IM-2007-I-13

DIS EÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MEDIR LAS

PROPIEDADES DEL FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE VÁLVULAS DE

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

Presentado por

Andrés Felipe Espinosa Vela

Trabajo para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Asesor:

Rafael Beltrán Pulido

Departamento de Ingeniería Mecánica

Universidad de los Andes, Bogota - Colombia

Junio de 2007

1

Tabla de Contenidos

I. JUSTIFICACIÓN........................................................................................................... 3

II. OBJETIVOS ................................................................................................................. 6

1. Objetivo General.......................................................................................................... 6

2. Objetivos Específicos .................................................................................................... 6

III. INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 7

1. Caracteri zación............................................................................................................ 7 1.1. Puerto, Válvula y Asiento de Válvula........................................................................... 7 1.2. Flujo..................................................................................................................... 9 1.3. Eficiencia del Puerto............................................................................................... 11

2. Metodologías ............................................................................................................. 13 2.1. Bancos de Pruebas ................................................................................................. 13 2.2. Swirl y Tumble...................................................................................................... 15 2.3. Experimentos........................................................................................................ 17

IV. DESARROLLO DEL BANCO DE PRUEBAS ....................................................21

1. Diseño....................................................................................................................... 21 1.1. Requerimientos ..................................................................................................... 21 1.2. Banco de Pruebas................................................................................................... 21 1.3. Sensor de Flujo...................................................................................................... 22 1.4. Manómetros.......................................................................................................... 24 1.5. Sensor de Swirl ..................................................................................................... 24 1.6. Sujetador de Válvula .............................................................................................. 25 1.7. Software de análisis de datos.................................................................................... 26

2. Construcción ............................................................................................................. 26 2.1. Banco de Pruebas................................................................................................... 26 2.2. Sensor de Flujo...................................................................................................... 27 2.3. Manómetros.......................................................................................................... 28 2.4. Sensor de Swirl ..................................................................................................... 28 2.5. Sujetador de Válvula .............................................................................................. 29 2.6. Software de análisis de datos.................................................................................... 29

3. Pruebas..................................................................................................................... 30 3.1. Introducción ......................................................................................................... 30 3.2. Materiales y Métodos ............................................................................................. 30 3.3. Resultados............................................................................................................ 34 3.4. Conclusiones......................................................................................................... 39

V. RESULTADOS ..........................................................................................................40

2

VI. RECOMENDACIONES ...........................................................................................41

1. Recomendaciones de uso............................................................................................. 41

2. Recomendaciones de posteriores estudios...................................................................... 42 2.1. Desprendidas de estudios de otros autores................................................................... 42 2.2. Desprendidas del desarrollo de este trabajo ................................................................. 43

VII. CONCLUSIONES ...................................................................................................44

VIII. REFERENCIAS......................................................................................................45

IX. ANEXOS....................................................................................................................47

1. Glosario.................................................................................................................... 47

2. Planos....................................................................................................................... 48 2.1. Banco de Pruebas................................................................................................... 48 2.2. Placa con Orificio Cuadrado .................................................................................... 49 2.3. Sujetador de Válvula .............................................................................................. 50 2.4. Manómetros.......................................................................................................... 51 2.5. Probeta Base......................................................................................................... 52 2.6. Válvula Base......................................................................................................... 53

3. Memoria de Cálculos.................................................................................................. 54 3.1. Números de Reynolds............................................................................................. 54 3.2. Coeficient es de Flujo estático y Swirl ........................................................................ 55 3.3. Flujo................................................................................................................... 57 3.4. Propagación de Errores ........................................................................................... 58

4. Materiales y Costos .................................................................................................... 60

5. Experimentos............................................................................................................. 61 5.1. Configuración de los experimentos ............................................................................ 61 5.2. Datos de entrada de las pruebas ................................................................................ 64 5.3. Datos de salida de las pruebas .................................................................................. 65

6. Manual de usuario del Banco de Pruebas...................................................................... 66 6.1. Ensamble ............................................................................................................. 67 6.2. Operación............................................................................................................. 71

7. Software “ValvoMatic”............................................................................................... 73 7.1. Manual de Usuario................................................................................................. 73

8. Tabla de Ilustraciones................................................................................................. 79

3

I. Justificación

Es conocido1 que la geometría de la válvula, el asiento de válvula y el puerto de succión o escape de gases, tienen gran influencia en el comportamiento final de los motores de combustión interna ya que determinan la forma como el aire ingresa en el cilindro (cámara de combustión) para una configuración de presión de entrada preestablecida, esto condiciona directamente procesos indispensables en el buen funcionamiento del motor como son:

Figura 1. Simulación de Flujo a través del puerto, la válvula y el cilindro2

- Eficiencia volumétrica del motor: Se ve afectada por la cantidad de aire que

ingresa en el sistema (flujo), el cual está determinado tanto por la diferencia de presión en la cámara (razón de compresión del motor y presión de entrada que puede ser la atmosférica, en la mayoría de los casos, o una presión mayor en el caso de motores turbo alimentados o con algún sistema de compresión) como por la restricción que oponga el puerto y la válvula.

- Mezcla de combustible-aire: En la mayoría de motores modernos, la inyección se produce en el puerto justo antes de la válvula, por lo que la forma como se mueva el aire en este punto y la velocidad que posea, van a ayudar o dificultar la adecuada mezcla del combustible y el aire. Lo anterior puede producir una combustión más eficiente con menor consumo de combustible y menos demanda de aire al permitir que todo el combustible tenga la cantidad adecuada de aire y se queme completamente, disminuyendo además las emisiones nocivas al medio ambiente.

- Propagación de la llama en la combustión: El movimiento que la geometría del puerto y la válvula le producen a la mezcla combustible-aire determina la forma como la llama, producida por la chispa, se propaga al interior del cilindro. Esto puede producir una combustión completa y uniforme, evitando puntos de explosión espontánea por aumento localizado de presión o combustible que no se alcanza a quemar; este fenómeno se puede alterar, además, con la introducción de más iniciadores o cambiando el punto de entrada de los mismos.

1 Referencias 1, 13 y 14. 2 Referencias 13 y 14.

4

Figura 2. Velocidad, medida en grados de giro del cigüeñal, de combustión del 90% del

combustible para diferentes valores de la energía cinética al interior del cilindro3

Es por esto que elegir una adecuada geometría, que maximice estos aspectos, es un tema muy importante en el diseño de máquinas de alto y bajo desempeño y más aún en tiempos de escasez y encarecimiento de los combustibles, así como de aumento de la preocupación por problemas ambientales. Esto ha hecho que los bancos de pruebas de flujo de aire para caracterizar el comportamiento de las geometrías seleccionadas sean cada vez más usados. Sin embargo, a pesar de la gran importancia de la geometría de la válvula y el puerto, ésta se determina en la industria de forma experimental, basándose en la experiencia de uno o varios ingenieros que diseñan el puerto como les parece más adecuado y luego utilizan bancos de pruebas -diseñados específicamente para cada motor- en los que se monta el bloque completo y de acuerdo a los resultados arrojados se van haciendo cambios en la geometría, de nuevo basándose únicamente en la experiencia de los ingenieros, y así, iterativamente hasta llegar al mejor diseño. Esto es posible porque normalmente el proceso de diseño de un nuevo motor está acompañado de un amplio presupuesto. También se han comenzado a utilizar ayudas computacionales para simular la respuesta del fluido a la geometría de los puertos, lo que ha ayudado a comprender un poco más el funcionamiento del sistema, llegando a saber, por ejemplo, que el ángulo de tumble -ángulo entre el puerto y la válvula- es inversamente proporcional a la energía cinética del aire al interior del cilindro o razón de tumble4; pero ante la alta complejidad de los puertos, los asientos y las propiedades del fluido, en la mayoría de los casos no se ha llegado a resultados con la precisión esperada5, lo que no ha permitido alcanzar la confianza necesaria en estos métodos como para que el diseño se base en ellos.

3 Referencia 2. 4 Referencias 1 y 3. 5 Referencias 13 y 14.

5

Por todo esto, se hace importante el diseño de un banco de pruebas que permita caracterizar el flujo a través de puertos con diferentes geometrías en condiciones diferentes, con suficiente confiabilidad como para poder investigar nuevas metodologías de diseño, más eficientes y comprender mejor cómo afecta realmente la geometría de cada etapa del sistema el desarrollo del flujo final, y así desarrollar más económicamente motores más eficientes, ecológicos y con menos consumo de combustible, incluso para casos poco estudiados como la baja presión atmosférica de la ciudad de Bogotá, y otras ciudades andinas.

6

II. Objetivos

1. Objetivo General Diseñar y construir un dispositivo que permita medir, con adecuada precisión, las características del flujo de aire a través de válvulas de admisión y escape para diferentes geometrías de culatas, válvulas y asientos de válvulas.

2. Objetivos Específicos - Diseñar un dispositivo que permita controlar la diferencia de presión entre dos

cavidades comunicadas con una configuración de válvula-culta variable y que permita, además, medir la presión y flujo de aire corriente arriba de la válvula y swirl corriente abajo de la válvula, así como variar estáticamente la apertura de la válvula.

- Construir el dispositivo de acuerdo con el diseño realizado, asegurando que permita

introducir modificaciones futuras fácilmente para realizar experimentos avanzados, tales como estudios de flujo pulsante.

- Diseñar y calibrar el sistema de adquisición de datos y el sistema de control, en caso

de ser necesario. - Comprar y/o diseñar y construir dos geometrías distintas de culata, válvula y asiento

de válvula y analizar su comportamiento en el banco de pruebas construido. - Asegurar la confiabilidad y robustez del dispositivo construido mediante una prueba

de repetibilidad.

7

III. Introducción

1. Caracterización Para poder realizar un adecuado análisis del comportamiento del sistema puerto-válvula, es necesario conocer y caracterizar el estado y propiedades de todos los actores que intervienen en el proceso, no solo para encontrar el punto de mejor operación de una geometría dada, lo que ayudaría a escoger aditamentos que mejoren el funcionamiento de un motor conocido (como por ejemplo cambiar la presión de entrada para aumentar el flujo en un motor que opere en Bogotá), sino para poder comparar ésta con otras geometrías y escoger la mejor (en el caso de diseño de nuevos puertos o motores).

1.1. Puerto, Válvula y Asiento de Válvula Debido a la naturaleza de las pruebas que se deseaban realizar, fue muy importante tener un sistema estandarizado para representar la geometría del puerto y la válvula que permitiera comparar adecuadamente las diferentes muestras y llegar a entender de qué manera influyen éstos en la eficiencia total del puerto. Sin embargo, la gran complejidad de las piezas utilizadas industrialmente hace difícil este trabajo, además, si se quiere caracterizar un puerto ya fabricado, es muy difícil realizar las medidas internas del puerto. Teniendo en cuenta estos aspectos, los autores Jin-Wook Son, Sihun Lee, Bonghoon Han, y Wootae Kim presentan una propuesta6 de datos necesarios para la caracterización de la geometría del puerto, la válvula y el asiento de válvula, que cumple cabalmente con los requerimientos de identificación y diferenciación de las propiedades geométricas más importantes y necesarias para los propósitos de investigación del comportamiento de estos sistemas. que son las que se utilizan en adelante en el desarrollo de este trabajo. Estos datos son:

6 Referencia 3.

8

Figura 3. Características geométricas del sistema puerto-válvula-asiento de válvula7

Diámetro de válvula Dv: Diámetro final de la cabeza de la válvula. Diámetro del asiento Da: Diámetro de la circunferencia dada por el punto de contacto de la válvula y el asiento. Diámetro de la garganta Dg: Diámetro menor del asiento en el punto de aproximación a la abertura. Altura del puerto: Distancia entre el asiento de la válvula y la intersección entre la línea eje de la válvula y la pared interna del puerto. Área de borde: Área interna real del puerto en la entrada. Ángulo del puerto AP: Ángulo entre el eje horizontal del cilindro y la línea eje del puerto. Ángulo de la válvula AV: Ángulo entre el eje vertical del cilindro y la línea eje de la válvula. Ángulo de tumble AT: Ángulo entre la línea eje de la válvula y la línea eje del puerto. Como se había mencionado anteriormente8 se sabe por investigaciones anteriores que este valor es inversamente proporcional a la energía cinética del aire al interior del cilindro. Además de estos valores, es importante también analizar la geometría del puerto con respecto a la cabeza del cilindro. Por ejemplo, la forma del puerto al aproximarse al cilindro influye directamente en el desarrollo del flujo en el cilindro, así, puertos helicoidales le introducen un swirl previo al fluido, produciendo mejor energía cinética del aire en el cilindro a bajos levantamientos de la válvula, mientras que puertos directos producen este efecto a altos levantamientos de válvula pero con mejor eficiencia volumétrica9. Los nuevos diseños de puertos son mixtos. Otros datos importantes del puerto con respecto a la cabeza del cilindro son:

7 Referencia 3. 8 Referirse a la sección I. Justificación. 9 Página 186 de la referencia 1.

9

Figura 4. Características geométricas del puerto con respecto a la cabeza del cilindro10

Radio de compensación de la válvula Rv Angulo de orientación de la válvula α En estudios realizados por Hyundai Motor Company11 se encontraron correlaciones entre los coeficientes de flujo estático (más información en la sección 1.3 de este capítulo) y las dimensiones mencionadas anteriormente, con las cuales es posible, por métodos iterativos, estimar el rediseño del puerto con los resultados de una sola prueba con flujo estable, para lograr una mayor eficiencia; también es posible usar estas correlaciones para predecir los coeficientes de flujo estático a partir de las dimensiones medidas en un puerto físico.

1.2. Flujo

Las propiedades del flujo de aire son las que determinan las condiciones de operación del sistema y por lo tanto el contexto de las pruebas que podrían realizarse en un banco de pruebas. El flujo de aire, para los requerimientos de un banco de pruebas, está determinado por el número adimensional de Reynolds que relaciona las fuerzas cinéticas y viscosas de un fluido, caracterizando así el movimiento de este fluido para ciertas condiciones. Dadas las restricciones que impone la geometría del sistema al flujo, tenemos movimientos muy distintos en las diferentes etapas del proceso de admisión o escape de gases en los motores de combustión interna. Es por esto que debemos calcular el número de Reynolds en las 3 etapas principales (para una completa referencia del procedimiento matemático, favor referirse a las memorias de cálculo en los anexos)12:

- Reynolds en el Puerto: Representa el flujo antes de atravesar la válvula, por lo que la longitud característica que se toma es el diámetro de la garganta Dg.

10 Referencia 1. 11 Referencia 3. 12 Referencia 2.

10

µπ gvep Dn

mR

&4=

- Reynolds en la Válvula: Representa el flujo que atraviesa la válvula y que

está restringido de acuerdo a la posición de ésta, que se pegada a las paredes del asiento de la válvula. La longitud característica tomada para esta etapa es el levantamiento de la válvula Lv que será variable durante la operación.

µπ vvev Dn

mR

&=

- Reynolds en el Cilindro: Representa el flujo al interior del cilindro o cámara de combustión. Para el caso del banco de pruebas, al tomarse un cilindro abierto, más largo que ancho, la longitud característica tomada es su diámetro B.

µπBm

Rec&4

=

Para el correcto funcionamiento del sistema es necesario asegurar que tendremos comportamiento turbulento en todas las etapas del sistema, lo que quiere decir que para cada Reynolds especificado debemos superar el valor de 420013. Como se puede prever, el Reynolds en la válvula será menor al Reynolds en el puerto y en el cilindro, ya que el Dg y Dv serán de magnitudes muy parecidas y B nunca será mayor a 4nv (número de válvulas) veces Dv, bastará con asegurar que el Rev>4200.

Figura 5. Estándar de Ricardo para asegurar flujo completamente turbulento14

13 Página 348 de la referencia 19 14 Referencia 2.

11

La compañía Ricardo15, una de las dos grandes empresas a la vanguardia de este tipo de pruebas a nivel industrial, recomienda una caída de presión mínima16 a través de la válvula de 254 mmH2O para 2 válvulas y 508 mmH2O para 4 válvulas para asegurar flujo completamente turbulento, tomando en cuenta los valores promedio de geometrías para motores comunes.

1.3. Eficiencia del Puerto

a. Coeficientes de flujo estático

El comportamiento del sistema, por tratarse de una obstrucción al paso del aire que genera un diferencial de presión, se puede identificar por medio de un coeficiente de descarga o coeficiente de flujo estático17. Sin embargo, dado que estos coeficientes toman el área menor de la geometría de la obstrucción y ésta, para bajos levantamientos, está determinada por el área de la cortina que forma la cabeza de la válvula y la distancia a la que se haya levantado la válvula, mientras que para altos levantamientos, está determinada por el tamaño de la abertura de la garganta, es necesario tomar dos coeficientes diferentes, los cuales que serán significativos para diferentes rangos de levantamiento de la válvula. Esos coeficientes son:

Coeficiente de descarga Cd: Restricción al flujo producida por la válvula y su asiento. El área utilizada es la cortina interna de la válvula. Es significativo para bajos levantamientos de la válvula.

0VLDm

Cvv

d ρπ&

=

Coeficiente de flujo Cf: Restricción al flujo producido por la geometría del puerto. El área utilizada es el asiento interno de la válvula. Es significativo para altos levantamientos de la válvula.

02 4VD

mC

vf ρπ

&=

Para analizar la eficiencia total del puerto, distintas empresas toman como referencia distintos promedios de los coeficientes de flujo estático. Aquí presentamos el que parece ser el más significativo y sencillo, cuyas variaciones dependen de la metodología usada en las pruebas y los valores que toman como importantes. En general, toman el valor del área bajo la curva de los coeficientes de flujo entre los valores del levantamiento de válvula que se alcanza en el

15 Compañía líder en el mundo en las áreas de suministro de tecnología, innovación en productos, soluciones de ingeniería y consultoría estratégica, en el área automotriz, fundada por Sir Harry Ricardo en Londres. Referencia 8. 16 Referencia 2. 17 Referencias 1, 2, 3, 4, 5 y 6.

12

momento de apertura de la válvula de entrada, para el caso de válvulas de admisión, (IVO inlet valvle open) y el momento de cierre de la válvula (IVC inlet valvle close) tomados como ángulos del cigüeñal. Coeficiente de flujo promedio – Ricardo Company18.

IVOIVC

dCC

IVC

IVOf

f −=

∫ α

b. Factor de Asfixia Este factor, equivalente al número de Mach, representa la restricción total del puerto a diferentes velocidades del cigüeñal y nos permite predecir casos de asfixia en el puerto. Gulp Factor Z19

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

s

v CnaS

DB

Zω2

2

c. Swirl y Tumble

Como se mencionó anteriormente, la geometría del puerto y la apertura de la válvula producen turbulencia y movimiento rotacional del aire al interior del cilindro, aspecto que influencia en gran medida la eficiencia del combustible y ayuda a disminuir la demanda de aire y la contaminación para una misma producción de potencia. Por esto es importante poder medir lo más precisamente posible el efecto que en este sentido puede producir una determinada geometría del puerto y la válvula. Swirl Ratio Ns

20: Según Ricardo, la razón de swirl, compara la velocidad tangencial del aire en el cilindro con la velocidad ideal de flujo.

0VB

N ss

ω=

El Tumble se aproxima a una medición de swirl en diferentes ejes coordenados.

18 Referencia 2 19 Referencia 2 20 Referencias 2 y 12

13

Energía cinética E: La energía cinética debida a las mediciones de swirl en diferentes ejes, es la manera más utilizada para caracterizar la turbulencia total del aire en el cilindro21.

( ) ( )SRCRSRTRCRTRSRCRTRE ++−++= α222

Siento TR es la razón de tumble, CR la razón de tumble cruzado y SR la razón de swirl o Ns.

2. Metodologías Debido a la no estandarización de este tipo de pruebas, existen diferentes metodologías utilizadas por las industrias, desde el tipo de bancos y fuentes de aire utilizados, hasta las diferentes formas de medición y de procedimientos para la experimentación.

2.1. Bancos de Pruebas

A grandes rasgos, los bancos de pruebas están compuestos por:

− Una fuente de aire (bomba o compresor) − Uno o dos reservorios para amortiguación de las emisiones de la fuente y

estabilización del flujo. − Un sensor de flujo de aire. − Sensores de presión y/o temperatura. − Un sistema de control de apertura y cierre de la válvula. − Una tubería de conducción del aire. − Un sensor de Swirl y/o tumble en el cilindro. Sin embargo, las configuraciones pueden ser muy diferentes, y las características de estos componentes también, de acuerdo a la calidad y tipo de resultados que se deseen. Las configuraciones más comunes son las siguientes:

21 Referencia 2

14

Figura 6. Arreglo de Banco de Pruebas con soplador y sensor de flujo análogo

- El arreglo de la Figura 6 es el utilizado por la compañía Ricardo y se compone de un soplante que envía el flujo a través del puerto hacia el cilindro, amortiguando las oscilaciones del soplador por medio de un plenum, que se recomienda sea de 100 a 250 veces el volumen desplazado por el soplante22, a través de un sensor de flujo análogo. En el cilindro se mide el swirl por medio de un sensor que transmite el movimiento a un torquímetro de alta precisión. El levantamiento de la válvula es controlado estática o dinámicamente en ciclos del cigüeñal.

Figura 7. Arreglo de Banco de Pruebas con bomba y sensor de flujo análogo

22 Referencia 6

15

- En la Figura 7 vemos el arreglo utilizado por la compañía AVL23 que en vez de soplar el aire a través del puerto, succiona el aire del cilindro por medio de una bomba; se utiliza el mismo sistema regulador/estabilizador formado por un plenum y una válvula de control, un sensor de flujo análogo y un sensor de swirl con torquímetro. Este método requiere 50% más de potencia del motor de la bomba que el necesario para el soplante del arreglo anterior, para producir la misma caída de presión a través de la válvula.

Figura 8. Arreglo de Banco de Pruebas con bomba y sensor de flujo óptico

- El arreglo de la Figura 8 se utiliza principalmente en investigación académica. Es una variación del arreglo utilizado por AVL pero en vez de utilizar sensores de flujo y swirl análogos, se utiliza un dispositivo óptico de caracterización de flujo (comúnmente PIV Particle Image Velocimeter o LDV Láser Doppler Velocimeter) que introduce partículas en el flujo antes del puerto y por medio de analizadores ópticos se registra el movimiento y cantidad de estas partículas al interior del cilindro y algunas veces, a través del puerto. Este tipo de de dispositivo de medición no puede utilizarse con el arreglo utilizado por la compañía Ricardo.

2.2. Swirl y Tumble La medición del swirl es muy difícil de realizar con precisión ya que la mayoría de métodos involucran una gran cantidad de pérdidas principalmente por fricción de las piezas. Los valores obtenidos son utilizados principalmente para comparación pues predecir exactamente comportamientos a partir de ellos sería muy poco exacto.

23 Compañía austriaca cuyo objetivo es el desarrollo, la producción y venta de dispositivos de todo tipo, principalmente de equipos de prueba, medición e inspección de procesos rel acionados con la construcción de motores. Referencia 9

16

Los métodos más comúnmente utilizados para medir el swirl al interior del cilindro son:

Figura 9. Métodos análogos de medición de Swirl24

- Rueda de paletas: Hasta 60% de error debido a pérdidas en el flujo y fricción. - Torquímetro de swirl : Altamente usado y sencillo.

- 3-D Momentum: Muy complicado de calibrar, pero más preciso que los otros

sistemas análogos.

- Óptico (LDV, PIV): Muy costoso, permite caracterización completa del flujo.

El tumble es más complicado de medir, sin embargo se acostumbra convertir el tumble en swirl en los ejes coordenados restantes para poder analizarlo fácilmente. La sencillez en el diseño de estos adaptadores supera suficientemente la inexactitud de los resultados, y su correlación con la eficiencia del motor está comprobada 25, por lo que es ampliamente usado. El otro método usado es el óptico.

24 Referencias 1 y 12 25 Referencias 1, 2 y 12

17

Figura 10. Métodos de adaptador para medición de Tumble26 Se sabe, por estudios anteriores, que el Cf es inversamente proporcional al Tumble, sin embargo, en la industria se prefiere mejorar el Cf y mantener el Tumble en rangos razonables, entre otras razones, por que con bajos valores de Tumble se puede lograr buena ignición gracias a la optimización del squish (ver sección 1 de los Anexos) o a válvulas de levantamiento variable27.

2.3. Experimentos La metodología de experimentación también es muy diferente de acuerdo al tipo de datos que se deseen estudiar y a las decisiones que a partir de ellos se vayan a tomar. En general, podemos dividir estas metodologías en dos grupos.

a. Flujo en estado estable Es la más usada ya que la teoría matemática se puede utilizar sin inconvenientes y entrega resultados de caracterización suficientemente adecuados con una correlación suficientemente comprobada con lo que sucede en la realidad. Además, el flujo en estado estable es utilizado para comparar la exactitud de metodologías de simulación computacionales como CFD. Consiste en dejar constante una entrada al sistema, ya sea flujo o caída de presión, y variar con pequeños pasos el levantamiento de la válvula midiendo, para cada, paso las variables de salida necesarias luego de dejar estabilizar el flujo.

26 Referencias 1 y 2 27 Página 186 de la referencia 1.

18

Entre las dos opciones de estudios con flujo en estado estable, la condición de caída de presión constante es más usada que la condición de flujo constante porque28:

- Se requiere menor energía del motor de la fuente de aire. - Es más cercano al caso real, como se puede apreciar en la Figura 12. - Se ha encontrado mayor correlación de los coeficientes de flujo estático

con el cambio en la caída de presión, que con el cambio en el flujo. - El aumento del número de Reynolds al aumentar el levantamiento en el

caso de la caída de presión constante, reduce la incertidumbre de los coeficientes de flujo estático.

Entre las correlaciones encontradas entre los coeficientes de flujo estático y la caída de presión se pueden mencionar estudios hechos por Jaguar29, que demuestran que el Cf puede cambiar no linealmente con la caída de presión. De estos estudios se desprende la hipótesis de que el Cd aumenta con el aumento de la caída de presión hasta un pico y luego disminuye, aunque este comportamiento está todavía por estudiar. Sin embargo, se ha encontrado también que para Reynolds mayores a 60.000 y bajos levantamientos y para Reynolds mayores a 90.000 y altos levantamientos, los coeficientes de flujo estático son independientes de la caída de presión en la válvula30.

b. Flujo pulsante

Figura 11. Resultados obtenidos de experimentación con flujo pulsante31 En esta modalidad, para una entrada de aire dada, se fija un motor a velocidad constante conocida a una leva que controle la apertura y el cierre periódicos de

28 Referencias 2, 4 y 6. 29 Referencia 2 30 Referencias 2 y 6. 31 Referencia 4

19

la válvula, emulando lo que sucede en un motor real. Esta modalidad es más real ya que se produce el fenómeno de flujo pulsante que es lo que ocurre en la práctica. No obstante lo anterior, como no se ha estudiado suficientemente este fenómeno no es posible compararlo contra la teoría, y por ello, lo que se puede deducir de tales pruebas es completamente empírico. Para poder calcular los coeficientes de flujo estático es necesario hallar el flujo instantáneo y relacionarlo con el estado de la válvula, lo que hace necesario el uso de métodos electrónicos de adquisición de datos. Nuevos sistemas computacionales de simulación se están comenzando a implementar para tratar de reproducir el caso de flujo pulsante, por lo que comparaciones con este tipo de experimentos serán necesarias, para comprobar la exactitud de los resultados obtenidos. Esto ha hecho que su importancia y utilización estén en aumento.

Figura 12. Comparación entre las diferentes metodologías de experimentación32

32 Referencia 2

20

Figura 13. Errores en el Coeficiente de flujo y el Radio de Swirl debidos al aumento de la caída de presión en la válvula33

33 Referencia 2

21

IV. Desarrollo del Banco de Pruebas

1. Diseño Luego de analizar las diferentes técnicas usadas en la industria para realizar el tipo de pruebas que queremos y compararlas con los requerimientos que definimos a continuación, se escogieron y realizaron los diseños a utilizar para este trabajo.

1.1. Requerimientos

- Banco de pruebas confiable pero de bajo costo. - Flexibilidad para realizar diferentes tipos de pruebas a diferentes tipos de

geometrías. - Aprovechamiento máximo de los recursos disponibles en la Universidad de

Los Andes. - Datos que permitan principalmente la comparación en la eficiencia de los

puertos y la validación de modelos teóricos matemáticos.

1.2. Banco de Pruebas

Se decidió utilizar un modelo como el utilizado por la compañía Ricardo dada su simplicidad y ahorro de potencia en el motor. Además, con este modelo podríamos utilizar un compresor común como fuente de aire y plenum, o incluso la línea de presión de la Universidad. Sin embargo, se tuvo en cuenta la posibilidad de adaptar este mismo banco para realizar pruebas del tipo AVL o pruebas con métodos de caracterización óptica de flujo. Las instrucciones para realizar este tipo de adaptaciones serán analizadas en la sección 1 de las Recomendaciones. Las longitudes utilizadas son necesarias para asegurar un flujo completamente desarrollado a la entrada del sensor de flujo, y los codos fueron pensados para facilitar el manejo y estabilidad del banco de pruebas en el laboratorio. Las dimensiones detalladas pueden encontrarse en la sección 2.1 de los Anexos.

22

Figura 14. Diseño preliminar del Banco de Pruebas

1.3. Sensor de Flujo

Existe una gran variedad de sensores de flujo que podrían ser utilizados para realizar las mediciones necesarias como son:

- De diferencial de presión (orificio, pitot, venturi, área variable, codo, etc) - Mecánicos (desplazamiento positivo, turbina, rotámetros, etc) - Electrónicos (Magnéticos, de vórtice, ultrasónicos, etc) - De Masa (Coriolis, térmicos, hot-wire, etc)

Sin embargo, dados los requerimientos antes mencionados, es necesario encontrar el más adecuado para nosotros, por lo tanto, basándonos en datos de estudios realizados, se encontraron los rangos de trabajo para el sensor de flujo:

- Rango de medida ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ≈≤ gpms

galQ 41030

- Rango de trabajo ( ) ( ) ( )CTkPaPkPa º30,205.2,10Re10 54 ≈≤∆≤≤≤ - Diámetro del tubo (2in)

23

- Pérdida de presión total aguas abajo del sensor (irrelevante) - Fluido de trabajo (aire limpio) - Alta precisión - Bajo costo - Facilidad de construcción

Figura 15. Diseño preliminar del sensor de flujo

Con estos datos y utilizando tablas de selección de flujómetros34, se decidió utilizar un flujómetro de placa con orificio cuadrado de 1.2in con mediciones de presión a D y D/2 (D = Diámetro de la tubería) de la placa en la dirección del flujo. Pensando en la flexibilidad necesaria para el banco de pruebas, la placa se ubicó en un sistema de brida que permita cambiar la geometría de la misma, según sea requerido para futuros experimentos. Las características del flujómetro escogido son35:

- Rango de medida ( )gpmQgpm 44 1010 ≤≤− - Rango de trabajo ( ) ( ) ( )CTMPaP º540,41,10Re 4 ≤≤∆≥ - Diámetro del tubo (>1.5in) - Pérdida de presión total aguas abajo del sensor (Alta) - Fluido de trabajo (aire o vapor limpio, líquidos poco viscosos limpios, no apto

para flujo pulsante, fluidos no newtonianos o flujo reverso) - Precisión típica sin calibrar 1%-4% - Bajo costo - Fácil de construir

34 Referencias 10 y 11 35 Referencia 10

24

1.4. Manómetros

Luego de analizar las ecuaciones de operación del sensor de flujo y los valores esperados de flujo para el tipo de pruebas a realizar, se definió que era necesario medir caídas de presión entre rangos de 1mmH2O a 200mmH2O para el sensor de flujo y de 5mmH2O a 500mmH2O para la válvula (Valores obtenidos con pruebas iterativas experimentales en el software “ValvoMatic”). Por ello, se decidió usar un sensor de diferencial de presión por medio de un tubo en U con columna de agua y escala milimétrica para el sensor de flujo, y un manómetro por medio de un tupo en U con columna de agua y escala milimétrica para la caída de presión entre la entrada de la válvula y el cilindro (abierto a presión atmosférica).

Figura 16. Diseño preliminar de los Manómetros

1.5. Sensor de Swirl

Para el sensor de swirl se decidió usar un torquímetro de swirl debido a sus características favorables antes descritas. Este está compuesto por un dispositivo enderezador de flujo que gira debido a la fuerza realizada por el aire obligado a fluir a través de los orificios rectos. El torque producido o la velocidad angular de giro del enderezador, es medido a través de un eje con una baja densidad para afectar lo menos posible la medición. El tumble no va a ser medido dada su dificultad, además de que para un uso meramente comparativo, el sensor de swirl es suficiente muestra del comportamiento del flujo luego del puerto.

25

Figura 17. Diseño preliminar del sensor de Swirl

1.6. Sujetador de Válvula

Se decidió realizar únicamente pruebas de flujo en estado estable para comprobar la precisión y confiabilidad del banco de pruebas, además de que, por las razones antes mencionadas, es uno de los métodos más utilizados y que arroja resultados suficientemente precisos y fácilmente comparables con teorías matemáticas, para cumplir con el propósito de investigación académica previamente definido en los requerimientos. Para esto se diseñó un sujetador de válvula estático, controlado por un tornillo de paso pequeño preferiblemente en el sistema métrico, que se pueda asegurar en una altura deseada para realizar las mediciones sin riesgo de que se mueva la válvula. Este sujetador irá fijo al cilindro y se podrá variar su ángulo con respecto a este para igualar el AV del puerto.

Figura 18. Diseño preliminar del sujetador de la válvula

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1.7. Software de análisis de datos

Se observó la necesidad de contar con un método rápido, funcional y fácil de usar que permitiera realizar los cálculos necesarios para obtener los coeficientes de flujo estático, el número de swirl, la cantidad de flujo y los números de Reynolds, por lo que se decidió diseñar un programa computarizado para el registro de los valores obtenidos de presiones y velocidad angular del viento en el cilindro para cada levantamiento de válvula y obtener los valores necesarios para el estudio. Se diseñó un programa que registra, en archivos independientes, las características de configuración del banco de pruebas (en caso de que se cambien estos parámetros en futuras pruebas), y para cada configuración se pueden añadir varios experimentos. Cada experimento estará identificado con un nombre, fecha, hora y lugar específico, y se registrarán valores de temperatura, densidad, viscosidad y presión atmosférica del aire, tipo de experimento, características del motor ideal, valores característicos de la geometría del puerto y la válvula. Igualmente, para cada experimento se ingresarán los valores de levantamiento de la válvula, caída de presión en el sensor de flujo, presión a la entrada del sensor de flujo, caída de presión en el puerto y velocidad angular del sensor de swirl, y se calcularán los valores del número de Reynolds, flujo, coeficientes de flujo estático y número de swirl. Adicionalmente, el programa tiene la flexibilidad de poder ingresar los valores de estos datos en diferentes sistemas de unidades y la capacidad de calcular la incertidumbre total de cada salida del sistema por medio de métodos de propagación de error de las incertidumbres de los valores de entrada al sistema. Se especificó además, que el programa permitiera analizar fácilmente los resultados obtenidos, por lo que se buscó que permitiera exportar los datos de una forma ordenada a la hoja de cálculo Microsoft Excel para su análisis. El detalle de todos los cálculos base que el software utiliza para obtener los resultados, se puede consultar en la sección 3 de los Anexos.

2. Construcción

2.1. Banco de Pruebas

Buscando bajos costos y asequibilidad de los componentes, se construyó el banco de pruebas utilizando tubos de PVC de Presión (200psi según Norma NTC-382) de 2’’ para la tubería base y 3’’ para el cilindro, con codos estándares para este tipo de tubería y una unión Dreyer de 2’’ para permitir conectar al banco fácilmente a nuevas geometrías de puerto. Para la entrada de aire se hizo un agujero de 3/8’’ cubierto por un collarín de 2-1/2’’ para evitar fugas y facilitar la conexión al sistema de entrada, y

27

agujeros de 5/32’’ (≤0.08D36 para no afectar el flujo) también cubiertos por collarines de 2-1/2’’ para los sensores de presión. Todas las uniones fijas se soldaron usando soldadura PAVCO NTC-576 luego de haber rectificado todos los cortes a escuadra. Se utilizaron reducciones 1/2-3/8’’, reducciones 3/8-1/4’’, y niples 3/8’’ en los collarines para poder realizar la conexión con los sistemas estándares de aire a presión de 1/4’’ como los encontrados en compresores comunes. Todas las uniones roscadas se reforzaron con cinta teflón. Un plano detallado puede encontrarse en la sección 2.1 de los Anexos.

Figura 19. Banco de pruebas final

2.2. Sensor de Flujo

Para la medición de flujo se utilizó una placa maquinada en acero inoxidable AISI 304 (0.08 C, 2 Mn, 8 - 10.5 Ni, 18 – 20 Cr)37 con sensores de flujo a D y D/2 bajo la norma ASME MFC-14M-200138, se utilizó una unión universal a modo de brida, a la que se le realizaron varios cortes para poder ajustar los collarines sobre los agujeros de los sensores de presión a las distancias requeridas (2’’ corriente abajo del sensor y 1’’ corriente arriba). La placa se sujetó a la unión universal por medio de cinta adhesiva doble faz acrílica, que sirvió además como empaque para el sello necesario alrededor de la placa. El detalle de las dimensiones finales de la placa puede hallarse en la sección 2.2 de los Anexos.

Figura 20. Sensor de flujo final

36 Figura 8.4, página 8-4, referencia 11 de la sección VII. 37 http://www.steelmedia.com/stainless-steel-balls.htm#Material%20Composition, Recuperado de la Web el 30 de Mayo de 2007. 38 Referencia 17

28

2.3. Manómetros

Para cada manómetro se utilizó un tubo de HDPE 1/4’’ transparente de 1.8m fijado, por medio de sujetadores plásticos y puntillas de acero, a láminas de flexitriplex calibre 8mm de 60x30cm. Se utilizaron tiras de papel milimetrado fijadas por medio de grapas comunes para papel a modo de escala. Se instalaron niveles de burbuja en cada manómetro para tener como referencia en la instalación. Para la sujeción al banco de pruebas se instalaron acoples de 1/4’’.

Figura 21. Manómetro final

2.4. Sensor de Swirl

Para el enderezador de flujo se unieron pitillos plásticos de 1’’ con pegamento universal UHU hasta lograr una figura hexagonal con un diámetro de 3’’. Luego este enderezador se unió a un eje hecho de una varilla de cedro de 4.5mm de diámetro, con un disco de cartón paja a modo de indicador con divisiones equidistantes para facilitar la medición de la velocidad angular.

Figura 22. Sensor de Swirl final

29

2.5. Sujetador de Válvula

Para formar la estructura base se utilizaron codos de refuerzo de Zn, platinas de reparación Zn de 8’’ unidas con tornillos 3/16x1/2’’ con tuercas y arandelas; esta estructura se fijó a una unión de 3’’ con tornillos de 1/4x1’’ y tuercas mariposa para controlar el ajuste, y se aseguraron con una abrazadera de 4 1/2’’. Se perforaron los codos de refuerzo y se pasó un tramo de 8’’ de varilla roscada de 3/8’’ cuyo movimiento se controla por medio de tuercas mariposa; se soldó en un extremo un niple galvanizado de 3/8’’x1’’ al que se le perforaron y roscaron 3 agujeros de 3/16’’ para sujetar la válvula con tornillos de 3/16x1/2’’. Luego se le hizo una pequeña incisión en la parte superior de la varilla roscada realizada con una segueta para que, en caso de ser necesario, pueda girarse mediante el uso de un destornillador de cabeza plana.

Figura 23. Sujetador de válvula final

2.6. Software de análisis de datos

Se programó el software llamado “ValvoMatic” utilizando el programa de desarrollo Microsoft Visual Studio .NET bajo el lenguaje Visual Basic .NET. Se utilizaron métodos y procedimientos previamente desarrollados para la interfase básica. Se programaron 3 módulos diferentes: información del banco de pruebas, panel de experimentos, información del experimento con una ventana de notificación con información de la incertidumbre total de los valores calculados. Se ubicaron botones para exportar individual o conjuntamente la información de los experimentos a un archivo de Microsoft Excel y se realizó una depuración inicial con pruebas piloto. Se generaron luego los instaladores utilizando el código reutilizable de Microsoft Installer y se quemó el programa en un CD de instalación junto con la plataforma Microsoft .NET Framework v1.1. Detalles en el resultado y modo de empleo del software pueden encontrarse en la sección 7.1 de los Anexos, y el código completo se puede consultar en el CD de instalación del software.

30

3. Pruebas

3.1. Introducción

En el marco de este proyecto de grado, es necesario realizar pruebas para analizar la confiabilidad y robustez de los datos presentados por el nuevo Banco de Pruebas desarrollado, así como comprobar la veracidad de los datos comparándolos con los obtenidos en trabajos previos de otros autores. El banco de pruebas permite realizar pruebas de eficiencia de puertos de admisión y escape principalmente para motores de combustión interna. En este tipo de bancos se analizan las características de las restricciones que presentan el puerto y la válvula al libre flujo de aire con características determinadas, lo que afecta directamente la eficiencia volumétrica, la potencia, el consumo de combustible y las emisiones de los motores de combustión interna. Además, una característica importante de este diseño, es que tiene la flexibilidad para permitir realizar pruebas a distintas geometrías de bancos de pruebas sin importar el material ni la forma de fabricación. Ya que el primer objetivo de este experimento fue analizar la veracidad de los datos obtenidos en el banco de pruebas, se realizaron probetas en base a un diseño de puertos de motores de combustión interna comerciales, para así poder comparar estos datos con los presentados por otros autores en pruebas a puertos de alta eficiencia. Se pretendió realizar las probetas en materiales distintos con pequeñas diferencias en las geometrías, para así analizar, de forma general, la influencia que distintas propiedades geométricas del puerto tienen sobre la eficiencia del puerto, esto con el fin de orientar sobre nuevas áreas de investigación posibles con este banco de pruebas. Un objetivo secundario fue analizar, con la diferencia de los materiales de las probetas, si el acabado superficial interno de las piezas influye de manera significativa en el flujo del aire a través del puerto para así poder dar las recomendaciones necesarias sobre restricciones y requerimientos básicos en la construcción de las probetas para futuros experimentos y complementar las instrucciones de operación del banco de pruebas. Como segundo objetivo se analizó la robustez y confiabilidad de los datos obtenidos con el banco de pruebas, por lo que se realizaron dos experimentos, en condiciones diferentes, con la misma probeta para el mismo rango de levantamiento de la válvula. Se prestó especial atención a las características del fluido de trabajo y a las propiedades del flujo en cada prueba para asegurar que, en condiciones completamente diferentes, se llegara a los mismos resultados de eficiencia del puerto y, de esta forma, poder asegurar que los resultados en la caracterización de los puertos son independientes de las condiciones del fluido de trabajo y que es posible utilizar el banco de pruebas con confianza en cualquier locación y bajo variaciones climáticas normales.

3.2. Materiales y Métodos

La primera parte de la prueba se realizó con probetas obtenidas del diseño de culata de un Volkswagen Beettle modelo 55. Las dimens iones características de la geometría

31

de dicho puerto se tomaron experimentalmente sobre la pieza física (la culata izquierda del motor de 4 cilindros opuestos), con el uso de un micrómetro manual y un transportador; el primero con una precisión de 0.005mm y el segundo de 1º. Las dimensiones se tomaron en el taller de mecánica automotriz propiedad de Nicos Christophi en el noroccidente de la ciudad de Bogotá el día 9 de Marzo de 2007. El detalle de los planos del diseño obtenido con base en estas mediciones puede encontrarse en las secciones 2.5 y 2.6 de los Anexos. Las mediciones obtenidas fueron:

Figura 24. Geometría de la probeta base

Se pretendía fabricar las probetas en las instalaciones de la Universidad de Los Andes utilizando para una la Máquina de Prototipado Rápido para obtener una pieza completa en el polímero ABS buscando alta rugosidad interna, y para la otra la máquina CNC para obtener dos piezas en aluminio (corte por el centro de la vista frontal de la probeta) para ser unidas posteriormente. Esto nos hubiera dado unas probetas con mejor acabado y mayor control sobre las dimensiones finales. Sin embargo, no hubo disponibilidad de dichas máquinas para las fechas destinadas a la construcción de las probetas y por ello se buscaron métodos alternativos. Con base en las medidas expuestas más arriba se fabricó la válvula en acero AISI 1045 torneado con acero rápido en el taller Torno Metales Jamaica. En este mismo taller, se fabricó la primera probeta hecha de 4 piezas diferentes de acero AISI 1020, todas maquinadas en torno y unidas mediante un cordón de soldadura de arco con electrodo de acero recubierto. Para facilitar la fabricación se optó por reducir el ángulo de la válvula AV a 0º para poder tornear la pieza de manera perpendicular. La segunda probeta se fabricó en madera de Cedro en dos piezas, la cabeza del cilindro con el asiento de la válvula y el cuerpo del puerto, las cuales se tornearon exteriormente y luego se unieron usando adhesivo sintético COLBON Madera. Esta pieza resultante se cortó por la mitad de la vista frontal con sierra sinfín y se le tallaron las cavidades internas mediante el uso de guvias y al final no se pulió la superficie buscando un pobre acabado superficial. Posteriormente se unieron las dos mitades de nuevo con COLBON Madera, y se asentó la válvula por fricción mediante el uso de un modelo de la cabeza de la válvula en madera de cedro torneada fija a un taladro manual que se usó a modo de broca contra el asiento de la válvula. Se tuvo cuidado de darle diámetros exteriores a la entrada, iguales a los de una tubería de

32

PVC estándar de 2’’ (6,05cm) y a la salida, en la cabeza del cilindro, al de una tubería de PVC estándar de 3’’ (8,85cm) en las dos probetas finales. Los resultados fueron los siguientes.

Figura 25. Probeta de Metal

Figura 26. Probeta de Cedro

33

Debido a la característica de las fuentes de aire seleccionadas (se especificarán más abajo), no era posible realizar pruebas ni a caída de presión constante ni con flujo constante, por lo que se dejó lo más constante posible la presión de entrada y se tomaron los valores de caída de presión y flujo como variables, asumiendo para futuras referencias que se trató de una prueba con caída de presión constante. Esta primera prueba se realizó en las instalaciones del Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes en la ciudad de Bogotá, el día 29 de Mayo de 2007 en las horas de la tarde. Se utilizó como fuente de aire la línea de presión disponible en el laboratorio, que se conectó a la boquilla de 1/4’’ del banco de pruebas mediante un trozo de tubo plástico transparente teflonado. Como control de apretura se utilizó una válvula de bola de 1/4’’. Se instaló el banco sobre una mesa y se unieron las probetas a la unión Dreyer de 2’’ al banco de pruebas y por medio de la unión de PVC de presión de 3’’, al cilindro soportado en un apoyo; en el cilindro se ubicó el sensor de swirl libre sin guías. Se ingresaron todos los datos de las dos probetas y de la configuración del banco de pruebas en el software “ValvoMatic”; estos datos se pueden consultar en la sección 5.1 de los Anexos. Los valores de las incertidumbres fueron tomados de estándares de tablas para las propiedades del fluido de trabajo39 y de valores estimados para los errores por Bias para la geometría de la válvula, el puerto y el cilindro, y los datos de presiones, velocidad angular y levantamientos de la válvula40. Para estos últimos se utilizaron los porcentajes de error producidos por la precisión dada por la escala de medición para los valores de desviación estándar σ. A continuación se tomó la medida de el eje de la válvula en el sujetador de válvula del banco de pruebas que sobresalía del puerto para la válvula completamente cerrada, y con este valor como referencia para el control, se realizaron pasos de levantamiento de válvula (disminuir la distancia del eje que sobresale del puerto) de más o menos 1mm hasta llegar a Lv=10mm partiendo desde Lv=1mm. Para bajos levantamientos se abrió parcialmente la entrada de aire para no exceder el máximo rango de presión permitido por el manómetro utilizado (500mmH2O) a la entrada del puerto. Luego de cada levantamiento se esperaba un tiempo de 1 a 3 minutos de reposo para permitir la estabilización del flujo.

39 Referencias 15 y 18 40 Referencia 15

34

Figura 27. Primera prueba Para cada paso se fijó el levantamiento de la válvula con micrómetro manual, se abrió la válvula de paso de aire, se tomaron los valores de caída de presión en el sensor de flujo, presión manométrica a la entra del puerto (lo que representa caída de presión a través de la válvula ya que el cilindro se encuentra a presión atmosférica), velocidad angular del sensor de swirl y la presión P1 manométrica a la entrada del sensor de flujo. Estos datos se registraron en el software “ValvoMatic” y por medio de este se calcularon los resultados. Los valores registrados en las pruebas se detallan en la sección 5.2 de los Anexos. No se registró rotación en el sensor de swirl, por lo que no se tuvo en cuenta este dato ni los resultados que se desprenden de él; como es necesario registrar un valor en el software “ValvoMatic”, se introdujo 1 en todos los campos. Para la segunda prueba se utilizó la probeta de metal, y se realizó un segundo experimento el día 30 de Mayo de 2007 en las horas de la mañana en el noroccidente de la ciudad de Bogotá. La fuente de aire fue un compresor de 2.5hp con tanque de 13 galones con control de flujo realizado por una válvula de bola de 1/4’’ para presiones de entrada entre 60psi y 90psi, para asegurar que se trataba de unas condiciones de entrada completamente diferentes a las del experimento realizado el día anterior a la misma probeta, que es el que se utilizó como comparación. Se siguió la misma metodología expuesta anteriormente para la primera prueba y los datos de entrada se pueden consultar en la sección 5.2 de los Anexos.

3.3. Resultados

Para la primera prueba, en los números de Reynolds observamos el comportamiento esperado, con los Rep mayores y con mayor inclinación que los Rec y estos a su vez mayores y con mayor inclinación que los Rev y todos con las mismas magnitudes para

35

ambas probetas, ya que se trata de la misma fuente de aire. La caída en la gráfica que se observa por fuera de la tendencia en la tercera medición de los Reynolds para la probeta de Cedro se debe a un agotamiento en la presión de la línea del Laboratorio luego de la cual se esperó a que se recuperara la presión de trabajo. Sin embargo, los valores de los números de Reynolds fueron de1 orden de magnitud inferior a los esperados, esto debido al bajo rango de trabajo de la fuente, lo que hizo además que en el cilindro no se alcanzara flujo turbulento (se considera turbulento un flujo con número de Reynolds mayor a 4000), lo que sumado a la fricción del enderezador de flujo con las paredes del cilindro, explica el por qué no se presentó giro alguno en el sensor de swirl.

Números de Reynolds - Prueba 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 2 4 6 8 10 12

Levantamiento de Válvula (mm)

Reyn

olds

x10

^3

Rep CedroRep Meta lRev CedroRev Meta lRec CedroRec Metal

Figura 28. Números de Reynolds de la primera prueba

Figura 29. Números de Reynolds comunes para este tipo de pruebas41

41 Referencia 2

36

En los coeficientes de flujo estático observamos de nuevo el comportamiento esperado, con disminución del Cd y aumento del Cf a medida que aumenta el levantamiento de la válvula, con magnitudes dentro de los rangos esperados, aceptados y observados comercialmente en este tipo de experimentos. Sin embargo, las magnitudes son un poco menores a las observadas en pruebas a sistemas de alto rendimiento (figura 31). Por ello, podemos comprobar que el diseño escogido para las probetas y los cambios debidos a los modos de construcción de las mismas influyeron en obtener puertos con baja eficiencia; además, podemos, o bien suponer un estado limitado de los avances en el tema de los puertos de admisión en el año de construcción de la culata base (1955) o bien suponer que el rendimiento de los puertos cambia significativamente para bajas presiones de entrada, lo que puede producirse en operaciones de motores en bajas presiones atmosféricas como las que presenta la ciudad de Bogotá. Por otro lado, al comparar el comportamiento de las dos probetas, observamos que a bajos levantamientos de la válvula, en donde es significativa la información aportada por el Cd, los dos puertos se comportan de la misma forma y son igualmente eficientes. Esto debido a que la válvula, y por lo tanto el asiento de la válvula en las dos probetas, son los mismo por lo que la restricción presentada por el puerto a bajos levantamientos es la misma. Sin embargo, en altos levantamientos, donde se hace importante la influencia del puerto en sí y es significativa la información aportada por el Cf, observamos una mayor eficiencia y por lo tanto un comportamiento y diseño de la probeta de Cedro mucho mejor, lo que demuestra que la geometría es mucho más importante en el comportamiento del puerto que el acabado superficial interno, en el que es mucho mejor la probeta de Metal. Además observamos que el ángulo de la válvula AV es mucho más influyente en el resultado final que la calidad en la fabricación del puerto, ya que a pesar de que se intentó mantener el mismo perímetro diseñado en la pieza de cedro, la cavidad de la probeta de metal es completamente circular, mientras que la de cedro es ovalada e irregular. A pesar de que harían falta más estudios, de este resultado se puede desprender la hipótesis de que, en busca de mejorar la eficiencia de un motor de combustión interna, es mucho más efectivo alterar el ángulo de la válvula, limando la forma como se asienta la cabeza del cilindro, que rectificar la geometría interna de la culata como se hace usualmente para mejorar el rendimiento de automóviles.

37

Coeficientes de Flujo - Prueba 1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 2 4 6 8 10 12

Levantamiento de la Válvula (mm)

Cf CedroCf MetalCd CedroCd Meta l

Figura 30. Coeficientes de flujo estático de la primera prueba

Figura 31. Coeficientes de flujo estático para puertos de alto rendimiento42

En la segunda prueba observamos una gran diferencia en las magnitudes de los números de Reynolds (Figura 32), especialmente en el puerto, con lo que estamos asegurando que se trató de dos experimentos con condiciones de flujo completamente diferentes, siendo las condiciones inferiores a las esperadas en el experimento del

42 Referencia 2

38

segundo día, debido a las características inferiores de la fuente, el compresor de 2.5hp. A pesar de lo expresado en el párrafo anterior, al analizar los coeficientes de flujo estático observamos que fueron los mismos (Figura 33), excepto en el primer dato de la prueba del segundo día, en donde el flujo fue tan pequeño, que la caída de presión en el sensor de flujo para el levantamiento configurado fue inferior a 1mm, que era la precisión de la escala, por lo que registrar el valor exacto fue imposible. Un valor de 0.5mm arrojaba un comportamiento exactamente igual en las dos probetas pero no se consideró adecuado registrar un valor no completamente asegurado por la experimentación. Además, las pequeñas diferencias en el Cd en bajos levantamientos pueden insinuar la disminución del rendimiento de los puertos a bajos levantamientos en condiciones extremas como la obtenida en el segundo día, lo que podría asimilarse a la operación de un motor en grandes altitudes con muy baja presión atmosférica. Sin embargo, se consideran aceptablemente similares los comportamientos de la probeta en las dos condiciones trabajadas.

Números de Reynolds - Prueba 2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 2 4 6 8 10 12

Levantamiento de Válvula (mm)

Reyn

olds

x10

^3

Rep 1Rep 2Rev 1Rev 2

Figura 32. Números de Reynolds de la segunda prueba

39

Coef icientes - Prueba 2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 2 4 6 8 1 0 12Levantamiento de la Vá lvula (mm)

Cf 1Cf 2Cd 1Cd 2

Figura 33. Coeficientes de flujo estático de la segunda prueba

3.4. Conclusiones - Se aseguró la validez de los datos obtenidos mediante el uso del banco de pruebas al

ser comparados con los presentados por otros investigadores en estudios previos. - Se comprobó la confiabilidad y robustez del banco de pruebas al obtener los mismos

resultados en una prueba de repetibilidad para el mismo puerto, en condiciones totalmente diferentes del fluido de trabajo.

- Se observó la gran incidencia de ciertos componentes de la geometría, como el ángulo

de la válvula, por encima de otros, como la simetría y el acabado superficial interno de los puertos.

- Se reportó la posibilidad de que sea más efectivo cambiar el ángulo de la válvula,

posiblemente realizando cambios en la cabeza del cilindro, que rectificar el acabado interno de las culatas cuando se busca mejorar el rendimiento de motores de combustión interna.

- Se entendió la necesidad de realizar estudios de diferencias de rendimiento de puertos

para condiciones de operación de motores a baja presión atmosférica en busca de mejorar el rendimiento, la potencia, el ahorro de combustible y disminuir emisiones en condiciones como las de la ciudad de Bogotá.

- Se comprobó la flexibilidad del banco de pruebas al permitir realizar pruebas con

probetas de materiales completamente diferentes.

40

V. Resultados - Se investigaron profundamente los sistemas de admisión y escape de aire en motores

de combustión interna y la influencia de la geometría de la culata o puerto y el asiento de válvula en la eficiencia de todo el sistema.

- Se investigó, diseñó, construyó y calibró un sistema de medición de flujo por medio

de una platina delgada con orificio cuadrado, para medir flujo de aire en las cantidades necesarias para el experimento.

- Se diseñó un sistema de medición de diferencial de presión por medio de un tubo en

U con columna de agua, fabricado con materiales comunes y asequibles. - Se diseñó y construyó un sistema de sujeción y control de altura mecánico de la

válvula para realizar pruebas con el puerto. - Se diseñó un sistema de medición del swirl producido por la geometría del puerto y la

válvula al interior del cilindro. - Se investigaron y estudiaron las normas y procedimientos para caracterizar el flujo de

aire a través de válvulas de admisión y escape y se escogieron las más adecuadas para el caso.

- Se derivaron las ecuaciones necesarias para representar y evaluar la operación del

puerto y la válvula con base en la investigación previa. - Se diseñó un banco de pruebas para caracterizar flujo a través de válvulas de

admisión y escape de geometría variable y se construyó con materiales comunes y asequibles.

- Se diseñaron, construyeron y probaron tres juegos puerto-válvula con los que se

comprobó satisfactoriamente el funcionamiento y la robustez del banco de pruebas y la repetibilidad de los experimentos.

- Se diseñó y programó un software flexible que automatiza los cálculos necesarios

para obtener los datos de caracterización del flujo ingresando únicamente los datos medidos durante el experimento y que facilita su posterior análisis.

- Se definieron pautas y procedimientos para la buena utilización del banco de pruebas

diseñado y sus accesorios para que cualquier investigador pueda usarlo y realizar pruebas parecidas con cualquier geometría de puerto-válvula.

41

VI. Recomendaciones

1. Recomendaciones de uso - Es recomendable una fuente de aire a presión estable con un acople graduable que

disminuya las pérdidas de cabeza y caudal en las pruebas y asegure comportamiento turbulento del fluido. Lo ideal sería el uso de un soplante de aire con un reservorio adecuado a su funcionamiento. En caso de poseer una fuente de bajo caudal o de que este sea el propósito de la prueba, se debe reducir la incertidumbre en la toma de los datos de caída de presión en la placa-orificio para bajos levantamientos de la válvula; esto puede hacerse con una escala más pequeña (micrométrica) o la utilización de un fluido menos denso que el agua.

- Podría ser necesario, si se utiliza una fuente de aire más potente, la instalación de una

válvula de alivio instalada en la tubería justo antes del collarín del sensor de presión a la entrada del puerto. La instalación recomendada es con una perforación de 5/32’’ en el tubo cubierta por un collarín de 2-1/2’’ y una válvula de alivio a 20psi o más de acuerdo a las necesidades del experimento, preferiblemente sin exceder los 100psi debido a las uniones utilizadas y las características de la tubería.

- Se debe tener especial cuidado en las pruebas a bajos levantamientos de válvulas ya

que la presión en el puerto puede elevarse demasiado y producirse ahogamiento del sistema.

- Solo es posible realizar mediciones de swirl cuando se tiene flujo completamente

turbulento en el cilindro (Rec>>4000). - La medición de swirl es exclusivamente para comparaciones entre experimentos

realizados en este banco de pruebas, ya que debido a la forma de medición y la gran cantidad de pérdidas por fricción, el valor obtenido no es comparable con los obtenidos en estudios más normalizados.

- Para realizar experimentos con válvulas de escape, es necesario colocar la entrada de

aire en el cilindro. Se entrega un codo de 3’’ y una reducción de 3-2’’ en PVC presión para facilitar la conexión. Es necesario probar el comportamiento del sensor de flujo para flujo reverso, y en caso de ser necesario, invertir el sentido del sensor. También sería necesario realizar la medición de diferencial de presión entre el cilindro y el punto donde actualmente se realiza la medición manométrica de presión en el puerto.

- Para realizar caracterización del flujo por medios ópticos (LDV, PIV, etc.) es

necesario instalar una bomba de succión al final del cilindro; el codo de 3’’ y la reducción de 3-2’’de PVC presión que se entregan con el banco de pruebas, pueden facilitar la conexión. También sería necesario la introducción de las partículas de

42

caracterización en el punto donde actualmente se encuentra la unión Dreyer, esta facilita también la introducción de la nueva pieza. El último cambio sería el cambio del cilindro de PVC de 3’’ por uno en un material transparente.

- Para realizar pruebas con flujo pulsante es necesario introducir un sistema de

medición de flujo instantáneo en el punto donde se encuentra la unión universal del sensor de flujo; además se debe cambiar el sistema de sujeción de la válvula por uno controlado por un sistema de leva, operado por un motor de velocidad angular conocida. Es necesario recordar que la velocidad angular de este motor es la mitad de la que tendría el cigüeñal del motor que produciría el mismo efecto en la válvula.

- Para comparar comportamientos de culatas de dimensiones muy diferentes, se deben

graficar los coeficientes y el número de Reynolds contra la razón Lv/Dv para contextualizar adecuadamente las observaciones y poder graficar los resultados en un mismo plano para facilitar las comparaciones.

- Las incertidumbres en el sistema de medición de flujo deben tratar de reducirse al

máximo, ya que son estas, principalmente β, las que más aportan en la incertidumbre total de los resultados.

- Pruebas de calibración del flujómetro son necesarias para mejorar los resultados en

comparaciones con un aparato previamente calibrado. Este proceso no se realizó por la falta de un flujómetro adecuado en las instalaciones de la Universidad.

2. Recomendaciones de posteriores estudios

2.1. Desprendidas de estudios de otros autores

- Analizar el comportamiento de los coeficientes de flujo estático con relación al aumento de la caída de presión en la válvula43.

- Comprobar la precisión de la predicción de Cf que se obtiene al utilizar las

correlaciones halladas por Hyundai Motor Company44 y la efectividad de las mismas en escoger las rectificaciones necesarias para mejorar la eficiencia de un puerto a partir de los resultados de una prueba.

- Analizar la relación entre los coeficientes de flujo estático y la cantidad de

energía cinética del aire producida en el interior del cilindro.

43 Referencias 2 y 14. 44 Referencia 3.

43

2.2. Desprendidas del desarrollo de este trabajo

- Analizar independientemente la influencia de cada una de las propiedades geométricas del puerto y la válvula mencionadas en la sección 1.1 de la Introducción, en la eficiencia total del puerto como por ejemplo, comparar la influencia del ángulo de la válvula AV con la influencia de cambiar la curvatura interna de las esquinas que es lo que se hace cuando se realiza el procedimiento comúnmente llamado “limar la culata” en busca de mejorar el rendimiento de los motores de combustión interna.

- Realizar estudios más profundos sobre la influencia de la rugosidad interna del

puerto en el flujo a través del sistema puerto-válvula.

- Analizar cómo afecta la condición de baja presión atmosférica la alimentación de motores de combustión interna, para hallar posibles tratamientos a realizar en las culatas de motores que operan en zonas de gran altitud como la ciudad de Bogotá de forma que pueda mejorar su rendimiento, potencia, y reducir el consumo de gasolina y las emisiones dañinas al medio ambiente.

44

VII. Conclusiones - Se estudió y practicó la manera como funciona un banco de pruebas para caracterizar

el flujo de aire a través de sistemas puerto-válvula de admisión de motores de combustión interna.

- Se analizó la influencia de las distintas propiedades geométricas de los puertos de admisión y la diferencia en la importancia que cada una tiene en el comportamiento del puerto.

- Se comprobó la posibilidad de realizar pruebas y mediciones de presión y cantidad de flujo con alta precisión, comparables a estudios académicos e industriales sofisticados usando materiales baratos y de fácil consecución y fabricación.

- Se aplicaron conceptos, teorías y técnicas aprendidas a lo largo de los estudios realizados en la carrera universitaria de Ingeniería Mecánica en áreas como la mecánica de fluidos, la física, el cálculo, la selección de materiales, bombas, procesamiento de materiales, programación, ingeniería experimental, etc., para llegar a un diseño funcional y de bajo costo, de un dispositivo de pruebas y caracterización de flujo a través de válvulas.

- Se observó la necesidad de realizar investigaciones más profundas en el comportamiento de distintas geometrías de válvula en condiciones de baja presión atmosférica para analizar la mejor forma, si la hay, de realizar adaptaciones a las culatas para mejorar el rendimiento, potencia, ahorro de combustible y disminución de emisiones de motores de combustión interna.

- Se desarrollaron recomendaciones y guías para la adecuada realización de pruebas utilizando el banco de pruebas construido y se especificaron nuevas áreas de investigación que pueden explotarse con el mismo.

45

VIII. Referencias 1) FERGUSON, Colin R., KIRKPATRICK, Allan T., Internal Combustion Engines,

Second Edition, John Wiley & Sons Inc, 2001. 2) XU, Hongming, Some critical technical issues on the steady flow testing of cylinder

heads, SAE paper 2001-01-1308, 2001. 3) SON, Jin-Wook, LEE, Sihun, HAN, Bonghoon, KIM, Wootae, A correlation

between re-defined design parameters and flow coefficients of SI Engines intake ports, SAE paper 2004-01-0998, 2004.

4) BREHM, C., WHITELAW, J. H., SASSI, L., VAFIDIS, C., Air and fuel

characteristics in the intake port of a SI Engine, SAE paper 1999-01-1491. 5) COLLADO, María, ESPINOZA, Henry, SUAREZ, Diógenes et al. Determinación

del coeficiente característico de válvulas usando el compresor como banco de prueba. SABER, vol.15, no.1-2, p.66-69, 2003.

6) LEYDORF, G. F., MINTY, R. G., FINGEROOT, M., Design Refinement of

Induction and Exhaust Systems Using Steady-State Flow Bench Techniques, SAE paper 720214, 1972.

7) SUPERFLOW, How does a SuperFlow flowbench work?, Recuperado de la Web el

20 de Abril de 2006, http://www.superflow.com/support/support-flowbench-works-how.htm.

8) RICARDO COMPANY, Recuperado de la Web el 22 de Abril de 2006,

http://www.ricardo.com. 9) AVL, Recuperado de la Web el 22 de Abril de 2006, http://www.avl.com. 10) A Flow Measurement Orientation, Recuperado de la Web el 24 de Febrero de 2007,

http://www.omega.com/literature/transactions/volume4/T9904-06-FLOW.html#flow_1

11) MILLER, R.W., Flow Measurement Engineering Handbook, McGrawHill Book

Company, 1983

46

12) STONE, C. R., LADOMMATOS, N., The measurement and analysis of a swirl in steady flow, SAE paper 921642, 1992.

13) McLANDERS, Andrew, EMERSON, Roy, McDowel, Philip, RUTLAND,

Christopher, Intake and In-Cylinder Flow Modeling Characterization of Mixing and Comparision with Flow Bench Results, SAE paper 960635, 1996.

14) BENSLER, H.,FREEK, C., BEESTEN, B., RITTER, A., HENTSCHEL, A. W., An

Experimental and Numerical Study of the Steady-State Flow of a SI-Engine Intake Port, SAE paper 982470, 1998.

15) BECKWITH, Thomas G., MARANGONI, Roy D., LIENHARD V, John H.,

Mechanical Measurements, Fifth Edition, Addison-Wesley Publishing Company, 1995.

16) Small Bore Orifice Flowmeter Calculation for Gas Flow. Recuperado de la Web el 14

de Mayo de 2007, http://www.lmnoeng.com/Flow/SmallOrificeGas.htm. 17) AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS – ASME, Measurement

of fluid flow using small bore precision orifice meters. ASME MFC-14M-2001. 18) Air - Altitude, Density and Specific Volume, Recuperado de la Web el 20 de Mayo de

2007. http://www.engineeringtoolbox.com/. 19) WHITE, Frank M., Fluid Mechanics, Fifth Edition, McGraw-Hill, 2003. 20) Wikipedia la enciclopedia libre, Recuperado de la Web el 8 de Junio de 2007.

http://es.wikipedia.org/. 21) Culata-Área de Servicio-Motor, Recuperado de la Web el 8 de Junio de 2007.

http://motor.terra.es/motor/servicio/definicion.cfm?id=198.

47

IX. Anexos

1. Glosario - Bias: Incertidumbre producida por errores sistemáticos que se producen siempre de la

misma forma cada vez que se realiza una medida y que se expresa con un cierto nivel de confiabilidad o de probabilidad.45

- Caída de presión: Medida de la diferencia de presión entre dos puntos de un sistema de flujo, donde la presión corriente arriba es mayor a la presión corriente abajo.

- Eficiencia Volumétrica de un motor: Es la relación entre la mase del aire y del combustible que ingresan a la cámara de combustión, sobre la masa que puede contener el volumen desplazado del motor de un gas con una densidad determinada usualmente la dada por la mezcla estequeométrica de combustible-aire46.

- Flujo: Es el movimiento de un fluido, gas o líquido, en un ambiente determinado.47 - Motor de Combustión Interna: Es una máquina que genera energía cinética de la

energía química producida por la quema de un combustible en una cámara de combustión.48

- Número de Reynolds: Número adimensional que caracteriza el comportamiento viscoso de los fluidos. Está definido como la relación de las fuerzas inerciales sobre las fuerzas viscosas que gobiernan un flujo.49

- Culata: Es la tapa superior del bloque de cilindros de un motor de combustión interna, contiene los conductos (puertos) de conducción de aire y los sistemas de inyección, ignición y refrigeración.50

- Sistema puerto-válvula: Mecanismo compuesto por el puerto de entrada de aire, la válvula con libertad de movimiento en un solo eje, y asiento de válvula unido al puerto.

- Squish: Flujo radial que ocurre al final de la carrera de compresión en un volumen reducido del cilindro51.

- Swirl: Momento angular del fluido con respecto a un eje determinado52. - Tumble: Energía cinética del fluido debida a su turbulencia53. - Válvula: Es un dispositivo que regula el flujo en un sistema de tubería.54

45 Página 46 de la referencia 15 46 Página 7 de la referencia 1 47 Página 3 de la referencia 19 48 Referencia 20. 49 Página 23 de la referencia 19 50 Referencia 21 51 Página 184 de la referencia 1 52 Página 184 de la referencia 1 53 Página 184 de la referencia 1 54 Referencia 20

48

2. Planos

2.1. Banco de Pruebas

49

2.2. Placa con Orificio Cuadrado

50

2.3. Sujetador de Válvula

51

2.4. Manómetros

52

2.5. Probeta Base

53

2.6. Válvula Base

54

3. Memoria de Cálculos Primero, algunas ecuaciones generales55:

( )

( )

( )

( )

( )

( )6.34

5.3

4.3

3.32

2.3

1.3

2

2

→=

→=

→=

→=

→==

→==

dA

rmG

VDR

VP

mAVQ

AVTiempo

VolumenQ

e

másico

ovolumétric

π

ωµ

ρ

ρ

ρ &

Para Q=Flujo A=Área por de flujo V=Velocidad de flujo ρ=Densidad del fluido P=Presión del fluido debida al flujo Re=Número de Reynolds del flujo D=Longitud característica del flujo µ=Viscosidad del Fluido G=Momento de Torque producido sobre un eje por una masa alejada del eje un radio determinado girando a una velocidad angular dada m=Masa ω=Velocidad angular r=Radio de ubicación de la masa d=Diámetro de la tubería

3.1. Números de Reynolds56 A partir de la ecuación 3.4, definimos el número de Reynolds en el puerto por su longitud característica, que tomamos como el diámetro en la garganta Dg .

55 Referencias 1, 15, 16 y 19. 56 Referencias 1, 2 y 19

55

( )1.1.3→=µ

ρ gpep

DVR

Ahora, con la ecuación 3.1 reemplazamos la velocidad en el puerto Vp por el flujo volumétrico en el puerto sobre el área del puerto definida a partir del diámetro en la garganta multiplicado por el número de válvulas nv , ya que el flujo se reparte entre ellas, y desarrollamos la ecuación, aplicando además la ecuación 3.2 para reemplazar el flujo volumétrico por el másico.

( )2.1.34

42

→===µπµ

πρ

µ

ρ

gv

ggv

gp

ep Dnm

DDnQ

DAQ

R&

Para el número de Reynolds en la válvula, tomamos la longitud característica como el levantamiento de la válvula Lv por ser el más significativo, y definimos el área en la válvula como la cortina creada por el levantamiento de la válvula (perímetro de la válvula por el levantamiento), luego realizamos el mismo procedimiento anterior para simplificar la ecuación.

( )3.1.3→====µπµ

πρ

µ

ρ

µρ

vv

vvvv

vvvv

ev Dnm

LLDn

QLAQ

LVR

&

Para el número de Reynolds en el cilindro, tomamos la longitud característica como el diámetro del cilindro B, y definimos el área del cilindro a partir de este diámetro, luego realizamos el mismo procedimiento anterior para simplificar la ecuación.

( )4.1.34

42

→====µπµ

πρ

µ

ρ

µρ

BmB

BQB

AQ

BVR cc

ec&

3.2. Coeficientes de Flujo estático y Swirl57

De la ecuación 3.2 definimos la velocidad ideal del flujo a través de la válvula V0 a partir de la caída de presión ∆P producida por la válvula.

( )1.2.32

0 →∆

=ρP

V

57 Referencias 1, 2, 12, 14, 15.

56

Ahora, definimos los coeficientes de flujo estático como la relación entre el flujo másico real y el ideal a través de la válvula, este último derivado de la ecuación 3.2 para la velocidad ideal V0 y el área de flujo en la válvula.

( )2.2.30

→=AVm

Cρ&

Ahora, para el coeficiente Cd tomamos el área de la ecuación 3.2.2 como la cortina producida por el levantamiento de la válvula y el diámetro de la válvula.

( )3.2.30

←=VLD

mC

vvd ρπ

&

Mientras que para el coeficiente Cf tomamos el área de la ecuación 3.2.2 como el área del asiento interno de la válvula dada por el diámetro de la válvula.

( )4.2.34 0

2←=

VDm

Cv

f ρπ&

La compañía Ricardo define el número de swirl Ns como la velocidad tangencial del swirl sobre la velocidad ideal, sin embargo, las ecuaciones halladas están expuestas en términos del torque producido por el swirl al interior del cilindro, esto debido al tipo de instrumentación que usan para su medición.

( )5.2.38

0

→= GBVm

N SR &

Sin embargo, para este trabajo fue necesario expresar esta relación en términos de la velocidad angular producida por el swirl de nuevo, pero no se pensó que fuera suficiente con transformar la definición en una ecuación por lo que la ecuación 3.2.5 se integró usando la ecuación 3.5 para llegar a una solución en los términos que se necesitaban.

( )6.2.388

00

→==∫∫

∫∫

mBV

rm

BVm

GN

ss

&&

ω

Si integramos el flujo de masa a lo largo del cilindro obtendremos la masa de aire circulando en el cilindro, por lo que a partir de la ecuación 3.2.6 tenemos.

57

( )7.2.3888

00

2

0

2

0 →===∫

VB

BV

B

mBV

rdrmN s

s

B

s

sωωω

Si tomamos la ecuación 3.2.7 y dividimos entre 2 arriba y abajo, obtendremos la velocidad angular en el cilindro sobre lo que podemos tomar como la velocidad promedio del fluido en el cilindro debida al desarrollo del flujo que como se sabe por la mecánica de fluidos, va desde 0 en las paredes de la tubería, hasta un valor máximo en el centro en forma parabólica.

( )8.2.322

00

→==Vv

VB

N tss

ω

3.3. Flujo58

Si tomamos las ecuaciones 3.1 y 3.3 para el flujo a través de la platina del sensor de flujo, asumiendo que el flujo corriente arriba y justo a la salida del orificio es el mismo dado que no existen perdidas en el flujo estabilizado, tenemos:

( )

( ) ( )2.3.32

1.3.3

22

2121

2211

→−=−

→==

VVPP

VAVAQρ

Si utilizamos la ecuación 3.3.1 para despejar V1 en la ecuación 3.3.2

( ) ( ) ( )3.3.3

1

21

2 2

1

2

212221

2

1

22

2 →

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=⇒−=⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

AA

PPVPP

AAV

ρ

ρ

Si multiplicamos la ecuación 3.3.3 por el cuadrado de (V2ρ) tendremos el cuadrado flujo másico a través del sensor

( ) ( )4.3.3

1

2

1

2 22

1

2

22

2

1

2

22

22

22 →=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

∆=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

∆= m

AA

PA

AA

PAAV &

ρ

ρ

ρρ

Ahora, si tomamos la ecuación 3.6 para d como el diámetro del orificio y D como el diámetro de la tubería y despejando el flujo tenemos.

58 Referencias 1, 11, 15, 16, 17 y 19

58

( )5.3.32

14

→∆

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

= ρP

Dd

Am d&

Ahora, para el sensor de flujo escogido, es necesario realizar correcciones al flujo ideal encontrado en la ecuación 3.3.5. Realizamos una corrección debida a la restricción de la garganta y al tipo de medición que se hace de la caída de presión a D y D/2 de la placa con un coeficiente de descarga C, otra debida a la expansión de los gases Y1, y un coeficiente de expansión térmica Fa que para este caso es despreciable debido a que la temperatura nunca dista mucho de la ambiental y la simplificación de la relación de diámetro de la tubería y el orificio β que identifica el sensor de flujo.

( )6.3.371.91

0158.01

039.0184.00312.05959.075.0

5.23

4

481.2 →+−

−+−+=

DRC

ββ

ββ

ββ

( ) ( )7.3.335.041.011

41 →

∆+−=

kPP

Y β

( )8.3.31→≈aF

( )9.3.3→=Dd

β

Para

( )10.3.3→=µ

βρ esperadaD

VR

Utilizando las ecuaciones 3.3.6 a 3.3.9 en la ecuación 3.3.5 obtenemos la ecuación final para calcular el flujo a través del sensor de flujo para k como el exponente isentrópico del aire y P1 la presión a la entrada del sensor.

( )11.3.321 4

1 →∆−

= ρβ

PAFCY

m da&

Es importante notar que según la norma ASME MFC-14M-2001 en la que están basados estos cálculos, la ecuación 3.3.7 es válida solo para P2/P1≥0.8, para relaciones inferiores es adecuado utilizar Y1=1.

3.4. Propagación de Errores

Tomando las definiciones de la propagación de errores 59 tenemos

59 Ecuación 3.32 de la referencia 15

59

( )

( )2.4.3...

1.4.3...

2

2

22

1

1

2

2

2

2

1

1

→⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

→⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

xn

xm

y

xB

nxB

my

B

y

y

σσσ

Siendo m y n las ordenes de magnitud de cada variable x1 y x2 respectivamente. Y la incertidumbre total para un 95% de confiabilidad es

( )3.4.396.1 22

→⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

yyB

yU yyy σ

Utilizando las ecuaciones expuestas anteriormente junto con las ecuaciones 3.4.1 y 3.4.2 aplicadas a la ecuación 3.4.3 podemos hallar la incertidumbre total de cada uno de los resultados que buscamos. Solo se muestran a continuación los cálculos para los Bias que se pueden replicar para hallar la desviación estándar.

( )4.4.32222

→⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

µβρµβρ BB

VBB

RB

V

D

RD

( ) ( )5.4.35.23481.275.022

→⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ββB

RB

CB

D

RC D

( )6.4.35.05.02222222

→⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

ρβρβ B

PBB

dB

CB

mB PdCm

&&

( )7.4.35.05.022

0

0 →⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

ρρB

PB

VB

PV

( )8.4.32

0

22

0 →⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VB

BBB

NB VB

SS

N SS

ωω

( )9.4.322

0

2220 →⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

ρρB

VB

LB

DB

mB

CB V

v

L

v

Dm

d

C vvd

&&

60

( )10.4.3222

0

220 →⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

ρρB

VB

DB

mB

C

B V

v

Dm

f

C vf

&&

( )9.4.322

0

2220 →⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

ρρB

VB

LB

DB

mB

CB V

v

L

v

Dm

d

C vvd

&&

( )10.4.3222

→⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

µµB

DB

mB

RB

V

Dm

e

R Ve

&&

4. Materiales y Costos

Descripción Sitio de Compra Unidades

Vr. Unitario Vr. Total

Tuerca mariposa Zinc Homecenter 2 $ 2.350 $ 4.700 Niv el Plástico Homecenter 2 $ 5.200 $ 10.400 Niple 3/8 x 4 cm galv anizado Homecenter 6 $ 800 $ 4.800 Flexitriplex 8mm Homecenter 1 $ 23.900 $ 23.900 Varilla roscada Zinc Homecenter 1 $ 2.950 $ 2.950 Arandela de Presión Homecenter 2 $ 600 $ 1.200 Tuerca Hexagonal Homecenter 2 $ 1.000 $ 2.000 Tornillo Estufa AV Homecenter 1 $ 800 $ 800 Barra de reparación Homecenter 2 $ 2.950 $ 5.900 Regulador aire ¼ Homecenter 1 $ 9.900 $ 9.900 Cinta de teflón 10 Homecenter 1 $ 1.650 $ 1.650 Cinta doble faz 12 Homecenter 1 $ 3.000 $ 3.000 Perno zinc u 3/8x4 Homecenter 1 $ 5.950 $ 5.950 Unión 3 Presión Pa Homecenter 1 $ 11.900 $ 11.900 Tornillo lamina Ph Homecenter 1 $ 900 $ 900 Arandela plana zinc Homecenter 1 $ 800 $ 800 Reductor 3/8 - ¼ Homecenter 5 $ 4.900 $ 24.500 Bushing 1/2 x 3/8 Homecenter 5 $ 950 $ 4.750 Tuerca Flange 3/8 Homecenter 1 $ 1.100 $ 1.100 Abrazadera 3-1/2 Homecenter 1 $ 1.850 $ 1.850 Tapón soldado 2pr Homecenter 1 $ 3.300 $ 3.300 Tornillo Hexagonal Homecenter 2 $ 1.500 $ 3.000

Cartón Paja Blanco Comercial Papelera 1 $ 500 $ 500

Balso redondo 4.5mm Comercial 1 $ 800 $ 800

61

Papelera

Pegante Uhu 33ml Comercial Papelera 1 $ 3.500 $ 3.500

Manguera niv el ¼ Homecenter 2 $ 1.170 $ 2.340 Set conectores 2pz Homecenter 1 $ 6.900 $ 6.900 Control de Flujo con silenciador de 1/2 Pasco Ferretería 1 $ 32.633 $ 32.633

Collar der. 2x1/2 unión de Zinc Ferretería Nurueña 4 $ 3.303 $ 13.212

Tubería PVC Presión 2'' x 1m Ferretería Prado 6 $ 6.200 $ 37.200 Tubería PVC Presión 3'' x 1m Ferretería Prado 0,5 $ 7.800 $ 3.900 Codo PVC Presión 2'' Ferretería Prado 4 $ 4.200 $ 16.800 Unión Universal PVC Ferretería Prado 1 $ 15.000 $ 15.000 Unión Dreyer PVC Ferretería Prado 1 $ 27.200 $ 27.200

Sub total $ 289.235

IVA 16% $ 47.300

Total $ 342.930

5. Experimentos

5.1. Configuración de los experimentos

62

Figura 34. Datos de configuración del Banco de Pruebas en el software “ValvoMatic”

Figura 35. Datos de configuración del primer experimento con la probeta de Metal en el

software “ValvoMatic”

63

Figura 36. Datos de configuración del segundo experimento con la probeta de Metal en el

software “ValvoMatic”

64

Figura 37. Datos de configuración del experimento con la probeta de Cedro en el software “ValvoMatic”

5.2. Datos de entrada de las pruebas

Figura 38. Datos de entrada de la prueba 1 con la probeta de Metal

Figura 39. Datos de entrada de la prueba 1 con la probeta de Metal

65

Figura 40. Datos de entrada de la prueba 2 con la probeta de Metal

5.3. Datos de salida de las pruebas

Figura 41. Coeficientes de Flujo de la primera prueba

Lv (mm) Cf Cd Ns Lv (mm) Cf Cd Ns1,25 0,09006842 0,63768442 0,00189497 1,6 0,10148925 0,56136242 0,001860832,4 0,14454998 0,53302804 0,00241191 2,3 0,1498941 0,57676641 0,00248769

3 0,1598106 0,47144128 0,00492328 3,6 0,16924957 0,41607186 0,002600834 0,18192394 0,40250673 0,00311376 4,1 0,1743521 0,37634539 0,002696595 0,20229206 0,35805695 0,00348129 5,9 0,18610785 0,27916178 0,00234265

6,55 0,25752022 0,34794717 0,00413639 6,5 0,21169665 0,28823313 0,002730957 0,30459338 0,38509306 0,00413639 7,4 0,18663453 0,22320481 0,002663518 0,33564556 0,3713079 0,00492328 8,4 0,19103334 0,20126727 0,002436399 0,33564556 0,33005146 0,00492328 9,7 0,197949 0,18060296 0,00288278

10,85 0,33564556 0,27377541 0,00455808 10,7 0,21469394 0,17757396 0,00311376Incertidumbres (95% de conf iabilidad)

Lv 1,02% Cf 5,07% Cd 5,43% Ns 3,26%

1º Cedro Sin PulirCoeficientes de Flujo

1º MetalCoef icientes de Flujo

66

Figura 42. Números de Reynolds de la primera prueba

Figura 43. Coeficientes de flujo de la segunda prueba

Figura 44. Números de Reynolds de la segunda prueba

6. Manual de usuario del Banco de Pruebas

Rec Rev Rep Rec Rev Rep1,6 67,0037702 4,16099155 2,31411077 12,4356009 1 33,5526922 2,08365094 1,15881011 6,227230042,3 74,0240771 4,59695863 2,55657127 13,7385386 2,3 33,2035089 2,06196636 1,14675036 6,162423193,6 79,9468496 4,96476788 2,7611262 14,8377788 3,8 33,355717 2,07141861 1,15200717 6,190672334,1 79,4322261 4,93280932 2,74335264 14,7422669 4,9 45,5576969 2,82917203 1,57342724 8,455305395,9 97,5982845 6,06093711 3,37075422 18,1138064 5,8 45,5576969 2,82917203 1,57342724 8,455305396,5 95,232642 5,91402869 3,28905197 17,6747537 6,2 45,2778658 2,81179427 1,5637627 8,403369987,4 86,0842056 5,34590294 2,97309221 15,9768447 7,1 54,0829469 3,35859735 1,86786399 10,03755388,4 96,3267185 5,98197178 3,32683812 17,8778094 8,4 54,0829469 3,35859735 1,86786399 10,03755389,7 84,3581197 5,23871154 2,91347834 15,6564908 9 54,5113491 3,3852015 1,88265973 10,1170633

10,7 84,7071305 5,2603854 2,92553214 15,7212657 10,7 54,0829469 3,35859735 1,86786399 10,0375538Incertidumbres (95% de confiabil idad)

Lv 1,02% Q 3,86% Reynolds 3,88%

Reynolds x10^3 Reynolds x10̂ 31º Metal 2º Metal

Lv (mm) Q (gpm) Lv (mm) Q (gpm)

Rec Rev Rep Rec Rev Rep1,25 58,392169 3,62620374 2,0166917 10,8373262 1,6 67,0037702 4,16099155 2,31411077 12,43560092,4 73,6279284 4,57235745 2,54288947 13,6650152 2,3 74,0240771 4,59695863 2,55657127 13,7385386

3 39,8782194 2,4764716 1,37727499 7,40121969 3,6 79,9468496 4,96476788 2,7611262 14,83777884 71,7777829 4,45746184 2,47899096 13,3216364 4,1 79,4322261 4,93280932 2,74335264 14,74226695 71,3878013 4,43324364 2,46552215 13,2492576 5,9 97,5982845 6,06093711 3,37075422 18,1138064

6,55 76,484837 4,74977393 2,64155859 14,1952447 6,5 95,232642 5,91402869 3,28905197 17,67475377 90,465808 5,61800421 3,12441971 16,7900505 7,4 86,0842056 5,34590294 2,97309221 15,97684478 83,7550634 5,20126122 2,89265057 15,5445663 8,4 96,3267185 5,98197178 3,32683812 17,87780949 83,7550634 5,20126122 2,89265057 15,5445663 9,7 84,3581197 5,23871154 2,91347834 15,6564908

10,85 90,465808 5,61800421 3,12441971 16,7900505 10,7 84,7071305 5,2603854 2,92553214 15,7212657Incertidumbres (95% de confiabil idad)

Lv 1,02% Q 3,86% Reynolds 3,88%

Reynolds x10^31º Metal1º Cedro Sin Pulir

Reynolds x10̂ 3Lv (mm) Q (gpm)Q (gpm)Lv (mm)

Cf Cd Ns Cf Cd Ns1,6 0,10148925 0,56136242 0,00186083 1 0,10685898 0,94570197 0,003912632,3 0,1498941 0,57676641 0,00248769 2,3 0,11901421 0,45794597 0,004403523,6 0,16924957 0,41607186 0,00260083 3,8 0,13961574 0,32515772 0,00514224,1 0,1743521 0,37634539 0,00269659 4,9 0,17540846 0,31680916 0,004730145,9 0,18610785 0,27916178 0,00234265 5,8 0,15811105 0,24125565 0,004263696,5 0,21169665 0,28823313 0,00273095 6,2 0,16798959 0,2397916 0,004558087,4 0,18663453 0,22320481 0,00266351 7,1 0,20823279 0,25955778 0,004730148,4 0,19103334 0,20126727 0,00243639 8,4 0,20823279 0,21938812 0,004730149,7 0,197949 0,18060296 0,00288278 9 0,20224759 0,1988768 0,00455808

10,7 0,21469394 0,17757396 0,00311376 10,7 0,20823279 0,17222993 0,00473014Incertidumbres (95% de conf iabilidad)

Lv 1,02% Cf 5,07% Cd 5,43% Ns 3,26%

Coeficientes de Flujo Coef icientes de Flujo2º Metal1º Metal

Lv (mm) Lv (mm)

67

En esta sección se explican los pasos a seguir para el adecuado ensamble y operación del banco de pruebas.

6.1. Ensamble

1. Se asegura la placa con orificio cuadrado en el centro de la unión universal con cinta adhesiva acrílica doble faz.

Figura 45. Paso 1 del ensamble del Banco de Pruebas

2. Se cierra y aprieta lo más posible la unión universal, asegurándose de dejar la

abertura en la tuerca de la unión en la posición adecuada para poder colocar el collarín sobre el orificio del sensor de presión, y de que los dos orificios del sensor queden en la misma posición.

Figura 46. Paso 2 del ensamble del Banco de Pruebas

3. Se asegura el codo con la unión dreyer en la parte corta de la tubería.

68

Figura 47. Paso 3 del ensamble del Banco de Pruebas

4. Se aseguran los collarines sobre los orificios de la tubería (entrada de aire,

entrada y salida del sensor de flujo, entrada del puerto y salida del cilindro y válvula de alivio de ser necesario).

Figura 48. Paso 4 del ensamble del Banco de Pruebas

5. Se instalan y aprietan las reducciones y acoples necesarias en cada collarín; para

esto se recomienda el uso de cinta teflón en la rosca. Para el uso diseñado en este trabajo son, en orden de instalación, una reducción de 1/2-3/8’’, un niple de 3/8’’ y una reducción de 3/8-1/4’’para cada collarín.

Figura 49. Paso 5 del ensamble del Banco de Pruebas

6. Se aseguran los manómetros de tubo en U de forma que estén completamente

nivelados usando para esto los niveles de burbuja instalados.

69

Figura 50. Paso 6 del ensamble del Banco de Pruebas

7. Se conectan las dos puntas del sensor de diferencial de presión a los collarines

junto al sensor de flujo, mediante el uso de los acoples de tubo de presión de 1/4’’, y se realiza el mismo procedimiento para el manómetro conectando una punta al collarín ubicado antes de la unión dreyer y dejando la otra sin conectar.

Figura 51. Paso 7 del ensamble del Banco de Pruebas

8. Se instala la válvula de alivio de ser necesario. 9. Se instala el puerto a analizar sobre el cilindro en la unión de PVC de 3’’ y se

sujeta la válvula al sujetador de válvula usando los tres tornillos d 3/8’’. Para facilitar esta sujeción se puede cambiar el ángulo de orientación del sujetador aflojando los tornillos que unen los codos de refuerzo a las platinas de reparación, y apretándolos de nuevo una vez que se alcanzó la orientación deseada.

Figura 52. Paso 9 del ensamble del Banco de Pruebas

70

10. Se instala el empaque de la unión dreyer sobre el extremo libre del puerto y se

asegura al resto de la tubería por medio de la rosca. Es necesario tener en cuenta que puede necesitarse soportar el cilindro para puertos muy pesados.

Figura 53. Paso 10 del ensamble del Banco de Pruebas

11. Se instala el sensor de swirl a la salida del cilindro usando los sujetadores

adecuados que permitan la mayor libertad de movimiento posible.

Figura 54. Paso 11 del ensamble del Banco de Pruebas

12. Se conecta la boquilla de la salida de la fuente de aire al collarín de entrada de

aire ubicada en el extremo de la tubería opuesto al puerto cerca del tapón. Se recomienda el uso de una válvula de bola para controlar la cantidad de flujo de entrada. Es necesario asegurarse que no halla aire fluyendo por la boquilla.

Figura 55. Paso 12 del ensamble del Banco de Pruebas

71

6.2. Operación

Figura 56. Paso 1 de la Operación del Banco de Pruebas

1. Se ajusta el levantamiento de la válvula Lv deseado mediante la operación de las dos tuercas mariposa en la varilla roscada de 3/8’’.

Figura 57. Paso 2 de la Operación del Banco de Pruebas

2. Se abre la válvula o cualquier otro sistema utilizado para controlar el flujo de entrada de aire hasta lograr bien sea el flujo requerido en experimentos con flujo constante, o la caída de presión deseada cuando es ésta la constante. Para experimentos con ambos datos variables se aconseja abrir la válvula lo máximo posible sin sobrepasar la escala de los manómetros instalados.

3. Se espera un tiempo entre 1 y 3 minutos hasta que se estabilice el flujo y no se presenten fluctuaciones en ninguno de los sensores.

72

Figura 58. Paso 4 de la Operación del Banco de Pruebas

4. Se registra el dato del diferencial de presión en el sensor de flujo ∆P Flujo.

Figura 59. Paso 5 de la Operación del Banco de Pruebas

5. Se registra el dato de presión a la entrada del puerto o de diferencial de presión entre el puerto y el cilindro en caso de ser necesario ∆P Válvula

. Figura 60. Paso 6 de la Operación del Banco de Pruebas

6. Se registra el dato de velocidad angular del sensor de swirl en el cilindro ωs.

73

Figura 61. Paso 7 de la Operación del Banco de Pruebas

7. Se libera el extremo del sensor de diferencial de presión en el sensor de flujo conectado a la salida de dicho sensor, para así registrar el dato de la presión manométrica a la entrada del sensor de flujo P1.

7. Software “ValvoMatic”

7.1. Manual de Usuario

a. Instalación

1. Introduzca el CD de instalación en el computador. 2. Siga las instrucciones de instalación que aparecen en pantalla. En caso de

que no aparezca ninguna ventana luego de algunos minutos después de que el computador halla leído el CD, vaya al menú “Inicio” (“Start”) de Windows y seleccione “Ejecutar” (“Run”), introduzca la letra de identificación de la unidad de CD seguida de “:\Setup.exe” (ejemplo “D:\Setup.exe”) y presione el botón “Aceptar” (“Ok”) y siga las instrucciones.

3. Puede ser posible que sea necesario instalar la plataforma Microsoft .NET Framework v1.1 en cuyo caso el programa de instalación le informará los pasos a seguir.

b. Operación

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b.1. Creación de un nuevo archivo de experimentos

1. Haga clic en el botón en la parte izquierda de la ventana del programa debajo del logo para desplegar el menú.

2. Seleccione “Archivo” y a continuación seleccione “Nuevo”, elija una ubicación y un nombre para el nuevo archivo de experimentos y haga clic en “Guardar” (“Save”). Una ventana de notificación le confirmará la creación del archivo y su ubicación final.

b.2. Apertura de un archivo existente de experimentos

1. Haga clic en el botón en la parte izquierda de la ventana del programa debajo del logo para desplegar el menú.

2. Seleccione “Archivo” y a continuación seleccione “Abrir”, elija la ubicación y nombre del archivo de experimentos que desea abrir y haga clic en “Abrir” (“Open”). Se abrirá inmediatamente la ventana de administración de experimentos.

b.3. Configuración de las características del banco de pruebas

1. Haga clic en el botón en la parte izquierda de la ventana del programa debajo del logo para desplegar el menú.

2. Seleccione “Banco de Pruebas” y se desplegará la ventana de “Configuración del Banco de Pruebas”.

Figura 62. Ventana “Configuración del Banco de Pruebas” del software

“ValvoMatic”

3. Selección los sistemas de unidades utilizados para cada dato mediante las listas desplegables de la parte superior, e ingrese o modifique los datos

75

medidos en el banco de pruebas y la incertidumbre estimada para cada

valor y haga clic en el botón para guardar los cambios y cerrar la ventana.

b.4. Creación de un nuevo experimento

1. Haga clic en el botón en la parte izquierda de la ventana del programa debajo del logo para desplegar el menú.

2. Seleccione “Experimentos” y se desplegará la ventana de administración de experimentos realizados. (Estos dos pasos no son necesarios si esta ventana ya se encuentra abierta como en el caso de una reciente apertura del archivo).

Figura 63. Ventana “Experimentos Realizados” del software “ValvoMatic”

3. Haga clic en el botón y sigua los pasos 4 a 6 del punto b.5.

b.5. Modificación de un experimento existente

76

1. Haga clic en el botón en la parte izquierda de la ventana del programa debajo del logo para desplegar el menú.

2. Seleccione “Experimentos” y se desplegará la ventana de administración de experimentos realizados. (Estos dos pasos no son necesarios si esta ventana ya se encuentra abierta como en el caso de una reciente apertura del archivo).

3. Haga doble clic sobre el nombre del experimento que desea modificar en la lista de experimentos (Recuadro blanco al centro de la ventana). Se abrirá la ventana “Experimento”

Figura 64. Ventana “Experimento” del software “ValvoMatic”

4. En la ventana “Experimento” edite los valores de identificación del

experimento como “Nombre” y “Número”, los sistemas de unidades de los datos ingresados, las características del experimento, y las incertidumbres estimadas para cada dato solicitado. Es muy importante intentar no dejar ningún valor en blanco o en 0. Si no conoce el valor exacto por favor estímelo.

5. Una vez terminada la edición de los datos, haga clic en el botón para guardar las modificaciones y cerrar la ventana.

6. Es posible consultar las incertidumbres totales de los datos de salida del experimento producto de la propagación de error de las incertidumbres

ingresadas haciendo clic en el botón , esto desplegará la ventana de notificación “Incertidumbres”.

77

Figura 65. Ventana de notificación “Incertidumbres” del software “ValvoMatic”

b.6. Edición de los datos obtenidos de las pruebas de un experimento

1. En la parte baja de la ventana “Experimento” Ingrese los valores de caída de presión en el sensor de flujo “∆P Flujo”, caída de presión la válvula “∆P Válvula”, presión manométrica a la entrada del sensor de flujo “P1” y velocidad angular del sensor de swirl “ωs” para cada levantamiento de la válvula “Lv”. Es muy importante intentar no dejar ningún valor en blanco o en 0. Si no conoce el valor exacto por favor estímelo.

Figura 66. Parte baja de la ventana “Experimento” del software “ValvoMatic”

2. Una vez ingresados todos los datos, haga clic en el botón para guardar los datos ingresados y generar los valores de flujo “Q”, los coeficientes de flujo estable “Cf” y “Cd”, el número de swirl “Ns” y los números de Reynolds en el puerto “Rep”, en el cilindro “Rec” y en la válvula “Rev”.

3. Presione el botón para cerrar la ventana “Experimento”.

b.7. Exportar los resultados de un experimento a Microsoft Excel

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1. Con la ventana “Experimento” del experimento que se desea exportar

abierta (Siga los pasos 1 a 3 del punto b.5) haga clic en el botón en la barra de menú de la ventana principal del programa.

2. Seleccione el nombre y la ubicación del archivo de Microsoft Excel que va a crear.

3. Haga clic en “Guardar” (“Save”) y una ventana de notificación le confirmará la ubicación y el nombre del archivo creado.

b.8. Exportar los resultados de varios experimentos a Microsoft Excel para comparación

1. Con la ventana “Experimentos realizados” abierta (Siga los pasos 1 a 2 del

punto b.4) seleccione los experimentos que quiere comparar haciendo clic en estos mientras mantiene presionada la tecla “ctrl.”, luego haga clic en el

botón en la barra de menú de la ventana principal del programa. 2. Seleccione el nombre y la ubicación del archivo de Microsoft Excel que va

a crear. 3. Haga clic en “Guardar” (“Save”) y una ventana de notificación le

confirmará la ubicación y el nombre del archivo creado.

b.9. Eliminar uno o varios experimentos

1. Con la ventana “Experimentos realizados” abierta (Siga los pasos 1 a 2 del punto b.4) seleccione los experimentos que quiere eliminar haciendo clic en estos mientras mantiene presionada la tecla “ctrl.”, luego haga clic en el

botón en la barra de menú de la ventana principal del programa.

2. Ventanas de notificación le pedirán confirmación para borrar los experimentos seleccionados. Haga clic en “Si” (“Yes”) si está seguro de que desea borrar cada uno de los experimentos, o en “No” en el caso contrario.

79

8. Tabla de Ilustraciones FIGURA 1. SIMULACIÓN DE FLUJO A TRAVÉS DEL PUERTO, LA VÁLVULA Y EL CILINDRO............................ 3 FIGURA 2. VELOCIDAD, MEDIDA EN GRADOS DE GIRO DEL CIGÜEÑAL, DE COMBUSTIÓN DEL 90% DEL

COMBUSTIBLE PARA DIFERENTES VALORES DE LA ENERGÍA CINÉTICA AL INTERIOR DEL CILINDRO....... 4 FIGURA 3. CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DEL SISTEMA PUERTO-VÁLVULA-ASIENTO DE VÁLVULA.......... 8 FIGURA 4. CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DEL PUERTO CON RESPECTO A LA CABEZA DEL CILINDRO ........ 9 FIGURA 5. ESTÁNDAR DE RICARDO PARA ASEGURAR FLUJO COMPLETAMENTE TURBULENTO ................... 10 FIGURA 6. ARREGLO DE BANCO DE PRUEBAS CON SOPLADOR Y SENSOR DE FLUJO ANÁLOGO................... 14 FIGURA 7. ARREGLO DE BANCO DE PRUEBAS CON BOMBA Y SENSOR DE FLUJO ANÁLOGO ....................... 14 FIGURA 8. ARREGLO DE BANCO DE PRUEBAS CON BOMBA Y SENSOR DE FLUJO ÓPTICO........................... 15 FIGURA 9. MÉTODOS ANÁLOGOS DE MEDICIÓN DE SWIRL................................................................. 16 FIGURA 10. MÉTODOS DE ADAPTADOR PARA MEDICIÓN DE TUMBLE................................................... 17 FIGURA 11. RESULTADOS OBTENIDOS DE EXPERIMENTACIÓN CON FLUJO PULSANTE............................... 18 FIGURA 12. COMPARACIÓN ENTRE LAS DIFERENTES METODOLOGÍAS DE EXPERIMENTACIÓN.................... 19 FIGURA 13. ERRORES EN EL COEFICIENTE DE FLUJO Y EL RADIO DE SWIRL DEBIDOS AL AUMENTO DE LA

CAÍDA DE PRESIÓN EN LA VÁLVULA ..................................................................................... 20 FIGURA 14. DISEÑO PRELIMINAR DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................... 22 FIGURA 15. DISEÑO PRELIMINAR DEL SENSOR DE FLUJO................................................................... 23 FIGURA 16. DISEÑO PRELIMINAR DE LOS MANÓMETROS .................................................................. 24 FIGURA 17. DISEÑO PRELIMINAR DEL SENSOR DE SWIRL .................................................................. 25 FIGURA 18. DISEÑO PRELIMINAR DEL SUJETADOR DE LA VÁLVULA..................................................... 25 FIGURA 19. BANCO DE PRUEBAS FINAL......................................................................................... 27 FIGURA 20. SENSOR DE FLUJO FINAL............................................................................................ 27 FIGURA 21. MANÓMETRO FINAL................................................................................................. 28 FIGURA 22. SENSOR DE SWIRL FINAL........................................................................................... 28 FIGURA 23. SUJETADOR DE VÁLVULA FINAL.................................................................................. 29 FIGURA 24. GEOMETRÍA DE LA PROBETA BASE............................................................................... 31 FIGURA 25. PROBETA DE METAL................................................................................................. 32 FIGURA 26. PROBETA DE CEDRO................................................................................................. 32 FIGURA 27. PRIMERA PRUEBA .................................................................................................... 34 FIGURA 28. NÚMEROS DE REYNOLDS DE LA PRIMERA PRUEBA .......................................................... 35 FIGURA 29. NÚMEROS DE REYNOLDS COMUNES PARA ESTE TIPO DE PRUEBAS....................................... 35 FIGURA 30. COEFICIENTES DE FLUJO ESTÁTICO DE LA PRIMERA PRUEBA.............................................. 37 FIGURA 31. COEFICIENTES DE FLUJO ESTÁTICO PARA PUERTOS DE ALTO RENDIMIENTO........................... 37 FIGURA 32. NÚMEROS DE REYNOLDS DE LA SEGUNDA PRUEBA.......................................................... 38 FIGURA 33. COEFICIENTES DE FLUJO ESTÁTICO DE LA SEGUNDA PRUEBA............................................. 39 FIGURA 34. DATOS DE CONFIGURACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS EN EL SOFTWARE “ VALVOMATIC”........ 62 FIGURA 35. DATOS DE CONFIGURACIÓN DEL PRIMER EXPERIMENTO CON LA PROBETA DE METAL EN EL

SOFTWARE “ VALVOMATIC”............................................................................................... 62 FIGURA 36. DATOS DE CONFIGURACIÓN DEL SEGUNDO EXPERIMENTO CON LA PROBETA DE METAL EN EL

SOFTWARE “ VALVOMATIC”............................................................................................... 63 FIGURA 37. DATOS DE CONFIGURACIÓN DEL EXPERIMENTO CON LA PROBETA DE CEDRO EN EL SOFTWARE

“ VALVOMATIC”.............................................................................................................. 64 FIGURA 38. DATOS DE ENTRADA DE LA PRUEBA 1 CON LA PROBETA DE METAL..................................... 64 FIGURA 39. DATOS DE ENTRADA DE LA PRUEBA 1 CON LA PROBETA DE METAL..................................... 64 FIGURA 40. DATOS DE ENTRADA DE LA PRUEBA 2 CON LA PROBETA DE METAL..................................... 65 FIGURA 41. COEFICIENTES DE FLUJO DE LA PRIMERA PRUEBA ........................................................... 65 FIGURA 42. NÚMEROS DE REYNOLDS DE LA PRIMERA PRUEBA .......................................................... 66 FIGURA 43. COEFICIENTES DE FLUJO DE LA SEGUNDA PRUEBA........................................................... 66 FIGURA 44. NÚMEROS DE REYNOLDS DE LA SEGUNDA PRUEBA.......................................................... 66 FIGURA 45. PASO 1 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 67 FIGURA 46. PASO 2 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 67

80

FIGURA 47. PASO 3 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 68 FIGURA 48. PASO 4 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 68 FIGURA 49. PASO 5 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 68 FIGURA 50. PASO 6 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 69 FIGURA 51. PASO 7 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 69 FIGURA 52. PASO 9 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 69 FIGURA 53. PASO 10 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS.......................................................... 70 FIGURA 54. PASO 11 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS.......................................................... 70 FIGURA 55. PASO 12 DEL ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS.......................................................... 70 FIGURA 56. PASO 1 DE LA OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS........................................................ 71 FIGURA 57. PASO 2 DE LA OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS........................................................ 71 FIGURA 58. PASO 4 DE LA OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS........................................................ 72 FIGURA 59. PASO 5 DE LA OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS........................................................ 72 FIGURA 60. PASO 6 DE LA OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS........................................................ 72 FIGURA 61. PASO 7 DE LA OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS........................................................ 73 FIGURA 62. VENTANA “CONFIGURACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS” DEL SOFTWARE “ VALVOMATIC”....... 74 FIGURA 63. VENTANA “ EXPERIMENTOS REALIZADOS” DEL SOFTWARE “ VALVOMATIC” ........................ 75 FIGURA 64. VENTANA “ EXPERIMENTO” DEL SOFTWARE “ VALVOMATIC”............................................ 76 FIGURA 65. VENTANA DE NOTIFICACIÓN “INCERTIDUMBRES” DEL SOFTWARE “ VALVOMATIC”................ 77 FIGURA 66. PARTE BAJA DE LA VENTANA “ EXPERIMENTO” DEL SOFTWARE “ VALVOMATIC”................... 77