor de manera ineficiente y con componentes fuera de las temperaturas de
funcionamiento diseñadas, menos desgaste experimentará, pues se minimiza la fricción entre
los elementos móviles. Además, ayuda a reducir el consumo de combustible ya que cuando
los motores operan con temperaturas por debajo de la óptima, se requiere trabajar con una
mezcla rica, ocasionando que parte del combustible salga en los productos de combustión sin
quemar; por esta razón, acelerar el calentamiento del motor reducirá el tiempo de
funcionamiento en condiciones de mezcla ineficiente reduciendo las emisiones en los gases
(principalmente: HC, CO, MP) de escape durante este periodo crítico. Es importante
mencionar, que ambas válvulas están controladas por el PCM (Módulo de Control del Tren
69
motriz) y si una o ambas válvulas no se abren cuando el PCM lo ordena, puede producirse
una condición de sobre calentamiento del motor.
La válvula solenoide de cierre del refrigerante bloquea o permite el flujo de refrigerante a
través de la carcasa del termostato, la bomba de refrigerante, el bloque del motor, los
cilindros, la culata, el núcleo del calentador, el enfriador de aceite y el turbo. Una vez esta
válvula se apertura, el fluido circula hacia la carcasa del termostato y la bomba de
refrigerante, quien accionada por la rotación del motor (cigüeñal) mediante la correa de
transmisión, es la encargada de hacer circular el refrigerante a través del bloque del motor,
los cilindros, la culata, el núcleo del calentador, el enfriador de aceite y el turbo con el fin de
transferir completamente la carga térmica al refrigerante. Cuando el refrigerante todavía no
ha alcanzado la temperatura de apertura del termostato, entonces la válvula de derivación se
apertura permitiendo el flujo del refrigerante nuevamente hacia la bomba. Este ciclo se repite
hasta que el refrigerante alcanza cierta temperatura, y es en este punto cuando el termostato
se abre permitiendo el flujo del refrigerante a través del circuito del radiador para transferir
el calor generado por el motor y los demás dispositivos al ambiente exterior, finalmente el
refrigerante fluye de nuevo hacia la bomba de refrigerante. Para esta última condición, el
radiador no siempre podrá transferir el calor del refrigerante al depósito sumidero y debido a
esto, cuando el sensor ECT emite una temperatura entre los 100ºC – 103ºC a la salida de la
culata, entonces el sensor envía una señal a la PCM que hace poner en marcha el motor del
ventilador permitiendo disminuir la temperatura del motor.
La regulación del calentamiento del motor se realiza en cuatro etapas. Las etapas 1 y 2 se
presentan durante el encendido del motor con una temperatura ambiente de 16ºC – 24ºC (60
ºF-75ºF) más o menos caliente (calibrable).
En la Tabla 17, se describe las condiciones de cada etapa de calentamiento, y la posición de
los actuadores según la etapa.
Tabla 17. Operación del sistema.
Etapa de calentamiento Etapa de trabajo Parámetro Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4.1 Etapa 4.2 Actuador
ECT < 70°C < 70°C > 70°C > 90°C > 90°C Temperatura
ambiente ≥ (16ºC - 24ºC) ≤ (16ºC - 24ºC) N/A N/A N/A RPM N/A N/A > 4000 > 4000 < 4000 Carga N/A N/A > 70% > 70% < 70% A/C N/A Si N/A N/A N/A
Normalmente
cerrada Cerrado Cerrado Abierto Abierto Abierto / Cerrado
Válvula derivación de
refrigerante (Baypass) Cerrado Cerrado Cerrado Abierto Abierto / Cerrado Termostato
Normalmente
abierta Cerrado Abierto Abierto Abierto Abierto
Válvula cierre de
refrigerante Apagado Apagado Apagado Encendido Encendido/Apagado Electro-ventilador
70
A continuación, se describe la operación del sistema de refrigeración en cada una de sus 4
etapas de calentamiento y en las Figuras 22, 23, 24, 25 y 26 se ilustra el flujo del refrigerante
para cada una de ellas. Se debe aclarar que los diagramas solo muestran cómo se da el flujo
de refrigerante a través de los elementos que componen el sistema de refrigeración y no
representan la disposición del diseño del sistema de refrigeración, es decir, esta ilustración
no muestra la ubicación de los radiadores con respecto al motor.
Antes de describir los procesos que se presentan en las 4 etapas de calentamiento del motor,
es importante definir la siguiente convención del estado del refrigerante.
Líquido refrigerante estancado:
Flujo de líquido refrigerante:
Flujo intermitente del líquido refrigerante:
En la Figura 21, se observa la ubicación de cada uno de los elementos a través de los cuales
fluye el refrigerante y en la Tabla 18 se muestra el nombre de cada uno de ellos.
Figura 21. Ubicación de los elementos a través de los cuales fluye el refrigerante.
71
Tabla 18. Nombre de los elementos a través de los cuales fluye el refrigerante.
ÍTEM DESCRIPCIÓN
1 Radiador
2 Electro-ventilador
3 Termostato
4 Válvula derivación de refrigerante
5 Válvula cierra de refrigerante
6 Sensor CHT
7 Sensor ECT
8 Bomba de refrigerante
9 Bloque del motor
10 Filtro de aceite
11 Refrigerador de aceite
12 Núcleo del calentador
13 Turbocompresor
14 Bomba de aceite
15 Botella de desgasificación
• Etapa 1
En la etapa 1, el motor se encuentra en el proceso de arranque (frío) y con una temperatura
ambiente de 16ºC – 24ºC o más caliente, el electro-ventilador permanece apagado al igual
que la válvula solenoide de cierre del refrigerante y la válvula solenoide de derivación
permanecen cerradas condicionando el refrigerante a estar estancado sin circular a través del
motor ni ningún otro dispositivo. Como se mencionó anteriormente, esto se hace con el fin
de minimizar el tiempo de funcionamiento en frío alcanzado en el menor tiempo posible la
temperatura óptima del motor reduciendo así el consumo de combustible, las emisiones
contaminantes y el desgaste del motor.
72
Figura 22. Etapa 1 - Flujo estancado en el motor.
• Etapa 2
Para la etapa 2, el motor todavía se encuentra frío y con una temperatura ambiente de 16ºC –
24ºC (60 ºF-75ºF) o más fría, el electro-ventilador continua apagado al igual que la válvula
de derivación de refrigerante permanece cerrada y la válvula solenoide de cierre del
refrigerante se apertura permitiendo que el refrigerante fluya a través de: la bomba de
refrigerante, el motor (bloque, culata y cilindros), el núcleo del calentador, el enfriador de
aceite de motor, el turbo y la botella de desgasificación.
73
Figura 23. Etapa 2 - Refrigerante fluye a través del motor y los demás elementos a refrigerar.
• Etapa 3
En esta etapa, el motor se encuentra cerca de la temperatura de trabajo, la válvula de
derivación de refrigerante se activa y se apertura cuando se cumplen las siguientes
condiciones: el refrigerante alcanza una temperatura de 70ºC (185ºF), la carga del motor es
superior al 70% y la velocidad del motor es superior a las 4.000 RPM. Una vez la válvula de
derivación se abre, el refrigerante fluye hacia la carcasa del termostato iniciando el
calentamiento del termostato y aumentando la velocidad del flujo del refrigerante a través
del motor (bloque, culata y cilindros) reduciendo así la presión del sistema de refrigeración
y las fluctuaciones de temperatura en el bloque del motor. Los demás actuadores como el
electro-ventilador y la válvula de cierre de refrigerante continúan conservando el estado de
apagado y abierto.
74
Figura 24. Etapa 3 - Refrigerante comienza a fluir hacia el termostato.
• Etapa 4.1
En la etapa final, el motor ya ha alcanzado la temperatura de trabajo. Cuando el refrigerante
alcanza una temperatura alrededor de los 90ºC, el elemento termo expandible dentro del
termostato comienza a cambiar de estado y se da la apertura del termostato haciendo pasar el
refrigerante a través del radiador con el fin de transferir el calor al ambiente exterior. En esta
etapa la válvula de cierre de refrigerante y la válvula de derivación de refrigerante se
encuentran abiertas y una vez el refrigerante alcanza una temperatura entre 100ºC y 103ºC el
sensor ECT envía una señal a la PCM que hace poner en marcha el motor del ventilador
permitiendo disminuir la temperatura del motor.
75
Figura 25. Etapa 4.1 - Refrigerante fluye a través del radiador.
• Etapa 4.2
En esta etapa es donde se puede observar la ejecución de los sistemas de gestión térmica, ya
que cuando el motor ha alcanzado su temperatura optima y está trabajando a una carga
parcial, la válvula de cierre de refrigerante permanece abierta, la válvula de derivación de
refrigerante puede presentar una apertura variable y el electro-ventilador se encenderá o se
apagara según sea necesario con el fin de mantener el motor en las mejores condiciones de
trabajo, fijando la temperatura del refrigerante entre 90ºC y 100ºC.
Al igual que la etapa inicial, en estas condiciones se presenta un ahorro de combustible pues
el motor está operando con mezclas eficientes.
Por otra parte, es importante mencionar que operar un motor en una banda más ajustada
alrededor de la temperatura óptima, reducirá el estrés térmico en los componentes.
Intuitivamente, cuanto menor es el estrés, más larga es la vida del motor.
76
Figura 26. Etapa 4.2 - Refrigerante fluye intermitentemente al radiador con el fin de mantener temperatura de trabajo.
Para finalizar este literal del trabajo de grado y completar el modo de operación del sistema
de refrigeración estudiado, se realizó la selección del fluido encargado de extraer el calor de
exceso en el motor estudiado obteniendo los siguientes resultados:
Cuando se habla de sistemas de refrigeración es muy importante realizar una buena selección
del refrigerante a utilizar, pues entre más alto sea el calor especifico de dicho fluido mejor
será la refrigeración ya que este tendrá una mejor capacidad de absorber el calor. Según
Gollin, M., Bjork, D, el refrigerante más eficaz para transferir el calor en los radiadores es el
agua, seguido por el agua de glicol de etileno (Etilenglicol) 50/50, sin embargo, la elección
del refrigerante depende del material del radiador (Aluminio o cobre) pues de acuerdo a este
parámetro, es recomendable utilizar uno u otro fluido, con el fin de minimizar los fenómenos
de corrosión a mediano y largo plazo y de las condiciones ambientales, pues según las
temperaturas ambientales es necesario variar la mezcla de etilenglicol/agua con el fin de
lograr un punto de congelación más bajo [23]. En condiciones ambientales no extremas se
recomienda utilizar una mezcla 50/50 de glicol de etileno y se debe tener en cuenta que la
eficiencia de enfriamiento de la mezcla es inversamente proporcional a la concentración de
glicol.
Debido a lo anterior y a que la temperatura ambiente promedio de Medellín (ubicación del
banco de pruebas) es de 25ºC aproximadamente, para el sistema de refrigeración
convencional del motor se seleccionó un refrigerante basado en glicol de etileno
77
(Etilenglicol) con una mezcla 50/50 de líquido refrigerante y agua tratada (purificada), el cual
proporciona protección contra la congelación a -37°C (-34°F) y la protección de ebullición
hasta 129°C (265°F). En la Tabla 19, se pueden observar las características del refrigerante
seleccionado:
Tabla 19. Propiedades del refrigerante utilizado en el sistema de refrigeración. [24]
Fluido refrigerante Conductividad
térmica (𝐾)[𝑊/𝑚𝐾]
Calor específico
(𝐶𝑝) [𝐽/𝐾𝑔𝐾]
Viscosidad
dinámica (𝜇) [𝑃𝑎 𝑠]
Densidad (𝜌) [𝐾𝑔/𝑚3]
Número de
Prandtl (𝑃𝑟)
Agua 0,61 4072,71 0,000868 1000 5,78
Agua/Etilenglicol 50% 0,43 3297,63 0,003367 1053,25 25,82
Etilenglicol 0,25 2408,62 0,017195 1109 164,58
5.3. Cálculo de los radiadores y selección del ventilador
5.3.1. Cálculo de los radiadores
A continuación, se presentan los resultados de la metodología descrita en el literal 4.4. Es
importante aclarar que algunas variables fueron suministradas por los ingenieros de la marca
del vehículo, mientras que otras, debido a los inconvenientes presentados con las mediciones,
debieron ser proporcionadas por la literatura consultada.
Los resultados que se muestran en las Tablas 20, 21 y 22, se calcularon para la condición más
crítica en la cual se asume que la velocidad del aire en el frente del radiador puede estar
alrededor de los 6𝑚/𝑠 − 18 𝑚/𝑠 sin tener en cuenta la velocidad del aire cuando el vehículo
se encuentra en movimiento [25] y que el delta de temperatura a la entrada y salida del
radiador tanto para el refrigerante como para el aire es de 10ºC [26].
Las características geométricas de los radiadores se pueden encontrar en el literal 5.2 y en la
Tabla 20 se muestran los resultados de algunos parámetros de flujo calculados para estos
radiadores que serán punto de partida para la validación de la capacidad de transferencia de
calor de los radiadores.
78
Tabla 20. Parámetros de flujo del refrigerante y del aire.
Descripción Variable Unidades Valor
Calor específico a presión constante del refrigerante 𝐶𝑝,𝑟𝑒𝑓 𝐾𝐽/𝐾𝑔 . 𝐾 3,29763
Calor específico a presión constante del aire 𝐶𝑝,𝑎𝑖𝑟 𝐾𝐽/𝐾𝑔 . 𝐾 1,005
Temperatura entrada del refrigerante (Hot Inlet) 𝑇ℎ,𝑖𝑛 𝐾 373
Temperatura salida del refrigerante (Hot Outlet) 𝑇ℎ,𝑜𝑢𝑡 𝐾 363
Temperatura salida del aire (Cold Outlet) 𝑇𝐶,𝑜𝑢𝑡 𝐾 308
Temperatura entrada del aire (Cold Inlet) 𝑇𝐶,𝑖𝑛 𝐾 298
Flujo másico de aire �̇�𝑎𝑖𝑟 𝐾𝑔/𝑠 0,830259923
Flujo másico de refrigerante �̇�𝑟𝑒𝑓 𝐾𝑔/𝑠 0,25303361
Caudal de refrigerante �̇�𝑟𝑒𝑓 𝐿/𝑚𝑖𝑛 14,41444728
Caudal de aire �̇�𝑎𝑖𝑟 𝑚3/𝑠 0,834288654
Velocidad del aire sin considerar la velocidad de
movimiento del vehículo 𝑣𝑎𝑖𝑟 𝑚/𝑠 6
A continuación, en la Tabla 21 se presentan los resultados de las propiedades termofluídicas
y los números adimensionales requeridos por los modelos de transferencia de calor, quienes
fueron calculados partiendo de las temperaturas de salida estimadas, del flujo másico y demás
variables de cada fluido mostradas en la Tabla 20.
Tabla 21. Propiedades termofluídicas.
Descripción Variable unidades valor
Capacitancias del refrigerante (Hot) 𝐶𝑟𝑒𝑓 𝐾𝑊/𝐾 0,834411223
Capacitancias del aire (Cold) 𝐶𝑎𝑖𝑟 𝐾𝑊/𝐾 0,834411223
Capacitancias Mínima 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝐾𝑊/𝐾 0,834411223
Efectividad supuesta 𝜖𝑠 - 0,75
Temperatura salida del aire (Cold Outlet) 𝑇𝐶,𝑜𝑢𝑡 𝐾 354,25
Temperatura salida del refrigerante (Heat Outlet) 𝑇ℎ,𝑜𝑢𝑡 𝐾 316,75
Temperatura promedio del aire (Cold mean) 𝑇𝐶,𝑚 𝐾 326,125
Temperatura promedio del refrigerante (Hot mean) 𝑇ℎ,𝑚 𝐾 344,875
AIRE
Viscosidad del aire 𝜇𝑎𝑖𝑟 𝐾𝑔/𝑚 𝑠 1,81E-05
Densidad del aire 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝐾𝑔/𝑚3 0,995171059
Conductividad térmica del aire 𝜆𝑎𝑖𝑟 𝐾𝐽/𝑚 𝐾 𝑠 2,55E-05
Reynolds del aire 𝑅𝑒𝑎𝑖𝑟 - 8,95E+02
Número de Prandtl del aire 𝑃𝑟𝑎𝑖𝑟 - 0,713073305
Número Nusselt para el aire 𝑁𝑢𝑡𝑎𝑖𝑟 - 4,61830034
Número de Stanton 𝑆𝑡𝑎𝑖𝑟 - 0,006264415
Stanton por Prandtl a la 2/3 para el aire 𝑆𝑡𝑎𝑖𝑟 ∗ (𝑃𝑟𝑎𝑖𝑟)2
3⁄ - 0,005
Factor de fricción del aire 𝐹𝑎𝑖𝑟 - 0,019
Coeficiente de convección del aire ℎ𝑎𝑖𝑟 𝑊/𝐾 𝑚2 61,4110762
79
REFRIGERANTE
Viscosidad del refrigerante 𝜇𝑟𝑒𝑓 𝐾𝑔/𝑚 𝑠 0,003367
Densidad del refrigerante 𝜌𝑟𝑒𝑓 𝐾𝑔/𝑚3 1053,25
Conductividad térmica del refrigerante 𝜆𝑟𝑒𝑓 𝐾𝐽/𝑚 𝐾 𝑠 4,30E-04
Reynolds del refrigerante 𝑅𝑒𝑟𝑒𝑓 - 320,9202643
Número de Prandtl del refrigerante 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑓 - 25,82120979
Número Nusselt para el refrigerante 𝑁𝑢𝑡𝑟𝑒𝑓 - 8,543507076
Factor de fricción del refrigerante 𝐹𝑟𝑒𝑓 - 0,238688573
Coeficiente de Convección interno de los tubos - refrigerante ℎ𝑟𝑒𝑓 𝑊/𝐾 𝑚2 1434,919187
De manera similar, se determinaron las variables necesarias para realizar el cálculo de la
razón de transferencia de calor de cada uno de los radiadores. En la Tabla 22, se muestran
los resultados
Tabla 22. Resultados de las Variables relevantes para el cálculo de transferencia de calor.
Descripción Variable unidades valor
Factor m del aire 𝑚𝑎 𝑚−1 72,55743364
Factor L para el aire 𝐿𝑎 𝑚 0,0039878
Efectividad de las aletas del aire 𝜂𝑓,𝑎𝑖𝑟 - 0,972997162
Efectividad de la superficie de las aletas del aire 𝜂𝑂,𝑎𝑖𝑟 - 0,976852267
Resistencia de convección interna de los tubos (Internal) 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑖𝑛𝑡 = 1ℎ𝑟𝑒𝑓𝐴𝑡
⁄ 𝐾/𝑊 0,001583322
Resistencia de conducción de la pared de los tubos (Wall) 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑,𝑤 =𝛿𝑡
𝐴𝑤𝜆𝐴𝑙⁄ 𝐾/𝑊 4,3524E-06
Resistencia de convección externa por las alertas
(external) 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑒𝑥 = 1
𝐴𝑎𝜂𝑂,𝑎ℎ𝑎𝑖𝑟⁄ 𝐾/𝑊
0,005073897
Rtotal= Inverso coeficiente global de transferencia de
calor 1
𝑈𝐴⁄ 𝐾/𝑊
0,006661571
Número de unidades de transferencia 𝑁𝑇𝑈 - 0,179904977
Relación de capacidades 𝑐 - 1
Efectividad del radiador 휀 - 0,146354025
Temperatura salida del refrigerante real (Hot Outlet) 𝑇ℎ,𝑜𝑢𝑡 𝑟𝑒𝑎𝑙 °𝐶 89,02344812
Temperatura salida del aire real (Cold Outlet) 𝑇𝐶,𝑜𝑢𝑡 𝑟𝑒𝑎𝑙 °𝐶 35,97655188
Cabeza de presión perdida por el refrigerante ℎ𝐿 𝑚 10,39733553
Potencia perdida por paso del refrigerante por los tubos 𝑃𝑝𝑡 𝑊 25,80888711
Razón Máxima de transferencia de calor del radiador �̇�𝑚𝑎𝑥 𝐾𝑊 62,58084173
Razón de transferencia de calor real �̇� 𝐾𝑊 9,158958078
Y en la Tabla 23, se observan los resultados de la razón de transferencia de calor real del
radiador considerando diferentes velocidades del aire que atraviesa el radiador.
80
Tabla 23. Transferencia de calor real del radiador para diferentes velocidades del aire.
Velocidad del
vehículo [m/s]
Flujo másico de
aire [Kg/s]
Flujo másico de
refrigerante [Kg/s]
Razón de transferencia de
calor real del radiador
[KW]
Efectividad del
radiador [%]
6 0,83 0,25 9,16 14,64
8,33 1,15 0,35 11,99 13,79
16,67 2,31 0,70 21,00 12,08
25 3,46 1,05 28,99 11,12
33,33 4,61 1,41 36,33 10,45
41,67 5,77 1,76 43,19 9,94
50 6,92 2,11 49,67 9,52
58,33 8,07 2,46 55,83 9,18
61,11 8,46 2,58 57,83 9,07
Por otra parte, en la Gráfica 13 se puede observar como a medida que aumenta el flujo másico
de aire y de refrigerante, la razón de transferencia de calor real del radiador también
incrementa. Para una velocidad máxima de aire igual a 61,1 𝑚/𝑠, el flujo másico de aire y
de refrigerante es igual a 8,46 𝐾𝑔/𝑠 𝑦 2,58 𝐾𝑔/𝑠 respectivamente y se presenta una razón
de transferencia de calor real del radiador igual a 57,83 𝐾𝑊.
Grafica 13. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs flujo másico de aire y de refrigerante.
Mientras que en la Gráfica 14 se muestra que, para una mayor razón de transferencia de calor
real del radiador, la efectividad del mismo es menor y esto se debe a que para esta condición,
el coeficiente de convección del aire es muy grande y el radiador no ofrecerá resistencia a la
convección, es decir, el radiador será menos efectivo, la transferencia de calor en este caso
estará gobernada únicamente por la transferencia de calor por convección.
0,25
1,05
2,11
0,00
20,00
40,00
60,00
0,83 1,15 2,31 3,46 4,61 5,77 6,92 8,07 8,46
Flu
jo m
ásic
o d
e re
frig
eran
te
[Kg/s
]
Raz
ón d
e tr
ansf
eren
cia
de
calo
r
real
del
rad
iado
r [K
W]
Flujo másico de aire [Kg/s]
Razón de transferencia de calor real del radiador Vs flujo
másico de aire y de refrigerante
81
Grafica 14. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs Efectividad del radiador.
También se encontró que, a una mayor resistencia térmica total, la transferencia de calor del
radiador es muy pequeña y debido a esto, se presenta una menor razón de transferencia de
calor real del radiador tal como se puede observar en la Gráfica 15.
Grafica 15. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs Resistencia térmica total.
Finalmente, en la Gráfica 16 se puede observar que a medida que aumentan los flujos másicos
de aire y refrigerante, la efectividad del radiador disminuye, pues como se mencionó
anteriormente, en este caso los coeficientes de convección de los dos fluidos aumentan y en
el punto donde los valores de flujo másico son mayores, la transferencia de calor solo es
gobernada por el mecanismo de transferencia de calor por convección.
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
Raz
ón d
e tr
ansf
eren
cia
de
calo
r
real
del
rad
iado
r [K
W]
Efectividad del radiador [%]
Razón de transferencia de calor real del radiador Vs Efectividad del
radiador
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
0,0000 0,0010 0,0020 0,0030 0,0040 0,0050 0,0060 0,0070
Raz
ón d
e tr
ansf
eren
cia
de
calo
r
real
del
rad
iado
r [K
W]
Resistencia térmica total [k/w]
Razón de transferencia de calor real del radiador Vs Resistencia térmica
total
82
Grafica 16. Efectividad del radiador Vs Flujo másico de aire y de refrigerante.
5.3.2. Selección del ventilador
La potencia al freno del motor en estudio entregada por el fabricante es de 132 KW, y se
encontró que la perdida de potencia a condiciones Medellín, lugar donde estará ubicado el
banco de pruebas es de aproximadamente el 16%. El resultado de la corrección de potencia
por disminución de la densidad del aire a condiciones de Medellín se presenta a continuación.
𝐶𝐴 = (99
85,113) (
25 + 273
298)
0,5
𝐶𝐴 = 1,1632
𝑁𝑒𝑀𝑒𝑑=
132
1,176 𝐶𝐴 − 0,176
𝑁𝑒𝑀𝑒𝑑= 110,745 𝐾𝑊
Conociendo la potencia entregada por el motor a condiciones de Medellín y asumiendo una
eficiencia de este del 40%, se encontró que la energía del combustible es:
𝑁𝑒𝑀𝑒𝑑= 𝜂𝑒�̇�𝑓𝑃𝐶𝐼
�̇�𝑓𝑃𝐶𝐼 =110,745 𝐾𝑊
0,4
�̇�𝑓𝑃𝐶𝐼 = 276,8625 𝐾𝑊
0,25
0,70
1,41
2,112,58
0,00
5,00
10,00
15,00
0,83 1,15 2,31 3,46 4,61 5,77 6,92 8,07 8,46 Flu
jo m
ásic
o d
e re
frig
eran
te
[Kg/s
]
Efe
ctiv
idad
del
rad
iado
r [%
]
Flujo másico de aire [Kg/s]
Efectividad del radiador Vs Flujo másico de aire y de refrigerante
83
Ya que no fue posible hacer las respectivas mediciones de las variables mostradas en los
balances de masa y energía, se recurre a la información suministrada por la literatura para
dimensionar la energía transferida al refrigerante. Como se puede observar en la Gráfica 7 la
energía transferida al refrigerante es aproximadamente del 30% de la energía del
combustible. Asumiendo lo anterior, se encontró que el calor cedido al refrigerante por el
motor es igual a 83,059 KW.
�̇�𝑟𝑒𝑓 = �̇�𝑓𝑃𝐶𝐼 ∗ 0,3
�̇�𝑟𝑒𝑓 = 276,8625 𝐾𝑊 ∗ 0,3
�̇�𝑟𝑒𝑓 = 83,059 𝐾𝑊
En la Tabla 24, se observan los resultados con los cuales se hizo la selección del ventilador.
Estos resultados fueron calculados para la condición más crítica en la cual el motor se
encuentra a 6.000 RPM -110,745 KW y además no se tiene en cuenta la velocidad del aire
cuando el vehículo se encuentra en movimiento.
Tabla 24. Variables para selección del ventilador.
Descripción Variable Unidades Valor
Calor transferido al refrigerante �̇�𝑟𝑒𝑓 𝐾𝑊 83,059
Calor que debe ser retirado con el ventilador �̇�𝑟𝑎𝑑𝑖 𝐾𝑊 64,682
Flujo másico de aire que debe proporcionar el
ventilador para una buena refrigeración (Blower) �̇�𝐵 𝐾𝑔/𝑠 5,863
Caudal de aire del ventilador �̇�𝐵 𝑚3/ℎ 21210,786
En la Figura 27 se presentan las características del ventilador seleccionado en el catálogo de
ventiladores industriales.
84
Figura 27. Características del ventilador seleccionado. [27]
85
Debido a que las características mostradas en la Figura 27 son a condiciones estándar,
entonces se debe aplicar un factor de corrección y finalmente las condiciones de operación
del ventilador en Medellín se pueden observar en la Tabla 25.
Tabla 25. Condiciones de operación del ventilador en Medellín.
Descripción Variable Unidades Valor
Factor de corrección - - 0,824
Caudal de aire del ventilador �̇�𝐵 𝑚3/ℎ 21210,786
Potencia al freno 𝐵𝐻𝑃 𝐻𝑃 12,77
Revoluciones 𝑣𝑣𝑒𝑛 𝑅𝑃𝑀 3000
Eficiencia 𝜂𝑣𝑒𝑛 % 42
Clase - - 2
Finalmente, las medidas generales del ventilador se encuentran en la Figura 28.
Figura 28. Dimensiones del ventilador seleccionado. [27]
86
5.4. Cotización
La Gráfica 17 muestra los resultados del estudio económico y se evidencia que el sistema
de refrigeración diseñado es casi 4 veces más económico con respecto a la columna de
refrigeración la cual es otro sistema de refrigeración para motores de combustión interna
ubicados en bancos de pruebas.
Se aclara que el precio de la columna de refrigeración allí registrado es sin el costo de la
importación. Por otro parte, también es importante mencionar que el precio de la columna de
refrigeración se obtuvo de una cotización hecha por la empresa Power Test y el precio del
sistema de refrigeración convencional del motor, corresponde a la suma de la cotización del
ventilador la cual se realizó con la empresa Soler y Palau Colombia y el costo de los dos
radiadores.
Grafica 17. Diferencia económica entre los sistemas de refrigeración posibles a emplear.
Finalmente, en la Tabla se muestra el valor de cada uno de los elementos que componen el
sistema de refrigeración diseñado.
Tabla 26. Precio elementos del sistema de refrigeración diseñado.
Descripción Unidades Costo por unidad [$] Valor total
Ventilador 1 140.200 280.400
Radiador 2 3.652.642 3.652.642
$ 16.498.830
$ 3.933.042
$ -
$ 2.000.000
$ 4.000.000
$ 6.000.000
$ 8.000.000
$ 10.000.000
$ 12.000.000
$ 14.000.000
$ 16.000.000
$ 18.000.000
Columna de refrigeración Sistema de refrigeración diseñado
Costos sistemas de refrigeración
87
6. Conclusiones
• Aunque los resultados numéricos obtenidos pueden presentar variaciones y por tal razón
es indispensable realizar una medición rigurosa de las variables en cuestión para
garantizar resultados confiables, se logró identificar que el sistema de refrigeración
diseñado cumple con la necesidad de extracción de calor del motor manteniéndolo en un
estado seguro.
• A medida que aumentan los flujos másicos de aire y refrigerante, la efectividad del
radiador disminuye, pues esto se debe a que, para esta condición el coeficiente de
convección del aire es muy grande y el radiador no ofrecerá resistencia a la convección,
es decir, el radiador será menos efectivo y la transferencia de calor en este caso estará
gobernada únicamente por la transferencia de calor por convección.
• Se logró identificar, que la variación de la eficiencia del intercambiador está en función
de los flujos másicos del aire y del refrigerante.
• La determinación de la razón de transferencia de calor de un radiador es bastante
complejo, pues el cálculo de esta variable depende de mediciones experimentales y
además esta mediado por la integración de diferentes conceptos de las áreas de la
termodinámica y de la dinámica de fluidos.
• En la toma de decisiones ingenieriles es de vital importancia realizar un proceso de
investigación del estado del arte que permita conocer la actualidad del tema a tratar y una
búsqueda simple no proporciona fuentes que den información muy confiable.
Por lo anterior, al concluir este trabajo de grado, se logró comprender la importancia del
uso de metodologías de búsqueda de información como lo es la metodología de
indexación en Scopus, la cual permitió la construcción de diferentes algoritmos de
búsqueda y el análisis de calidad de la información con el fin de hallar información
puntual acerca de las tecnologías para la refrigeración de motores de combustión interna.
• Con los constantes desarrollos de los motores de combustión interna, es necesario la
implementación de bancos de pruebas en los cuales sea posible medir las prestaciones
del motor y conocer sus características de funcionamiento. Sin embargo, antes de llegar
al punto de tomar mediciones, es necesario hacer una puesta a punto del motor y
garantizar que sus sistemas auxiliares funcionen como es debido. Uno de los sistemas
auxiliares críticos del cual se debe garantizar su correcto funcionamiento, es el sistema
de refrigeración ya que es necesario mantener el motor en la temperatura óptima con el
fin de alcanzar sus mejores prestaciones y evitar sobrecalentamientos que podrían
ocasionar daños en diferentes elementos que componen el sistema. Con la elaboración de
este trabajo de grado se pudo identificar los diferentes sistemas de refrigeración que
pueden ser implementados en bancos de pruebas, teniendo claro que de acuerdo con las
condiciones del lugar y espacio donde está ubicado el banco de pruebas y a las
restricciones económicas que se tengan, se puede utilizar uno u otro dispositivo para la
transferencia de calor de exceso en el motor al depósito sumidero.
88
• Con la elaboración de este informe, es posible concluir que en la actualidad los motores
de combustión interna se están enfrentando a cambios en las consideraciones ambientales
y energéticas y es por esta razón que la perspectiva del diseño de sistemas de refrigeración
también se proyecta a un cambio, pues los sistemas actuales ya no cumplen con los
requisitos establecidos por los motores modernos. Por lo anterior, se han venido
desarrollando los sistemas de gestión térmica como bombas eléctricas, el reemplazo de
termostatos por válvulas electrónicas, la inyección de refrigerante a cada cilindro por
separado, recubrimientos pulverizados que disminuyen la fricción y aumentan la
conductividad térmica, el desarrollo de nano fluidos con el fin de aumentar la
conductividad térmica del refrigerante, entre otros. Estos han logrado cumplir con los
requisitos de regulación de emisiones contaminantes y el aumento de la eficiencia,
incluso hay investigaciones que con el uso de sistemas de gestión térmica han reportado
reducciones de entre 2% y el 7,5% en el consumo de combustible y una reducción de
hasta el 60% de emisiones de CO2, lo que deja claro que la implementación de estos
sistemas son una necesidad en el futuro desarrollo de motores de combustión interna.
• Una bomba controlada eléctricamente al estar en función de la temperatura del motor
permite que el motor alcance su temperatura de funcionamiento mucho más rápido,
reduciendo el tiempo de arranque en frío al impedir que el flujo de refrigerante circule a
través del motor y los demás dispositivos que componen el sistema de refrigeración,
logrando de esta manera una disminución en el consumo de combustible. Por otra parte,
al trabajar en función de la temperatura del motor, se elimina el sobre enfriamiento el
cual es producido por la bomba convencional (accionada por una polea, correa y
cigüeñal) ya que, al operar en función de las RPM, ésta siempre va a estar enviando un
flujo de refrigerante, aun cuando el motor está operando en una condición parcial y su
temperatura es baja. Finalmente, este dispositivo también permite que el refrigerante siga
circulando a través del motor cuando este se encuentra apagado después de una operación
en plena carga, evitando así que diferentes elementos dentro del sistema de refrigeración
alcancen altas temperaturas y por ende fatigas térmicas.
• Operar el motor en una banda más ajustada alrededor de la temperatura óptima reducirá
el estrés térmico en los componentes y a entre menor sea el estrés, más larga es la vida
útil del motor.
• Un termostato inteligente, permitirá que el refrigerante alcance temperaturas más altas
antes de su apertura para permitir el intercambio de calor con el ambiente generando así
una banda más ajustada alrededor de la temperatura óptima del motor.
• Con el entendimiento del funcionamiento del motor en estudio, se pudo concluir que
dicho motor implementa diferentes sistemas de gestión térmica, como por ejemplo sus 2
válvulas solenoides: cierre de refrigerante y derivación de refrigerante, las cuales
permiten disminuir el tiempo de arranque en frío del motor y que este alcance mucho más
rápido su temperatura de operación.
• Se logró identificar que la regulación del calentamiento del motor en estudio se realiza
en 4 etapas. Comenzando con la apertura de la válvula de cierre de refrigerante la cual
89
permite un calentamiento más rápido del motor, seguido del accionamiento de la válvula
de derivación de refrigerante, la cual permite la recirculación del refrigerante en el
sistema. A continuación, se apertura el termostato permitiendo el intercambio de calor
del refrigerante con el ambiente y finalmente se presenta la actuación de cada dispositivo
manteniendo el motor en su temperatura de operación, aunque este se encuentre
trabajando a carga parcial logrando así un rango constante de temperaturas de entre 90ºC
y 100ºC.
• Se realizó el planteamiento de un balance de masa y energías en el motor que permite
cuantificar la distribución de la energía del combustible, en especial la carga térmica que
debe ser retirada del motor a través del refrigerante. Lo anterior fue posible gracias a los
conceptos de transferencia de calor, termodinámica y fluidos adquiridos durante el
pregrado.
• Se realizó la descripción y procedimiento del cálculo de la capacidad de transferencia del
intercambiador de calor (radiador) para garantizar una correcta refrigeración del motor
en estudio.
90
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93
8. Anexos
Figura 29. Conexión eléctrica de los sensores ECT y HCT a la PCM.
94
Figura 30. Conexión eléctrica del electro-ventilador.