Proyecto Pr oyecto IME Construcción y puesta a punto de banco experimental para el enfriamiento eciente de piezas de aleación de aluminio
Clase: Proyecto IME (Térmica)
Hora: martes N4-N6 Enero-Junio 2017 Imparte la clase: Dr. Simón Martínez Martínez Integrantes del equipo • •
Juan Javier Valadez Valadez Garza 146301 !s"aldo Missael #andoval G$mez 1%3146
•
Mauro Javier Gaona Mart&nez 1%1'0(6
23 de mayo del 2017
Introducción
Las aleaciones de aluminio en vehículos vehículos automotores han logrado desplazar a las aleaciones aleaciones ferrosas en un gran número de componentes. componentes. Primero en los llamados estruct estructural urales, es, tales tales como marcos para para tablero tablero,, asientos asientos,, puertas puertas y en últimas últimas fechas a los componentes del tren motriz. El templado es un tratamiento tratamiento térmico que se utiliza para meorar las propiedades mec!nicas del metal, en este caso el aluminio, e"isten diferentes procesos del templado, enfriado por medio de aceite, aire, rocío de agua, etc. Los pasos a seguir para llevar a cabo el tratamiento térmico son los siguientes# 1. Primero se debe elevar la temperatura hasta un punto en el cual los
elementos de aleación se disuelvan (solubilización). 2. Posteriormente, la temperatura debe ser reducida rápidamente para
mantener en un estado metaestable a los elementos de aleación en solución dentro de la matriz a temperatura ambiente (enfriamiento rápido). 3. Finalmente, propiciar la formación de precipitados ue endurezcan
la aleación (enve!ecido). "ste endurecimiento está en función del tama#o, forma, cantidad $ distribución de los precipitados.
Es importante que durante el enfriamiento mantener la temperatura uniforme en toda toda la pieza pieza,, esto esto para para aseg asegura urarr que que se obten obtenga gan n las mismas mismas prop propied iedad ades es mec!nicas en toda la pieza. $espués $espués de esto se remoa la pieza ya sea en un horno de aire, un ba%o líquido o vacío. En esta etapa es importante también que la temperatura se mantenga lo m!s uniforme posible. En nuestro caso se utiliz& el método llamado '(uenching)sing *ir+ater -i"tures se hacen pruebas de diferentes tipos de enfriamiento por medio de aceite, aire, aire con inyecci&n de agua y rocío de agua.
Justificación
Lo que se busca es minimizar los esfuerzos residuales que se generan en las piezas, por lo que se busca optimizar los procesos de templado de forma que al mismo tiempo se obtenga la velocidad de enfriamiento y propiedades mec!nicas requeridas. Este trabao nace del proyecto que se lleva a cabo en vinculaci&n con la empresa /ema0 /ema0,, quien quien busc busca a imple implemen mentar tar un nuev nuevo o sistem sistema a de enfria enfriamie mient nto o para para el proceso de templado de sus piezas.
Objetivo
$ise%ar e implementar un banco de pruebas para el enfriamiento eficiente de piezas de aleaci&n de aluminio.
Marco Teórico •
El uso de las aleaciones aluminio en la industria automotriz
Las aleaciones de aluminio en vehículos vehículos automotores han logrado desplazar a las aleaciones aleaciones ferrosas en un gran número de componentes. componentes. Primero en los llamados estruct estructural urales, es, tales tales como marcos para para tablero tablero,, asientos asientos,, puertas puertas y en últimas últimas fechas a los componentes del tren motriz. La primera incursi&n se da en las cabezas de motor, que que desde los últimos a%os de la década de los 12 empezaron empezaron a suplir a las pesadas unidades. * partir de los 32, esta sustituci&n sustituci&n alcanz& a los monobloc0s, monobloc0s, que se utilizan actu actual alme ment nte e en vehí vehícu culo los s de alto alto dese desemp mpe% e%o o debi debido do a su alto alto cost costo o de fabricaci&n. Estas aleaciones, principalmente las de la serie 455, *l+6i+7u+-g, cuen cuenta tan n con con una una rela relaci ci&n &n resi resist sten enci cia+ a+pe peso so bast bastan ante te buen buena, a, son son trat tratab able les s térmicamente lo cual hace posible obtener resistencias mec!nicas de hasta 892 -Pa en tensi&n y hasta de ::2 -Pa de límite de fatiga, en procesos tales como grave graveda dad d en molde molde perman permanen ente te lo cual cual coloc coloca a al alumi alumini nio o como como el mater material ial
prefe preferid rido o por por los dise% dise%ad adore ores s no s&lo s&lo de la indus industri tria a automo automotri triz, z, sino sino de la aeroespacial, ferroviaria e incluso, en algunos casos, de la construcci&n. El principal beneficio de la migraci&n de motores de hierro gris a motores de aluminio es la considerable reducci&n en peso, con una densidad de s&lo 8.; g
Figura1.- Micro estructuras de aleaciones aluminio-silicio aluminio-silicio típicas, utilizadas en la industria automotriz.
El aluminio es un metal que tiene propiedades mec!nicas baas por lo que, para meorarlas, se tiene que alear con otros elementos. El aumento en resistencia después de alearlo, se obtiene por medio de los procesos de tratamiento térmico o por por defo deform rmac aci& i&n n mec! mec!ni nica ca >par >para a aque aquell llas as alea aleaci cion ones es que que no acep acepta tan n el tratamiento?.
•
Tratamiento térmico de las aleaciones aluminio.
El templado es un tratamiento tratamiento térmico que se utiliza para meorar las propiedades mec!nicas del metal, en este caso el aluminio, e"isten diferentes procesos del templado, enfriado por medio de aceite, aire, rocío de agua, etc. Los pasos a seguir para llevar a cabo el tratamiento térmico son los siguientes. 1. Primero se debe elevar la temperatura hasta un punto en el cual los
elementos de aleación se disuelvan (solubilización). 2. Posteriormente, la temperatura debe ser reducida rápidamente para
mantener en un estado metaestable a los elementos de aleación en solución dentro de la matriz a temperatura ambiente (enfriamiento rápido). 3. Finalmente, propiciar la formación de precipitados ue endurezcan
la aleación (enve!ecido). "ste endurecimiento está en función del tama#o, forma, cantidad $ distribución de los precipitados.
Es importante que durante el enfriamiento mantener la temperatura uniforme en toda toda la pieza pieza,, esto esto para para aseg asegura urarr que que se obten obtenga gan n las mismas mismas prop propied iedad ades es mec!nicas en toda la pieza. $espués $espués de esto se remoa la pieza ya sea en un horno de aire, un ba%o líquido o vacío. En esta etapa es importante también que la temperatura se mantenga lo m!s uniforme posible. En nuestro caso se utiliz& el método llamado '(uenching)sing *ir+ater -i"tures se hacen pruebas de diferentes tipos de enfriamiento por medio de aceite, aire, aire con inyecci&n de agua y rocío de agua. )n paso muy importante del tratamiento térmico es el de enfriamiento r!pido, puesto que su funci&n es la de mantener a los elementos de aleaci&n en soluci&n a temperatura ambiente, si el enfriamiento se hace con una velocidad baa puede ser que que se obten obtenga ga prec precipi ipitac taci&n i&n prema prematu tura ra y, debid debido o a esto, esto, la resist resisten encia cia
mec!nica se vea afectada durante el enveecido al alterarse la forma, cantidad y distri distribu buci ci&n &n de los los preci precipit pitad ados os.. El enfria enfriamie mient nto o r!pid r!pido o influy influye e en secci seccione ones s delgadas ya que si se enfría muy r!pido se pueden generar esfuerzos térmicos que distorsionen las dimensiones originales de la pieza.
•
La transferencia de calor y sus mecanismos
La transferencia de calor es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que est!n a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convecci&n, radiaci&n o conducci&n. *unque estos tres procesos pueden tener lugar simult!neamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por eemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducci&n, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calie calienta nta en gran gran medid medida a por por conv convecc ecci& i&n n y la tierra tierra recibe recibe calor calor del sol sol casi casi e"clusivamente por radiaci&n.
Figura 2.- Mecanismos de la transferencia de calor
onducci!n La única forma de transferencia de calor en los s&lidos es la conducci&n. 6i se cali calie enta nta un e"tr e"trem emo o de una una varil arilla la met! met!li lica ca,, de form forma a que que aume aument nte e su
temperatura, el calor se transmite hasta el e"tremo m!s frío por conducci&n. /o se comprende en su totalidad el mecanismo e"acto de la conducci&n de calor en los s&lidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando e"iste una diferencia de temperatura. Esta teoría e"plica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En :188, el matem!tico francés @oseph Aourier dio una e"presi&n matem!tica precisa que hoy se conoce como ley de Aourier de la conducci&n del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducci&n de calor a través de un cuerpo por unidad de secci&n transversal es proporcional al gradiente de temperatura que e"iste en el cuerpo >con el signo cambiado?.
Figura ".- Ecuaci!n de furrier
on#ecci!n 6i e"iste una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producir! producir! un movimiento movimiento del fluido. Este movimiento transfiere transfiere calor calor de una una parte parte del fluido fluido a otra otra por por un proces proceso o llamad llamado o conv convec ecci& ci&n. n. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. 6i se calienta un líquido o un gas, su densidad >masa por unidad de volumen? suele disminuir. 6i el líquido o gas se encuent encuentra ra en el campo campo gravitat gravitatorio orio,, el fluido fluido m!s caliente caliente y menos menos denso denso asciende, mientras que el fluido m!s frío y m!s denso desciende. Este tipo de movimien movimiento, to, debido debido e"clusi e"clusivame vamente nte a la nounifo nouniformid rmidad ad de la temperat temperatura ura del fluido, se denomina convecci&n natural. La convecci&n forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mec!nica de fluidos 6up&ngase, por eemplo, que se calienta desde abao una cacerola llena de agua agua.. El líqu líquid ido o m!s m!s pr&" pr&"im imo o al fond fondo o se cali calien enta ta por por el calo calorr que que se ha transmitido por conducci&n a través de la cacerola. *l e"pandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido m!s frío baa hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulaci&n. El líquido m!s frío vuelve a calentarse por conducci&n, mientras que el líquido m!s caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiaci&n y lo cede al aire situado por encima. $e forma similar, en una c!mara vertical llena de gas, como la
c!mara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado unto al panel e"terior Bque est! m!s fríoB desciende, desciende, mientras que al aire cercano al panel interior Bm!s calienteB asciende, lo que produce un movimi movimient ento o de circul circulac aci&n i&n.. El calen calentam tamien iento to de una una habit habitaci aci&n &n media mediante nte un radiador no depende tanto de la radiaci&n como de las corrientes naturales de convecci&n, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitaci&n se diria hacia el radiador. $ebido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a baar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo >y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo? para que la eficiencia sea m!"ima. $e la misma forma, la convecci&n natural es responsable de la ascensi&n del agua caliente y el vapor en las calderas de convecci&n natural natural y del tiro de las chimeneas. La convecci&n también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acci&n de los vientos, la formaci&n de nubes, las corrientes .
$adiaci!n
La radiaci&n presenta una diferencia fundamental respecto a la conducci&n y la convecci&n# las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas separadas por un vacío. La radiaci&n es un término que se aplic aplica a genér genérica icamen mente te a toda toda clase clase de fen&m fen&men enos os relac relacion ionado ados s con con ondas ondas electr electroma omagn gnéti ética cas. s. *lgunos lgunos fen&me fen&menos nos de la radia radiaci ci&n &n puede pueden n desc describ ribirs irse e mediante la teoría de ondas, pero la única e"plicaci&n general satisfactoria de la radiaci&n electromagnética es la teoría cu!ntica. En :32C :32C,, *lber lbertt Eíns Eínste tein in sugir ugiri& i& que que la radi radiac aci& i&n n pres presen enta ta a vece veces s un comportamiento cuantizado en el efecto fotoeléctrico, la radiaci&n se comporta como minúsculas partículas llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cu!ntic cu!ntica a de la energía energía radiante radiante se había había postulad postulado o antes antes de la aparici aparici&n &n del artículo de Einstein y en :322 el físico alem!n -a" Planc0 emple& la teoría cu!ntica y el formalismo matem!tico de la mec!nica estadística para derivar una ley fundamental de la radiaci&n. La e"presi&n matem!tica de esta ley, llamada distribuci&n de Planc0, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda deter determin minad ada a con con la temper temperatu atura ra del del cuer cuerpo. po. Para Para cada cada temper temperatu atura ra y cada cada longitud de onda e"iste un m!"imo de energía radiante. 6&lo un cuerpo ideal
>cuerpo negro? emite radiaci&n aust!ndose e"actamente a la ley de Planc0. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor El proceso de transferencia de calor que se considera es el de convecci&n, convecci&n, el cual ocurre entre un fluido en movimiento y una superficie cuando est!n a diferentes temperaturas. En este caso se utilizar!n gotas de agua para la transferencia de calor. 7uando ocurre evaporaci&n en el proceso de transferencia de calor en una interfaz s&lida+líquida se le llama ebullici&n. El proceso ocurre cuando la temperatura de la supe superf rfic icie ie e"ce e"cede de la temp temper erat atur ura a de satu satura raci ci&n &n del del líqu líquid ido o a la pres presi& i&n n correspondiente. El proceso se caracteriza por la formaci&n de burbuas de vapor las cuales crecen y se desprenden de la superficie. 6e quiere evitar que se forme una capa de vapor entre la superficie y el líquido como se muestra en la figura :>c? y :>d? ya que el fluo de calor disminuye y se encuentra en un punto bao como se muestra en la curva de ebullici&n para agua a : atm de presi&n, >figura 9? en esta se muestra como varía el fluo de calor con respecto al e"ceso de temperatura antes mencionado. 7urva típica de ebullici&n para agua a la presi&n de : atm.
Figura %.- ur#a típica de e&ullici!n para agua a la presi!n de 1 atm.
La primera parte de la gr!fica como muestra en la parte superior es la ebullici&n en convecci&n natural en la que el fluo de calor va aumentando con respecto a la temperatura en e"ceso. $espués llega a la etapa de ebullici&n nucleada, figura :>b?, donde en la primera parte se forman burbuas que colapsan en el líquido del punto * al D de la gr!fica y el fluo de calor sube m!s r!pido después del punto D al 7 las burbuas formadas si llegan a la superficie del líquido sin deshacerse.
$espués de este punto se llega a la ebullici&n de transici&n, figura :>c?, que empieza en el punto 7 que es el punto de m!"imo fluo de calor y en ese punto empieza a baar hasta el punto $ donde empieza la ebullici&n en película, figura :>d?, que va del punto $ al E en la cual empieza a subir de nuevo el fluo de calor. En el prototipo que se quiere construir es probable que se trabae en el !rea del punto 7 en adelante, pero se busca que no se forme la capa de vapor por lo tanto se va a variar la cantidad de aire y la cantidad de agua que pasan ya que de esto depende.
Figura '.-oeficientes de transferencia de calor para diferentes métodos de enfriamiento
En base a los resultados obtenidos en '(uenching)sing *ir+ater -i"tures que se mues muestr tran an en la sigu siguie ient nte e curv curva a >fig >figur ura a C? para para dife difere rent ntes es méto método dos s de enfriamiento se puede observar como varía el coeficiente de transferencia de calor con respecto a la temperatura de la superficie. 7omo se puede observar en las líneas líneas de método método de venti ventila lador dor con inyec inyecci& ci&n n de agua agua y el de boqui boquilla llas s de atom atomiz izac aci& i&n n a medi medida da que que la temp temper erat atur ura a dism dismin inuy uye e hast hasta a cier cierto to punt punto o el coeficiente de transferencia de calor se mantiene constante o con menos variaci&n y después de cierto punto apro"imadamente a 9227 aumenta el coeficiente de tran transf sfer eren enci cia a de calo calorr r!pi r!pida dame ment nte, e, pero pero lleg llega a a un punt punto o en el que que baa baa dr!sticamente apro"imadamente en :227.
Graficas echas durante el semestre en el proyecto
Fotos tomadas durante el proyecto IME
Metodologa de las pruebas de distribución de agua
1. Primero Primero se ponen ponen los tubos de de ensa$o ensa$o vació en la pesa pesa %ravim&tri %ravim&trica ca
2. '!ustar '!ustar las condiciones condiciones de operación operación del del prototipo prototipo mediante mediante el softare softare controlador de pruebas
3. 'comod 'comodar ar los tubos tubos de de ensa$o ensa$o en la re!i re!illa lla
. *oloca *olocarr el protot prototipo ipo en en la secció sección n de prueba prueba
+. "char andar andar el prototip prototipo o $ se lleva lleva a cabo la prueba prueba durante durante 1 min min
-. ue%o por por cada prueba prueba en la báscula báscula para para sacar la la diferencia diferencia de peso peso del a%ua
/. 0ealiza 0ealiza la prueba - pares de condici condiciones, ones, lue%o lue%o hacer hacer el tratamien tratamiento to de datos $ calcular
(e la distri&uci!n de flu)o de masa por unidad de *rea
!ruebas # $ caudal # % caudal # & caudal
Gasto .-ltmin .-ltmin .-ltmin
"elocidad del ventilador 1 ms 2 ms ms
Masa de las prue&as tomadas 1.- +."g 2.- +.%1g ".- .12+g %.- 1%.22g '.- .g .- +.+12+g +.- 11.1/g .- .%g .- .g 1/.- .'g 11.- .%2g 12.- .2g 1".- ."g 1%.- 12.//g 1'.- .%2g 1.- .1+g 1+.- .11g 1.- .+g
1.- .1g 2/.- 11.21% 11.21% 21.- 11.3% 11.3% 22.- .2-% .2-% 2".- .3% .3% 2%.- 12.1% 12.1% 2'.- .3% .3% 2.- .3+% .3+% 2+.- .% .% 2.- .1% .1% 2.- ./% ./% "/.- .% .% "1.- 1./% 1./% "2.- .3+% .3+% "".- 1.2% 1.2% "%.- .2+% .2+% "'.- .2% ".- .3%
'onclusiones
6e llev& a cabo la construcci&n y dise%o de un banco e"perimental que va a queda quedarr para para su futur futuro o uso uso para para hace hacerr prueb pruebas as de enfri enfriami amient ento. o. 6e hicie hicieron ron dise%os y esquemas para realizar la construcci&n del banco e"perimental, se pudo llegar a construir y ensamblar la gran parte del banco y la caracterizaci&n del sistema de aire. 6e de& listo el banco e"perimental e"perimental para posteriormente hacer las cone"io cone"iones nes eléctri eléctricas, cas, programa programaci& ci&n n en labvie labvie,, caracter caracterizac izaci&n i&n de sistema sistema hidr!ulico y pruebas de enfriamiento definitivas. •
0poyos adicionales adicionales
'po$o en simulaciones transitorias de flu!o de calor en pieza
'po$o en dise#o 34 en softare 5olidor6s
'po$o en obtención de datos de simulación
'po$o en análisis $ %raficado de datos de simulación
(eferencias
F:G allis, H.*., Iarood, H., ard, @., 5ia, (. >:33J?. (uenching )sing *ir+ater -i"tures. Proceedin%s of the 5econd 7nternational *onference on 8uenchin% and the *ontrol of 4istortion. F8G 7engel, K.*., Ihaar, *.@. >82::? 9ransferencia de *alor $ :asa. Fundamentos $ aplicaciones >9ta ed.?. -cIra+ill. F4G Ioberna, H. >:338? :anual de 0ecomendaciones Prácticas para la Prevención de 0ies%os Profesionales. Ieneralitat Malenciana. F9G 7avazos I. >:331? Nratamiento térmico de una aleaci&n de aluminio J2J4. >:3+ 8C? Nesis.
FCG Ionz Ionzale alez z M. >822 >8229? 9? Estud Estudio io de transf transfere erenc ncia ia de calor calor en compo compone nente ntes s automotrices de alta tecnología F3,:1 y :3? Nesis.
