Univers idad idad P olité olitécni cnica ca S alesia es iana na Ing enierí eniería a Mecá Mecánic nica a Aut A utom omot otri riz z
P royect roy ecto o Fi nal nal de Tra Tr ans ferencia ferenci a de C alor
R edis eño de un R adiado diadorr E s tándar ndar Hyunda Hy undaii S ona on ata 2.2 2. 2
R ealizado ealizado por :
C ris tian ian Es coba cobar
B ryan G uazhima uazhima
R obins obins on Ortiz Ortiz
Danilo Pillacela
Docente: Ing Ing . ANDRIAN S IGUENZA IGUENZA
G rupo 1
Cuenca – E cuado cuadorr
INTRODUCCIÓN. La demanda de motores más potentes y pequeños ha creado un problema de insuficientes tasas de disipación de calor en radiadores de automóviles. Más del 33% de la energía generada por el motor a través de la combustión se pierde en calor. Una disipación de calor insuficiente puede provocar un sobrecalentamiento del motor, que provoca la descomposición del aceite lubricante, el debilitamiento de las piezas del motor por parte del metal y un desgaste significativo entre las partes del motor. Para minimizar el estrés en el motor como resultado de la generación de calor, los radiadores de automóviles deben ser rediseñados para ser más compactos, y mejores disipadores de calor, manteniendo al mismo tiempo altos niveles de rendimiento de transferencia de calor. Para mejorar el efecto de enfriamiento en el sistema de refrigeración se debe mejorar la transferencia de calor. La mejor transferencia de calor depende de la superficie del radiador. Al mismo tiempo debemos considerar la expectativa del cliente que es el tamaño del radiador según el tamaño de los vehículos. Por lo tanto, es necesario diseñar los tubos del radiador para satisfacer tanto la alta transferencia de calor, así como el tamaño óptimo del radiador para la expectativa del cliente. Los diferentes factores influyen en las funciones del radiador. Radiador incorporado con aire atmosférico, flujo del refrigerante presente en el sistema, densidad de las aletas de refrigeración así como temperatura de la entrada de aire en el sistema. Se identifica que cuando el aire atmosférico y el caudal másico del refrigerante que aumenta la capacidad de refrigeración del radiador aumentan. Cuando se desvía el tamaño geométrico de las aletas de refrigeración de su óptimo, se reduce el efecto de la refrigeración. Las depresiones superficiales de las aletas de enfriamiento respaldan la mezcla turbulenta en el flujo junto con el aumento de la transferencia de calor.
OBJETIVOS Objetivos Generales
Realizar un análisis en el software ANSYS del intercambiador de calor asignado.
Objetivos Específicos Dibujar el radiador en inventor para lograr exportarlo en archivo igs. Analizar los cálculos realizados del sistema mediante el método de eficiencias NTU. Analizar los cálculos realizados del sistema mediante el método de DMLT. Simular el sistema en ANSYS de manera estática térmica, ingresando los datos necesarios para obtener una solución coherente. Comparar las respuestas entre los cálculos realizados y los datos obtenidos en el software de computadora.
MARCO TEÓRICO
Sistema de enfriamiento: La mayoría de los autos en la actualidad cuentan con motores con sistemas de enfriamiento por agua. Estos sistemas se encargan de enfriar un líquido refrigerante y hacerlo circular dentro del block y el cabezote del motor para enfriarlo y mantenerlo en una temperatura normal de trabajo.
Figura 1: Esquema de sistema de enfriamiento del motor.
Sistema de enfriamiento por líquido de motores: Los motores de combustión interna modernos están diseñados para mantener una temperatura homogénea entre 82° y 113°C. Todos los vehículos deben cumplir los requisitos que se exigen para poder moverse. Partes del sistema de enfriamiento
Figura 2: Partes del sistema de enfriamiento.
Los colectores son necesarios para obtener una llegada y una salida regular de agua y también para que el radiador tenga la capacidad suficiente para enfriar. En la actualidad el radiador va colocado en la parte delantera del vehículo tras una rejilla, el radiador está compuesto por tres partes que son: Un panal y dos depósitos, el panal puede estar formado por una sola fila de tubos planos, separados por unas láminas o aletas onduladas como se observa en la figura 3:
Figura 3: Panal de una sola fila de tubos.
O por dos o más filas de tubos.
Figura 4: Panal de dos filas de tubos
Tipos de radiadores El radiador sirve para enfriar el líquido de refrigeración. El líquido se enfría por medio del aire que choca contra la superficie metálica del radiador. El radiador está formado por dos depósitos, uno superior y otro inferior, también pueden estar en los laterales. Ambos están unidos entre sí por una serie de tubos finos rodeados por numerosas aletas de refrigeración, o por una serie de paneles en forma de nidos de abeja que aumentan la superficie radiante de calor. Tanto los tubos y aletas como los paneles se fabrican en aleación ligera (actualmente sobre todo de aluminio), facilitando, con su mayor conductibilidad térmica, la rápida evacuación de color a la atmósfera.
R adiador De Circulación Descendente.
En los radiadores de circulación descendente el agua entra por la parte superior y baja después por una serie de pequeños conductos. Las delgadas aletas metálicas unidas a estos conductos aumentan la superficie para lograr un mayor enfriamiento. La mayoría de los radiadores son de latón, aunque hay algunos de aluminio. Si el vehículo tiene una transmisión automática, puede existir un enfriador para el líquido de la transmisión dentro del fondo del tanque, o a un lado del mismo, lo que podemos ver en la figura
Figura 5: Radiador de flujo descendente
R adiador D e Circulación Tr ansversal
El radiador de circulación transversal es más eficaz que los radiadores de circulación descendente del mismo tamaño. El agua caliente entra por la izquierda y circula por los dos conductos hasta el tanque receptor, a la derecha del tapón y el enfriador de la transmisión automática está en el extremo frío del radiador.
Figura 6: Radiador de flujo transversal.
DESARROLLO Dibujo del radiador:
Figura 7: Radiador ensamblado en inventor.
Figura 8: Radiador ensamblado en inventor..
Figura 9: Radiador ensamblado en inventor.
Cálculos mediante el método de eficiencias NTU: Datos Iniciales AGUA
AIRE
Tentrada=98 °C
Cp=1007 J/kg*K
Tsalida=82 °C
V=6,8 m/s
̇ = 0,0011831/
Tentrada=18 °C Ancho del radiador= 0,7285m Alto de radiador= 0,43087m
Calculo de la temperatura de funcionamiento del agua. (Temperatura Promedio)
= +2 = 98+82 2 = ° Según tabla A-9 (Cengel & Ghajar, Cuarta edición) a 90°C
= 4206 ∗ = 965,3 ̇ = ∗ ̇ ̇ = 965,3 ∗0,0011831/ = , /
̇ = ∗ = 0,7285∗0,43087 = , ̇ = 0,31 ∗6,8 = , / Según tabla A-15 (Cengel & Ghajar, Cuarta edición)
= 1,2124 ̇ = ∗ ̇ ̇ = 1,2124 ∗ 2,108 = , / Cálculo de la transferencia de calor
= ̇ ∗ ∗ ∆ 9882 = , = 1,14 4206 ∗ 1,14 = , / = ∗ ̇ = 4206 ∗ J 2,55 = , / = ∗ ̇ = 1007 kg∗C = = , = = ,
= 2567,87 / = , = 4794,84 /
= = 2567,87 9818 = , 76717,44 = , ∈= ̇ = 205429, 6 (Cengel & Ghajar, Cuarta edición)
∈= {, [(∗,)]} ∈
8 7 / = ∗ = 0,543045∗2567, = , / 0,31 Cálculos mediante el método de DMLT: Simulación estática térmica en ANSYS del sistema: En la figura 10 podemos observar el diseño del radiador exportado desde INVENTOR al software ANSYS, es necesario que para el análisis tengamos en cuenta que las aletas del radiador fueron retiradas y el número de tubos fue minorado, la razón principal de esta modificación es por los errores de cálculo y además por el tiempo de resolución que existe en el software.
Figura 10: Radiador analizado en ANSYS.
Análisis Estático de Temperatura: En la figura 11 se puede observar el comportamiento de la transferencia de calor en el radiador.
Figura 11: Radiador analizado en ANSYS.
Se logra observar claramente en la figura 11 y 12 el comportamiento de la temperatura, el color rojo nos da a conocer la temperatura máxima del sistema con un valor de 98 C y va perdiendo su intensidad con respecto al tiempo de transferencia de calor a lo largo del sistema, llegando a una temperatura mínima de 82 C ̊
̊
Figura 12: Radiador analizado en ANSYS.
Flujo Total de Calor: En la figura 13 podemos observar el flujo total de calor, nos muestra variaciones de temperatura en la parte superior e inferior del radiador, en el lugar de entrada y salida del agua, la que tiene menor temperatura es de color azul y se puede observar lugares celestes donde la temperatura es más elevada.
Figura 13: Radiador analizado en ANSYS.
Figura 14: Radiador analizado en ANSYS.
Error Térmico:
Se puede apreciar el error térmico que existe con respecto a la temperatura más alta es de 0.00021774 y la de menor temperatura tiene valores muy bajos de lo cual nos da a conocer que las temperaturas en el análisis son correctas.
4.090710−
Figura 15: Radiador analizado en ANSYS.
Figura 16: Radiador analizado en ANSYS.
CONCLUSIONES
Podemos observar que el radiador tiene un trabajo muy eficiente, por la toma de datos obtenida en la cual observamos que la temperatura de ingresa del refrigerante en el radiador es de 98ºC y a la salida del radiador la temperatura de salida es de 35.8ºC. El radiador es un elemento de enfriamiento del motor a través del agua, que se enfría a través del aire que choca sobre la superficie metálica. Entre menos volumen de agua tengan los tubos mas veloz va a ser el refrigerante que pasa por estos, ya que ayuda a la disminución de la temperatura.
Recomendaciones
Para determinar la temperatura del refrigerante en el radiador se recomienda utilizar termocuplas. También se recomienda que al momento de colocar las termocuplas trabajar cuando el motor este frio, ya que si el mismo está caliente, puede ocasionar un accidente por que el refrigerante del vehículo trabaja a temperaturas y presiones muy altas. Se recomienda utilizar overol y gafas para mayor seguridad de todos los integrantes del grupo ya que las temperaturas alcanzadas por el motor son muy altas.
BIBLIOGRAFÍA
High Efficiency Radiator Design for Advanced Coolant-ME450 Fall 2007-Katsuo Kurabayashi ELEMENTOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA-Scientia et Technica Año XIII, No 34, Mayo de 2007. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 Design and Modification of Radiator in I.C. Engine Cooling System for Maximizing Efficiency and Life- Indian Journal of Science and Technology, Vol 9(2), DOI: 10.17485/ijst/2016/V9i2/ 85810, January 2016-ISSN (Print) : 0974-6846-ISSN (Online) : 0974-5645
