República Bolivariana de Venezuela Universidad Nor-oriental privada “Gran Mariscal de Ayacucho” Sede Ingeniera Mención Mantenimiento El Tigre-Edo. Anzoátegui Cátedra: Transferencia de Calor.
Profesora: Wilma landaeta
Integrantes: Julio Nuñez C.I 23.519.424 Dimitri Franco C.I 24.578.789 Miguel Sánchez C.I 24.228.659 Jean Palma C.I 20.737.645
El Tigre 17 de junio del 2014
Introducción Siempre que existe una diferencia de temperatura en el universo, la energía se transfiere de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. De acuerdo con los conceptos de la termodinámica, esta energía transmitida se denomina calor. Las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, pero siempre se refieren a sistemas que están en equilibrio, y solo pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro, por lo que no sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse estos cambios. La ciencia llamada transmisión o transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la termodinámica clásica, proporcionando los métodos de análisis que pueden utilizarse para predecir la velocidad de la transmisión del calor, además de los parámetros variables durante el proceso en función del tiempo. Para un análisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar mecanismos fundamentales de transmisión: conducción, convección y radiación, además del mecanismo de acumulación. El análisis de los sistemas y modelos de intercambio de calor requieren familiaridad con cada uno de estos mecanismos y sus fundamentos, así como de sus interacciones.
Transferencia de Calor
-Mecanismos de Transferencia de Calor en Cerramientos: Se define como ambiente al espacio tanto interior como exterior a la envolvente del cerramiento, en el cual se incluye todos aquellos parámetros físicos que intervienen en los procesos de transferencia de calor, ya sea por radiación como por convección. Se define como cerramientos a los elementos de separación entre el ambiente interior y el ambiente exterior de un edificio y que constituyen su envolvente ciega. Los elementos delimitadores del ambiente interior que pueden permitir el paso del aire, la luz, etc. Se denominarán huecos, y no serán objeto de este estudio, ni tampoco las particiones entre diferentes zonas del ambiente interior.
En la transmisión del calor a través de los cerramientos, entre el ambiente exterior y el ambiente interior de los edificios, se distinguen varios mecanismos de transferencia y regiones donde se realizan: -Superficies: en contacto con el ambiente exterior e interior, donde se intercambia calor por radiación y convección entre el ambiente y el interior del cerramiento.
-Interior del cerramiento: donde se transmite calor por conducción entre ambas superficies a través de varias capas, y se almacena calor por acumulación en su masa térmica. -Aislamientos: que son regiones del interior del cerramiento con elevada resistencia térmica y sin acumulación de calor. Los casos convencionales son las capas aislantes, de masa despreciable, y las cámaras de aire, que si bien actúan por mecanismos de convección y radiación, se asimilan a una resistencia térmica y por supuesto carecen de capacidad de acumulación. -Procesos de la Transferencia de Calor: -Conducción: La conducción es el modo de transferencia térmica en el que el calor se mueve o viaja desde una capa de temperatura elevada del cerramiento a otra capa de inferior temperatura debido al contacto directo de las moléculas del material. La relación existente entre la velocidad de transferencia térmica por conducción y la distribución de temperaturas en el cerramiento depende de las características geométricas y las propiedades de los materiales que lo constituyen, obedeciendo la denominada la Ley de Fourier. -Convección: Cuando el aire de un ambiente se pone en contacto con la superficie de un cerramiento a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de calor se denomina transmisión de calor por convección. Este proceso es una experiencia común, pero una descripción detallada del mecanismo es complicada dado que además de la conducción hay que considerar el movimiento del aire en zonas próximas a la superficie.
-Radiación: Se denomina transmisión de calor por radiación cuando la superficie del cerramiento intercambia calor con el entorno mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas. Mientras que en la conducción y la convección era necesaria la existencia de un medio material para transportar la energía, en la radiación el calor se transmite a través del vacío, o atravesando un medio transparente como el aire. -Mecanismos Combinados de Transmisión del Calor: Los procesos de transmisión del calor por medio de la conducción, convección y radiación, junto con la eventual acumulación, se producen de forma simultánea y concurrente, de manera que en situaciones reales, e incluso en condiciones de laboratorio, es difícil discernir con exactitud la contribución de cada mecanismo en la transmisión de calor entre los ambientes y el cerramiento. En el intercambio de calor entre la superficie del cerramiento y el ambiente se solapan los flujos debidos a la radiación y la convección, debiéndose considerar en el primero la contribución de la absorción de onda corta, ya sea procedente del sol o del alumbrado, y la de onda larga, procedentes de las superficies del entorno e incluso, en el caso de recintos cerrados, existirían radiaciones infrarrojas emitidas por el cerramiento y reflejadas por el resto de los paramentos. En la transmisión de calor por conducción a través de los cerramientos hay que considerar generalmente que éste está constituido por varias capas con propiedades físicas diferentes, debiéndose calcular su resistencia total como la suma de varias resistencias en serie, y que las temperaturas interiores resultantes en régimen estacionario tendrán un gradiente diferente en cada capa. En el caso de existir zonas adyacentes con diferentes conductividades, tales como puentes térmicos, el coeficiente
global de conductividad será la media ponderara de las conductividades en paralelo. Por último, en el caso de conducción en régimen transitorio, se generarán sumideros y fuentes de calor por acumulación en función de la variación temporal de las temperaturas en cada punto de su interior.
-Proceso Industrial Donde Se Evidencia Algunos Mecanismos De Transferencia De Calor. Un proceso industrial donde se evidencian algunos de los mecanismos fundamentales de la transferencia de calor pueden estas establecidos en los “Motores de Combustión Interna”, donde este equipo para realizar su funcionamiento ideal y continuo es necesario realizar varios procesos fundamentales para la transferencia de calor. La transferencia de calor que se produce dentro de un motor de combustión interna, lo cual es extremadamente importante para un funcionamiento correcto. Alrededor del 35% del producto de la energía química que entra a un motor por parte del combustible se convierte en trabajo útil en el cigüeñal, y el 30% de la energía del combustible es utilizada consumida fuera del motor en el flujo de escape en forma de entalpía y energía química. Esto es cerca de un tercio del total la energía la cual debe ser disipada al ambiente por algún modo de transferencia de calor. Las temperaturas dentro de la cámara de combustión de un motor deben llegar a los valores del orden de 2700 K o más. Los materiales en el motor no pueden tolerar esta clase de temperatura y rápidamente fallarían si una transferencia de calor adecuada no se produce. La extracción de calor
es altamente crítica en el mantenimiento de un motor y los lubricantes para el motor podrían fallar debido a las altas temperaturas. Por otra parte, es conveniente usar un motor tan caliente como sea posible para maximizar la eficiencia térmica. Dos métodos generales se utilizan para enfriar las cámaras de combustión de los motores. El bloque del motor refrigerado por agua, rodeada de una camisa de agua que contiene un fluido refrigerante que circula a través del motor. Un motor refrigerado por aire tiene una superficie con aletas exteriores en el bloque sobre el cual se dirige una corriente de aire. El estudio del calor y el proceso de combustión es muy importante para el técnico, dado que en la mayoría de los ciclos de los motores térmicos, y específicamente para nuestro caso, en los de combustión interna, el calor liberado en el proceso de combustión constituye la fuente de energía de la que dispone el motor para su posterior transformación en energía cinética o trabajo mecánico útil. Desde la aparición de los autotransportes como medio de transporte, comenzando con los vehículos de vapor hasta los primeros automóviles que emplearon motores de combustión interna, ha surgido la necesidad de generar la potencia suficiente en éstos, para poder desplazar objetos pesados a largas distancias en el menor tiempo posible, teniendo distintos factores que afectan su funcionamiento. Tal es el caso del exceso de calor que se genera de la quema de combustible fósil y el desgaste de sus componentes. En el primer caso, se debe recordar que, del total de energía derivada del combustible, sólo el 25% se transforma en trabajo mecánico, mientras que el 75% restante se transforma en energía calorífica, la cual se transmite directamente a los componentes, afectando su desempeño y acelerando su deterioro. Existen diversos tipos de motores de combustión interna, pero los principales son:
-El motor de encendido por compresión: El cual utiliza el calor de un proceso de combustión para impulsar un pistón, pero en el que no se necesita chispa. En lugar de ello, el combustible vaporizado, se inyecta y
entra en contacto con aire calentado hasta una temperatura suficiente para que aquél encienda por sí mismo.
-El motor de encendido por chispa: En éste tipo de motor, el combustible vaporizado y mezclado con aire, entra en ignición por medio de una chispa eléctrica. La expansión de los gases causada por el calor de la combustión impele a un pistón que realiza el trabajo para el movimiento.
Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Un Motor de Combustión Interna de Ciclo Diesel utilizado para generación eléctrica, que puede funcionar con dos sistemas de combustible diferentes: crudo o diesel. Inicialmente se detalla la descripción del tipo de equipo monitoreado, luego las técnicas aplicadas en los análisis, y finalmente se presenta un caso práctico real. Actualmente en las diferentes industrias de nuestro país, está en práctica
el
“Mantenimiento Predictivo” (MP) el cual es algo fundamental para el buen funcionamiento de un cualquier tipo de motor; y aún se encuentra en vías de desarrollo en nuestro país.
-Principio de Funcionamiento y Cinemática del Motor.
Un motor de combustión interna basa su funcionamiento, como su nombre lo indica, en el quemado de una mezcla comprimida de aire y combustible dentro de una cámara cerrada o cilindro, con el fin de incrementar la presión y generar con suficiente potencia el movimiento lineal alternativo del pistón.
Este movimiento es transmitido por medio de la biela al eje principal del motor o cigüeñal, donde se convierte en movimiento rotativo, el cual se transmite a los mecanismos de transmisión de potencia (caja de velocidades, ejes, diferencial, etc.) y finalmente a las ruedas, con la potencia necesaria para desplazar el vehículo a la velocidad deseada y con la carga que se necesite transportar.
Mediante el proceso de la combustión desarrollado en el cilindro, la energía química contenida en el combustible es transformada primero en energía calorífica, parte de la cual se transforma en energía cinética (movimiento), la que a su vez se convierte en trabajo útil aplicable a las ruedas
propulsoras; la otra parte se disipa en el sistema de refrigeración y el sistema de escape, en el accionamiento de accesorios y en perdidas por fricción.
En este tipo de motor es preciso preparar la mezcla de aire y combustible convenientemente dosificada, lo cual se realizaba antes en el carburador y en la actualidad con los inyectores en los sistemas con control electrónico. Después de introducir la mezcla en el cilindro, es necesario provocar la combustión en la cámara de del cilindro por medio de una chispa de alta tensión que la proporciona el sistema de encendido.
-El Ciclo de Funcionamiento Teórico de Cuatro Tiempos.
La mayoría de los motores de combustión interna trabajan con base en un ciclo de cuatro tiempos, cuyo principio es el ciclo termodinámico de Otto (con combustible gasolina o gas) y el ciclo termodinámico de Diesel (con combustible A.C.P.M.). Por lo tanto, su eficiencia está basada en la variación de la temperatura tanto en el proceso de compresión isentrópico1, como en el calentamiento a volumen (Otto) o presión constante (Diesel).
El ciclo consiste en dos carreras ascendentes y dos carreras descendentes del pistón. Cada carrera coincide con una fase del ciclo de trabajo, y recibe el nombre de la acción que se realiza en el momento, así:
Admisión-Compresión-Combustión-Escape
-Motor: Es la parte intima de una persona
capaz
de
hacer
funcionar el sistemaurinario, transformando algún tipo de energía
(eléctrica,
de
combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar un trabajo. En los automóviles este efecto es una fuerza
que
produce
el
movimiento.
-Combustión: Es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de puntos en forma de calor y luz, manifestándose visualmente gracias al fuego, u otros. En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), generalmente el oxígeno en forma de O2 gaseoso. Los explosivos tienen oxígeno ligado químicamente, por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión.
-Diesel (Gasóleo): También denominado gasoil, es un hidrocarburo líquido de densidad sobre 832 kg/m³ (0,832 g/cm³) ,1 compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible en calefacción y en motores diesel. Su poder calorífico inferior es de 35,86 MJ/l (43,1 MJ/kg)1 que depende de su composición comercial
-Conducción de Calor: Es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo a mayor temperatura a otro a menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.
-Admisión: Es el primero de los cuatro tiempos de un motor de combustión interna.1 Al comienzo de la fase de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón comienza a descender provocando una caída de presión en el cilindro, lo que a su vez provoca la entrada desde el exterior de aire fresco en el caso de un motor diesel, o de mezcla inflamable de aire y combustible en el caso de un motor de ciclo otto vulgarmente llamado motor de gasolina.
-Compresión: En un motor de combustión interna es el número que permite medir la proporción en volumen, que se ha comprimido la mezcla de airecombustible (Motor Otto) o el aire (Motor Diesel) dentro de la cámara de combustión de un cilindro.
-Escape: Es el proceso donde el pistón empuja empuja los gases quemados hacia el exterior.
-Ciclo Otto: Es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.
-Gasolina: Es una mezcla de hidrocarburos alifáticos obtenida
del
petróleo
por
destilación
fraccionada, que se utiliza como combustible en motores de combustión interna con encendido por chispa convencional o por compresión (DiesOtto), así como en estufas, lámparas, limpieza con solventes y otras aplicaciones.
-Pistón: Es un componente de los motores alternativos,
de
movimiento
alternativo bombas, compresores de gas y cilindros neumáticos, entre otros mecanismos similares. Es el componente
móvil
que
está
contenido por un cilindro y se hace estanca al gas por anillos de pistón. En un motor, su propósito es transferir la fuerza de la expansión de gas en el cilindro al cigüeñal a través de un vástago de pistón y / o vástago de conexión. En una bomba, la función se invierte y la fuerza se transfiere desde el cigüeñal al pistón con el fin de comprimir o expulsar el fluido en
el cilindro. En algunos motores, el pistón también actúa como una válvula, cubriendo y descubriendo los puertos en la pared del cilindro.
-La Transferencia de Calor en el Motor.
El motor, como máquina térmica provista de una estructura con superficies limitadas por al menos seis fronteras fluidicas diferentes (gases de cilindros, gases de admisión, gases de escape, refrigerante, lubricante y aire ambiente) y una frontera de fricción pistón-cilindro, es una máquina muy compleja para ser modelada desde el punto de vista térmico, sobre todo porque todas esas
fronteras son de naturaleza transitoria y
dependientes del punto de operación del motor.
Las temperaturas de la estructura y de los fluidos son los factores que limitan el incremento de la potencia específica del motor (potencia por unidad de volumen de trabajo del motor) y es por esto que es importante, no sólo continuar garantizando los niveles seguros de temperaturas según las limitaciones de tensiones térmicas de los materiales estructurales, las tolerancias en los pares cinemáticos, las exigencias tribológicas y los límites impuestos por las propiedades de los fluidos, sino también avanzar en la identificación térmica de los motores, esto es, en la obtención de modelos que permitan predecir y controlar las temperaturas de los fluidos de las fronteras y de las superficies de interés. Es importante poder predecirlas y controlarlas para poder optimizar la combustión y reducir con ello el consumo y las emisiones de contaminantes en todos los regímenes de operación del motor, en primer lugar, y luego para potenciar la recuperación de la energía evacuada con los gases de escape y con el refrigerante.
Para identificar térmicamente el motor se debe disponer de modelos que permitan validar los intercambios de calor entre los gases de admisión y escape y las pipas correspondientes, entre los gases del cilindro y las paredes de la cámara de combustión, y así mismo entre el refrigerante, el aceite lubricante y el aire circundante y las correspondientes superficies del motor. En las partes siguientes de este apartado se comentarán los tratamientos de modelado más usados para estas interfaces.
-Transferencia de Calor entre los Gases del Cilindro y las Paredes de la Cámara de Combustión.
La transferencia de calor en el motor se manifiesta como el flujo de energía térmica debido por los gradientes de temperatura en las diferentes interfaces del motor. Particularmente para el cilindro, básicamente la transferencia de calor se puede describir como el flujo de energía térmica, desde los gases del cilindro (generalmente a una mayor temperatura promedio) hacia el refrigerante (generalmente a una menor temperatura promedio), a través de las paredes metálicas, como se esquematiza en la
En la figura se destaca la variación de la temperatura de los gases durante el ciclo, como motor principal del proceso de intercambio de calor, y la variación del coeficiente de transferencia de calor del lado del gas, correspondiente
a
un
modelo simplificado. Realmente los mecanismos de transferencia de calor a ambos lados de la pared del cilindro son más complejos que lo mostrado en el esquema, como se hará evidente a lo largo de este capítulo.
La transferencia de calor dentro del cilindro es uno de los problemas más complicados de transferencia de calor en el motor, asociado a cambios rápidos de la temperatura, la presión y la velocidad de la masa de trabajo, y con grandes variaciones en la distribución de los campos de temperatura y velocidad, aparte de la participación de dos mecanismos muy diferentes como la convección y la radiación. El flujo de calor de los gases hacia las paredes del cilindro varía durante el ciclo desde valores muy pequeños, negativos en los momentos que siguen a la apertura de las válvulas de escape, hasta valores positivos del orden de los MW/m2.
-Transferencia de Calor del Lado del Refrigerante.
En los motores con sistemas de refrigeración convencional el refrigerante se hace llegar a las camisas de los cilindros y después el refrigerante fluye a través de perforaciones en la parte superior del bloque hacia la culata (los orificios de transferencia en la culata son calibrados y tienen diferentes diámetros según el control y la distribución del caudal que fluye hacia la culata). Dependiendo de la topología en la culata los flujos de refrigerante siguen hacia los entornos de las válvulas y del inyector, a la salida de los cuales se dirigen hacia la parte superior de la culata. De manera que, en lo que respecta a la camisa de enfriamiento, el motor se comporta como un intercambiador de calor con flujos complicados que transportan calor, gases de combustión en la parte interna (con direcciones de movimiento complejas) y fluido refrigerante en la parte externa del
entorno de combustión. La Figura ilustra algunos esquemas de circulación del refrigerante en motores en línea.
En los motores de combustión la transferencia de calor está muy influenciada por el campo del fluido en los pasajes de refrigeración, el cual es turbulento bajo todas las condiciones de operación. En estos motores la transferencia de calor en la camisa depende de las propiedades termofísicas del refrigerante, del patrón del flujo y de la presencia de ebullición y cavitación.
Los modelos para predecir la transferencia de calor hasta hace poco eran sólo empíricos, pero con las investigaciones de optimización de la refrigeración y la búsqueda de control de las zonas térmicamente peligrosas del motor, los modelos han ido teniendo un tratamiento más analítico, aunque siempre con muchas correcciones experimentales. También, los métodos analíticos y los algoritmos usados desarrollados para flujos turbulentos han posibilitado el modelado CFD.
-Transferencia de Calor Entre el Aceite y el Motor.
El aceite es, como se mencionó, una de las condiciones de contorno. Usualmente, para el modelado del motor se evalúan los intercambios entre el aceite y el pistón y el aceite y la camisa. Para el caso del pistón, el aceite desempeña un papel importante en su refrigeración y sobre todo en los motores de elevada potencia específica, en los cuales se hace uso de toberas para inyectar aceite a canales anulares practicados en la cabeza del pistón.
-Transferencia de Calor Entre el Motor y el Ambiente. Como lo afirman Jarrier et al, y, Bohac, no se dispone de modelos para el cálculo de la transferencia de calor entre el motor y su ambiente y usualmente se hace uso de las expresiones de convección natural aplicadas a las superficies externas del motor. Dependiendo de la aplicación, la transferencia de calor entre el motor en su conjunto y su alrededor es compleja. Tratándose de aplicaciones automotrices, actualmente se emplean códigos CFD para el modelado del flujo de aire en los alrededores del motor y en su compartimento. Los modelos obtenidos permiten tener en cuenta las implicaciones aerodinámicas y de reparto de flujo de aire producido por los ventiladores del sistema de gestión térmica y el efecto “RAM” (incremento de presión a la entrada de aire al sistema de ventilación producido por el aire de encuentro durante el movimiento del vehículo).
Una idea de las temperaturas en la parte externa del motor la da la Figura. La transferencia de calor entre el motor y su alrededor es convectiva y radiactiva.
Bibliografía
-Plazas, A. T., Modelado unidimensional de inyectores common rail Diesel. Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Valencia. España, 2005. -"Transferencias de Calor Aplicada a la Ingeniería", Editorial Limusa, James R. Welty, primera edición. -"Termodinámica Aplicada", Editorial McGraw - Hill, primera edición. -"Termodinámica Aplicada", Editorial Ediciones URMO, R.M. Helsdon, primera edición. - FlowMast er user’s manual. Versión 7.2. -Launder, B., Spalding, D. The numerical computation of turbulent flows. Comp Methods in App. Mech and Eng., vol. 3, pp. 269–289, 1974. -Miller, D. S. Internal flow systems, segunda edición, BHR Group Limited, 1996. -PowerFlow user’s manual. Version 4.1.
