Practica 5C

SIMULADOR SISTEMA MOTOR-RADIADOR DE VEHICULO De Sousa, Juan. Mantovani, Daniela. Pacheco, Patricia. Laboratorio de Transferencia de Calor II Dirigido por: Jens Toteff Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transporte

RESUMEN

En el sistema de refrigerador de un vehículo con motor de combustión interna se utiliza un dispositivo llamado radiador, el cual tiene como función disipar el calor generado en la cámara de combustión para así evitar que ocurra un sobrecalentamiento. En esta práctica se analiza la disipación de calor de un simulador de un sistema de refrigeración de un automóvil. El estudio se realiza sometiendo el sistema a condiciones de flujo a co-corriente y contra-corriente, y a diferentes velocidades de flujo del refrigerante, en este caso agua, que por medio de termopares se recolectaron las temperaturas en diferentes puntos del sistema, además mediante un manómetro se halló la presión en el sistema de tuberías y con un flujómetro se consiguió la velocidad del aire que daba el ventilador. INTRODUCCIÓN En esta práctica se aplicó un simulador sistema motorradiador de vehículo, como se aprecia en la figura 1, notando las diferentes temperaturas que se obtiene del termopar, reflejadas en el diagrama.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Tabla 1. Coeficientes de convección h vapor dentro del serpentín [W/m2K] h agua en el tanque [W/m2K] h aire de refrigeración del radiador [W/m2K] h agua dentro del radiador [W/m2K]

2912.27 1351.47

59.91

7.20 E+02

8.02E+02

8.72E+02

Tabla 2. Flujo másico de vapor de calentamiento

Figura 1. Diagrama del simulador Se tomaron las temperaturas en los siete puntos indicados en la figura 1, para una configuración co-corriente y contracorriente, para velocidades de flujo de 6 m/s, 8m/s y 10 m/s, donde el ventilador está realizando el efecto de tiro inducido en el flujo, como se ve en la figura 2.

m [kg/s] contracorriente m [kg/s] cocorriente

7.70E-5 ± 8.37E-7

1.03E-4 ± 1.12E-6

9.16E-5 ± 9.96E-7

7.70E-5 ± 8.37E-7

7.33E-5 ± 7.94E-7

7.33E-5 ± 7.94E-7

Tabla 3. Sumatoria de resistencias ΔTlog

-

3.08

3.99 -

2.79

3.64

Suma Resistencias - 0.02 0.03 - 0.03 0.04 Suma de Resistencia de las Aletas - -0.19 -0.16 - -0.18 -0.15 Se lograron calcular los valores de h para los cuatro casos.

Figura 2. Efecto del tiro inducido

Debido a la precisión de los instrumentos empleados para registrar los datos, un grado centígrado, que serían empleados para calcular el coeficiente convectivo en los casos del: vapor dentro del serpentín, del agua dentro del tanque y del aire de

refrigeración del radiador, no se realizaron múltiples cálculos del mismo ya que las temperaturas no variaban significativamente.

1.

El radiador presenta mayor coeficiente de convección interno a medida que se aumenta el caudal, presentando el mismo valor a co-corriente que a contra-corriente, ya que depende únicamente del flujo másico y no de las temperaturas ni de si el flujo es dispuesto a co-corriente o contra-corriente, se evidencia en la tabla 2. Esto se debe a que en el intercambiador se presenta un comportamiento estacionario debido al área del mismo, lo que ralentiza al flujo dentro de él, sin embargo, en el radiador, la tubería tiene un diámetro pequeño, lo que permite mantener altas velocidades para el caudal dado, durante el proceso de enfriamiento, donde lo expresado antes se resume a la ley de continuidad de flujo.

2.

No se pudo calcular la resistencia de las aletas, ya que al sacar los cálculos estos resultaros en valores negativos, esto pudo deberse a errores en los termopares del radiador. Asimismo, existió un error al calcular el delta de temperaturas logarítmico, en dos casos, se puede asumir que la apreciación de los instrumentos, así como el estado de los mismos influyo en estos resultados. No es posible calcular la eficiencia de la bomba y la del ventilador, por la falta de equipos para determinar los estados termodinámicos antes y después de ellos, o en su defecto las curvas de los fabricantes. CONCLUSIONES Se pudo calcular el coeficiente de convección del vapor dentro del serpentín y el valor obtenido fue: 2912.27 W/m2K Se pudo hallar el coeficiente de convección del agua en el tanque y su valor es: 1351.47 W/m2K El valor obtenido del coeficiente de convección del aire de refrigeración del radiador fue calculado, dando como resultado: 59.91 W/m2K El coeficiente convectivo del agua que circula dentro del radiador aumenta con el aumento del flujo másico del fluido. No se lograron calcular las eficiencias en las aletas. RECOMENDACIONES

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Incropera, Frank; DeWitt. ‘’Fundamentos de la Transferencia de Calor’’, Jhon Wiley and Sons, 4ta edición. [2] Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia. “Laboratorio de Transferencia de Calor II TF2252”. Universidad Simón Bolívar, Caracas. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS EFECTUADOS Cálculos para el intercambiador de calor. Para hallar el cálculo del coeficiente de convección para cada etapa se realizó lo siguiente: El calor recibido por el flujo de agua del tanque, a co-corriente y contra-corriente se define mediante las siguientes ecuaciones respectivamente. 𝑄 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ 𝐶𝑝 ∙ (𝑇2 − 𝑇1 )

(1)

𝑄 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ 𝐶𝑝 ∙ (𝑇1 − 𝑇2 )

(2)

Para hallar el flujo másico de vapor: 𝑄 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ 𝐶𝑝 ∙ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇5 ) + 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ ℎ𝑓𝑔

(3)

Sabiendo que 𝑄 = ℎ𝑖 ∙ 𝐴𝑖 ∙ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑠𝑢𝑝 ) (4) y así hallar 𝑇𝑠𝑢𝑝 , para conseguir los coeficientes de convección. Como hay condensación, el h es grande por lo cual 𝑇𝑠𝑢𝑝 ≈ 𝑇𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 , por lo cual para tantear suponemos como primera iteración 𝑇𝑠𝑢𝑝 = 63º. La correlación para el coeficiente de convección para condensación de vapor de una tubería horizontal: ℎ𝑖 = 0,555 ∙ [

𝑔𝜌1 (𝜌1 −𝜌𝑔 )𝑘13 𝜇1 ∙(𝑇𝑠𝑎𝑡 −𝑇𝑠 )

3

1 4

∙ (ℎ𝑓𝑔 + 𝐶𝑝1 ∙ (𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑠 ))] 8

(5)

Donde 𝑇𝑠 supuesto queda definido por ec. (4), donde T1 sería para co-corriente y T2 para contra-corriente. 𝑇𝑓 =

Como recomendaciones para la realización de esta práctica en un futuro, se puede señalar:

Acomodar los dispositivos, tales como: válvulas, aislamiento del intercambiador, termopares, entre otros para lograr mejores resultados en la práctica. Colocar instrumentos que permitan definir los estados termodinámicos a la entrada y la salida de la bomba y el ventilador, con la finalidad de determinar la eficiencia del equipo. Para hacer posible el cálculo de las eficiencias de ambos equipos y determinar la eficiencia del ciclo.

𝑇1 +𝑇2 +𝑇𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 2

2

(6)

Hallamos h agua con la siguiente correlación, ya que es convección libre porque es un tubo muy grande para el refrigerante:

̅̅̅̅̅̅ 𝑁𝑢𝐷 =

̅𝑒 𝐷𝑒 ℎ 𝑘𝑓

2

1

= [0,60 +

0,389∙𝑅𝑎𝐷 6 0,559 9/16 8/27 ) ] Pr

]

(7)

[1+(

Cálculos para el radiador. Se buscaron las propiedades del aire a las condiciones de temperatura experimentales, para luego calcular el coeficiente de convección externo del radiador. El calor real disipado por el radiador fue calculado por: 𝑄 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 ∙ 𝐶𝑝 ∙ (𝑇4 − 𝑇3 )

(8)

Para el cálculo del coeficiente de convección del aire, se usa la correlación para flujo cruzado externo de un banco de tubos: 𝑁𝑢 =

ℎ𝑒 𝐷𝑒 𝑘𝑓

= 𝐶2 ∙ 𝐶 ∙ 𝑅𝑒𝐷 𝑚á𝑥 𝑚 ∙ 𝑃𝑟 0,36 ∙ (

𝑃𝑟 0,25 )

𝑃𝑟𝑠

𝑅𝑒𝐷 𝑚𝑎𝑥 =

𝜌𝑢𝑚á𝑥 𝐷𝑒

(9)

(10)

𝜇

Donde se cumple la condición para que 𝑢𝑚á𝑥 sea igual a la expresión:

𝑢𝑚á𝑥 =

𝑆𝑡 𝑆𝑡 −𝑆𝑒

∙𝑢

(11)

Posteriormente se buscaron las propiedades del agua a las condiciones experimentales para calcular el coeficiente de convección interno del radiador con las siguientes expresiones. Para el agua dentro del radiador:

𝑁𝑢 =

ℎ𝑖 𝐷𝑖 𝑘𝑓

𝐷

= 3,66 +

0,065∙( 𝐿𝑖 )∙𝑅𝑒 ∙𝑃𝑟

2

𝐷 3 1+0,04∙[ 𝑖 ∙𝑅𝑒 ∙𝑃𝑟] 𝐿

(12)