CANTIDAD DE CALOR TRANSFERIDA AL LÍQUIDO DE ENFRIAMIENTO E NFRIAMIENTO POR UNIDADDE TIEMPO, Q A. La cantidad de calor Qa se determina por la siguiente ecuación:
Donde: qt=Pérdidas específicas de enfriamiento;
calor
a
través
del
líquido
de
qt=0.2 a 0.25 – para motores de encendido por chispa con válvulas en cabeza; qt=0.25 a 0.3 – para motores de encendido por chispa con válvulas en L; Qt=0.18 a 0.35 – para motores a Diesel (valores menores para motores con cámaras de combustión no separadas y los valores mayores a motores con cámaras de turbulencia). qt – Cantidad de calor que se introduce al motor producto de la combustión del combustible, en la unidad de tiempo, en kJ/s. La cantidad de calor Qt se calcula por la siguiente ecuación:
Qt=Hu Gh/3600= 44000(24.46)/3600 =218995 j/s=218.995kj/s Por lo tanto Qa=qt* Qt=(0.2)( 218.995)=43.799 Incremento radiador ∆T
medio
de
temperatura
en
el
∆Tt=Tsal-∆Tt/2=100-8/2=96
Para sistemas presurizados; ∆T -Diferencia de temperatura entre el líquido que sale y entra al motor;( ∆T:8-10)
Temperatura media del aire en el radiador;
Pero antes se tiene que saber: ∆Ta=Qa/Ffr(8pa-wa)Cp=43.799/0.26(14.7)(1)
Donde: Ffr-es el Área frontal del radiador, 0.6604 m
0.4064m
Ffr=Altura del radiador*Base del radiador=[m2] Nota: Los valores mencionados de la altura y la base son de las medidas reales del motor que se
escogió con anterioridad, estos datos fueron buscados en los datos del fabricante. Pa*wa -Gasto (de masa) de aire a través de la superficie frontal del radiador.
Cp-Capacidad calorífica del aire (calor específico)
Ya con los datos proporcionados en las formulas anteriores, el cálculo de la temperatura media del cálculo del radiador se puede calcular como: Ta(med)=To + ∆Tap +∆Ta/2= 50 + 0 + 148.97/2 =55.72°C Por lo tanto, en el cálculo anterior mente realizado nos daremos cuenta que este fue bien hecho ya que este último resultado nos tiene que dar entre los valores de 30 a 55°C y en caso de que los valores salgan excedidos, se debe recalcular el radiador con nuevos valores. Nota: El dato de “∆Tap” solo se usa cuando el automóvil cuenta con un enfriador de aceite o bien
llamado Caldeo del aire en el radiador de aceite, este no se utilizara en este trabajo de curso ya que el motor prototipo no lo utiliza.
Superficie de enfriamiento del radiador, Fenf
En la siguiente figura se muestra dos de las dimensiones principales de un radiador, la superficie o área frontal profundidad (l).
(Ffr)
y
el
ancho
La superficie de enfriamiento F enf se determina por la ecuación: Donde : 1.1 a 1.15 Coeficiente de transferencia del calor del radiador. Su valor depende de la construcción de las aletas del radiador y la velocidad de desplazamiento del aire Wa y del líquido Wl. K=0.119 - 0.130ya que es – para radiadores de cintas plegadas k -
Fenf=Qa*φ’ / k * ∆T = 43.799(1.15)/0.120(40.28) =10.42 Ancho o profundidad del radiador, l
El ancho de un radiador se determina por la ecuación siguiente
Donde: φ – Coeficiente de cubrimiento del radiador.
φ= 600 a 930 m2/m3 – para motores de encendido por chispa; ᶘ =Fenf/Ffr* φ = 10.42/0.26(600)=0.066
o
Cálculo de la bomba de agua
Este cálculo se limita a la selección de las dimensiones de la bomba, mediante la determinación de su velocidad de rotación; y al cálculo de la potencia necesaria para su accionamiento.
Gasto volumétrico de la bomba, Gab
El gasto volumétrico de la bomba se determina por la ecuación siguiente:
Donde ɳ = 0.7 a 0.85 – Coeficiente que tiene en cuenta las pérdidas de gasto debido a fugas en la línea de descarga y de succión (rendimiento volumétrico de la bomba). Ga= Gasto volumétrico teórico de líquido en el sistema; Se determina por la ecuación:
Donde Cl = Calor específico del líquido refrigerante; pl - Densidad del líquido refrigerante; ∆T = 8 a 10°C - Diferencia de temperatura del líquido en el circuito del radiador Algunas características termofísicas de las sustancias refrigerantes más usadas se muestran en la tabla:
Características de sustancias refrigerantes.
Ahora con los datos anteriores se tiene que : Ga=43.799/(901.54)(2.093)(8)=0.0029014 Ahora por lo tanto el gasto volumétrico de la bomba será: Gab=0.0029014/0.77= 0.003768051 m3/s De datos estadísticos se selecciona el diámetro del orificio de succión del rotor (d1) y la velocidad del líquido a la entrada de la bomba. D1 = 34 a 67 mm y C1 = 2.0 a 3.5 m/s; Diámetro del cubo del rotor (tubo de admisión) de la bomba (Do)
Se calcula por la siguiente ecuación:
Do=√(0.051)ˆ2 + 4(0.0029014)/3.1416(3) = 0.00383 Diámetro de la carcasa o casquillo de la bomba (dcas)
(dcas) = 0.5(0.00383)=0.001916 Velocidad tangencial de salida del líquido de enfriamiento del motor (V2)
Se calcula mediante la siguiente formula:
Donde: α y β - Ángulos que dependen del perfil de las aletas; se pueden asumir los siguientes valores: α = 8 a 12° y β = 35 a 500; Pd=(5-15)x10-2 MN/m2 – Presión de descarga de la bomba; ɳh -0.6-0.7- Eficiencia o rendimiento hidráulico de la bomba.
V2=√1 + Tan10 *Cot43 * √10x10 ˆ-2*x10 ˆ6 /(901.54)(0.65)=42.809 Al seleccionar estos parámetros se debe recordar que al aumentar el ángulo β, aumenta la carga de la bomba, sin embargo disminuye su eficiencia hidráulica. De datos estadísticos se selecciona el diámetro del r otor (D2)
D2=62 a 105 mm; Velocidad de rotación necesaria del eje de la bomba en el régimen de cálculo nominal (nb. nom)
Se calcula mediante la siguiente formula:
nb. Nom=60*42.801/3.1416(0.084)=1.6781 Donde D2 está dado en m. Relación de transmisión de la bomba (i)
Su formula es :
Donde: n – Frecuencia de rotación nominal del motor. Por lo tanto se tiene que: i=9733.2114/5800=1.6781 Cantidad de aletas de la bomba (Z)
Z=4 a 8 Ancho de las aletas en la entrada (b1) Se calcula por:
Donde :
δ1=0.01 a 0.035 m-Espesor de la aleta a la entrada.
Y por consecuencia: ϒ=tan-1(3)(0.084)/(42.809)(0.051) =6.58
Y ahora el ancho de las paletas es : B1=0.0037/(3.1416)(0.051)-6((0.022)/sin(6.58))(3) = -1.2436x10-3
Ancho de la aleta a la salida (b2)
Donde: δ2 = 0.004 a 0.025 m - Espesor de la aleta a la salida.
b2=0.0037/(3.1416)(0.084)-6((0.014)/(sen43))(10x10-2(tan10)/0.65(901.54)(42.809)(6)= b2 = 0.3740 Potencia utilizada para el accionamiento de la bomba (Nb)
Donde: nm=0.7 a 0.9 – Rendimiento mecánico de la bomba. Y por lo tanto: Nb= (0.0037)(10x10 ˆ2)(10 ˆ3)/0.8= 0.4625 kw Para comprobar el cálculo se utiliza el siguiente criterio: Nb=(0.5 a 1 %) Ne nom. En caso de no encontrarse entre estos límites se deben elegir nuevos parámetros y recalcular.
Cálculo del ventilador
En los vehículos automotores es frecuente utilizar ventiladores axiales para asegurar el paso del aire a través del radiador, ventilando de esta forma al motor y sus accesorios sin variar la dirección del flujo de aire. La potencia que se utiliza en accionar el ventilador es proporcional a su frecuencia de rotación al cubo. Por lo anterior y además para que no se sobrenfríe el motor cuando trabaja con bajas cargas, entre otros factores, muchos diseños consideran la posibilidad de desconectarse de manera mecánica, hidráulica o electromagnética automáticamente.
Parámetros característicos de los ventiladores axiales para autos.
Caudal de los ventiladores, Gvent.
Se calcula con :
Donde: Ff- área frontal del ventilador, m2; Va- Velocidad del flujo de aire en la sección delantera del ventilador, m/s. Diámetro del ventilador, Dp
El diámetro del ventilador se elige de manera que el coeficiente de soplado sea igual a la unidad. Y su formula es:
Sustituyendo se tiene que : Dp= 2*√0.26/3.1416 = 0.5753 Frecuencia de rotación del ventilador, nvent
Se determina con la siguiente ecuación:
Antes conociendo que : U- Velocidad circunferencial, m/s.
Calculándose como :
Se tiene que: U=0.89(2.5) *√800=62.9325
nvent= 60*(62.9325)/3.1416(0.5753)=2089.204596 rpm
