TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓN................................................................................................................................. 11.1 ANTECEDENTES......................................................................................................................... 11.2 OBJETIVOS.................................................................................................................................. 11.3 FUNDAMENTO TEÓRICO...........................................................................................................1

1.3.1 DIFERENCIA ENTRE LA TERMODINÁMICA Y LA TRANSFERENCIA DE CALOR.............11.3.2 PROPAGACIÓN DEL CALOR...............................................................................................11.3.3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN............................................................11.3.3.1 CONDUCTIVIDAD (Cuestionario).......................................................................................3

1.3.3.2 TEORÍA DE BANDAS......................................................................................................31.3.3.3 CONDUCTORES.............................................................................................................41.3.3.4 AISLANTES..................................................................................................................... 4

1.3.4. ECUACIÓN GENERAL DE CONDUCCIÓN..........................................................................61.3.5 CASOS PARTICULARES......................................................................................................6

1.3.5.1 ECUACIÓN DE DIFUSIÓN DE FOURIER.......................................................................61.3.5.2 ECUACIÓN DE POISSON...............................................................................................61.3.5.3 ECUACIÓN DE LAPLACE...............................................................................................7

1.3.6 CONDICIONES DE FRONTERA...........................................................................................71.3.6.1 CONDICIONES FRONTERA DE PRIMERA CLASE.......................................................71.3.6.2 CONDICIÓN DE FRONTERA DE SEGUNDA CLASE....................................................71.3.6.3 CONDICIÓN DE FRONTERA DE TERCERA CLASE.....................................................8

1.3.7 ANALOGÍA ELÉCTRICA........................................................................................................91.3.8 PAREDES EN SERIE.............................................................................................................9

2 METODOLOGÍA................................................................................................................................ 102.1 EQUIPO, MATERIALES, INSTRUMENTOS Y HERRAMIENTAS..............................................102.2 MONTAJE DEL EQUIPO............................................................................................................122.3 DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO........................................................................................132.4 OBTENCIÓN Y REGISTRO DE DATOS....................................................................................132.5 CÁLCULOS................................................................................................................................. 13

2.5.1 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL POLIESTIRENO (Modelo paredes planas)...................132.5.2 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL POLIESTIRENO (Modelo de área media)....................152.5.3 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL POLIESTIRENO (utilizando la resistencia térmica del vidrio el modelo de paredes planas)..............................................................................................162.5.4 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL POLIESTIRENO (utilizando la resistencia térmica del vidrio y el modelo de área media).................................................................................................172.5.5. ESPESOR ÓPTIMO ECONÓMICO.....................................................................................19

2.6 RESULTADOS............................................................................................................................ 203 DISCUSIÓN EN INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS.................................................................224 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.....................................................................................22

4.1 CONCLUSIONES....................................................................................................................... 224.2 RECOMENDACIONES...............................................................................................................23

BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................................... 23

CURVAS DE PERFORMANCE DE LOS MCI

1 INTRODUCCIÓN

1.1 ANTECEDENTES

Sobre una precedente percepción termodinámica de los MCI’s, se tiene que madurar y desarrollar los criterios de detalle tecnológico de estos sistemas, en este sentido, el primer paso es interpretar en detalle la naturaleza de las prestaciones y gastos más representativos delos MCI’s.

1.2 OBJETIVOS

Profundizar sobre el significado de las prestaciones de los MCI. Profundizar sobre el significado del gasto en los MCI.

1.3 FUNDAMENTO TEÓRICO

1.3…. ÍNDICE DE EMISIÓN DE CO2

El combustible líquido que se emplea en los motores de combustión interna contiene: carbono, hidrógeno y, en cantidades mínimas, oxígeno, nitrógeno y azufre. Por eso, con la relación ideal entre el combustible y el aire (composición del aire: nitrógeno, N2 =78.03%, oxígeno, O = 20.99%, dióxido de carbono, C02 =0.04%, argón, hidrógeno y otros gases inertes 0.04%), los productos de la combustión deben contener N2, C02 y H20. Sin embargo, la composición de los gases de escape es mucho más compleja. Los gases de escape de los motores representan una mezcla heterogénea de sustancias diferentes con diversas propiedades químicas y físicas, compuesta en 99% de los productos de combustión completa y del exceso de aire. Cerca de 1% de los gases de escape contiene aproximadamente 300 sustancias, de las cuales la mayoría es tóxica.De un modo general, en los MCI existen varias fuentes de emisiones tóxicas, de las cuales las principales son: los vapores del combustible, los gases del cárter y los gases de escape (Figura 2 y Tabla N°1).

Figura 2 Emiciones toxicas de un automovil

Tipo de motorGases de escape

Gases del cárter

Vapores de combustible

De carburador

CO 95 5 0CxHy 55 5 40NOx 98 2 0

Diesel

CO 98 2 0

CxHy 90 2 8

NOx 98 2 0Tabla N° 1 Fuentes de sustancias toxicas (en %)

1

Los gases de escape, es la fuente principal de emisiones tóxicas, vienen a ser una mezcla de productos gaseosos resultantes de la combustión, así como del exceso de aire y de otros elementos en cantidades microscópicas, tanto líquidos como sólidos, que vienen del cilindro del motor al sistema de escape.Los componentes tóxicos principales de los gases de escape de los motores son el monóxido de carbono y los óxidos nitrosos. Además, en los gases de escape se encuentran presentes hidrocarburos saturados y no saturados, aldehídos, sustancias cancerígenas, hollín y otros componentes. La tabla N° 2 muestra la composición aproximada de los gases de escape.Un vehículo pequeño promedio expulsa a la atmósfera de 0.6 a 1.7 kg/hora de CO, y un camión de 1.5 a 2.8 kg/hora de CO. De un modo general, cuando se quema 1 kg de combustible diesel, se desprenden cerca de 80... 100 g de componentes tóxicos, a saber: 20...30 g de monóxido de carbono, 20...40 g de óxidos nitrosos, 4...10 g de hidrocarburos, 10...30 g de óxidos de azufre, 0.8...1.0 g de aldehídos, 3...5 g de hollín, etc.Cuando se quema 1 kg de gasolina, con velocidad e intensidad de trabajo media, se expelen aproximadamente 300...310 g de componentes tóxicos: 225 g de monóxido de carbono, 55 g de óxidos nitrosos, 20 g de hidrocarburos, 1.5 - 2.0 g de óxidos de azufre, 0.8 - 1.0 g de aldehídos, 1.0 -1.5 g de hollín, etc.El monóxido de carbono y los hidrocarburos aparecen en los gases de escape como resultado de la combustión incompleta del combustible, a causa de la insuficiencia del oxígeno en la cámara de combustión, o representan partículas de combustible no quemadas. La Fig.3 muestra la influencia de la relación "aire-combustible" (coeficiente de exceso de aire) sobre la emisión de sustancias tóxicas en los gases de escape: el eje de coordenadas indica la concentración relativa de emisiones de CO, NOx y CxHy (sin escala de valores).Por su acción sobre el organismo humano, las sustancias que componen los gases de escape pueden ser clasificadas en varios grupos.El nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, el vapor de agua y el dióxido de carbono pertenecen al grupo de sustancias no tóxicas.El grupo de sustancias tóxicas incluye monóxido de carbono, óxidos nitrosos (NOx) hidrocarburos (CxHy), aldehídos (RxCHO), hollín, dióxido de azufre (SO2), ácido sulfhídrico y partículas sólidas.

Componente de los gases de escape

Contenido máximo en volumen (%)Observación

Gasolina DieselNitrógeno 74 - 77 76 - 78 no tóxico

Oxígeno 0.3 - 0.8 2.0 - 18.0 no tóxicoVapor de agua 3.0 - 5.5 0,5 - 4.0 no tóxicoDióxido de carbono 5.0- 12.0 1.0 - 10.0 no tóxicoMonóxido de carbono 0.1 - 10.0 0.01 - 0.5 tóxicoÓxidos nítricos 0.1 - 0.5 0.001 - 0 4 tóxicoHidrocarburos nocancerígenos

0.2 - 3.0 0.009 - 0.5 tóxico

Aldehídos 0 - 0.2 0.001 - 0.009 tóxicoDióxido de azufre 0 - 0.002 0 - 0.03 tóxicoHollín (en g/m5) 0 - 0.04 0.01 - 1.1 tóxicoBenzopireno (en g/m3) hasta 0.01 - 002 hasta 0.01 cancerígeno

Tabla N°2 Composición de los gases de escape

2

Figura 3 Influencia de la composición de la mezcla (a) sobre los índices del motor de carburador (a) y diesel (b).

2 METODOLOGÍA

2.1 EQUIPO, MATERIALES, INSTRUMENTOS Y HERRAMIENTAS

FICHA TÉCNICA MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA (MCI)DEL LABORATORIO DE MÁQUINAS TÉRMICAS

MARCA :CATERPILLARMODELO :CAT 3508Nº SERIE DEL MOTOR

:52k1214

INDUSTRIA :ESTADOUNIDENSECODIGO INTERNO

POTENCIA 151Kw (1800rpm)

CONDICIONES DEL MOTOR REGULAR

PAR MOTOR 800kgf.cm ARMADO SICOMBUSTIBLE Diesel DESARMADO NO

3

COMPLETO NOINCOMPLETO SI

CARACTERISTICAS ESPECIFICASITEM CANTIDAD TIPO ESTADO OBSERVACIONES

Nº de tiempos 4 Nº de cilindros 6 En línea Regular Diámetro 137 mm 5,4 inCarrera 165 mm 6,5 inCilindrada 14,6 L/s 893 cfsrelación de compresión 13:01 Peso del motor 500 kg (Aproximado)

Sistema de admisión 1 Turbo IncompletoTurbo alimentado con Intercooler

Sistema de escape Tubo Incompleto AtmosféricoSistema de refrigeración Agua Bueno Con aletasSistema de lubricación 6 L Aceite Regular SAE 20W50Dispocisión valvular OHC Bueno Eje de levas en la cabezaNº de válvulas 24 Regular 12 de adm. y 12 de esc.Nº de ejes de leva 2 Bueno En la culataSistema de inyección Bomba de inyección 1 En linea Desmontado Inyector 6 Bomba de combustible 1 Mecánica Faltante Color (pintura) Bueno Amarillo

Dimensiones del motor L=1500, H=1400, B=1100 [mm]

MOTOR CATERPILLAR ESPECIFICACIONES

V-8, 4-Tiempos de ciclo Diesel

4

Diámetro.............................................. ...... 170,0 mm (6.69 in)Carrera................................................... ... 190,0 mm (7,48 in)Desplazamiento………...….................... 34,53 L (2,107.15 in3)La aspiración.................... Turboalimentado / posenfriamiento

Relación de compresión ........................................ ....... 13:1 Rotación (desde el extremo del volante) ............... antihorario

Capacidad para Líquidos Sistema de refrigeración ............. 102,7 L (27,1 gal)Sistema de aceite lubricante ..... 424,0 L (112,0 gal)

Peso del motor, neto seco (aproximado) .. 4.309 kg (9.500 lb)

La imagen mostrada puede no reflejar la forma efectiva del motor

El catálogo completo del motor se encuentra en el anexo A los datos presentados son a manera de ficha técnica.

2.3 DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

La presentación acerca de las curvas de performace se realizó el día 21 de febrero en ambientes del laboratorio de máquinas térmicas a cargo del docente.

En donde se conformaron grupos de trabajo para la presentación del presente informe. A cada grupo se le designo un motor, del cual se obtuvieron mediciones de un banco de

pruebas, siendo asignado al grupo el motor N° 1. Asignado tareas de exposición, análisis y discusión sobre la naturaleza de las prestaciones

de un MCI y de sus curvas de performance

2.4 OBTENCIÓN Y REGISTRO DE DATOS

Los siguientes datos se descargaron de la página del laboratorio de térmicas, siendo asignado los datos del motor N° 1 correspondiente a un motor CAT 3508

N° rpm Potencia consumo hr

1 900 388 98.1

2 950 412 102.6

3 1000 435 107.6

4 1050 456 112.9

5 1100 474 118.3

6 1150 492 123.3

7 1200 507 127.9

Tabla 2.1 Toma de datos del banco de pruebasLas pruebas se realizaron con un diesel de Hui=42780 kJ/kg y una densidad de 838.9 kg/m3

5

2.5 CÁLCULOS

Se procederá al cálculo de parámetros para obtener las gráficas de desempeño.

De la Tabla 7.6 (Termodinámica de los motores de combustión interna, Ing. Peñaranda)Para motor sobrealimentado con intercooler

T 30K s 0.45 0.05 TIC 100KCondiciones atmosféricas de la costa:

To 20°C po 1barDatos del motor

13 170mm s 190mm i 8

2.5.1. PRESIÓN AL FINAL DEL PROCESO DE ADMISIÓN

ps 1.1 pops 110000Pap´1 0.9 psp´1 99000Papr 1.22popr 122000Pa

2.5.2. CALENTAMIENTO DE LA CARGA DE ADMISIÓN ANTES DEL INGRESO A LOS

CILINDROS EN UN M I

Asumiendo para un proceso politrópico, además de grado de aumento de presión en la sobrealimentación.a 2.2 n 1.7

Ts To a( )

n 1

nTi Ts TICTi 305.59KTh T TiTh 335.59KT Th Tk

Tk TiTk 305.59K

2.5.3. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

VTk

Th 1( )p´1

po s

pr

po

V 0.93

2.5.4. CALCULO DE LA CILINDRADA UNITARIA

170mm s 190mm

Vh 24

s

Vh 4.31 103 m

3

2.5.5. RELACIÓN DE LA MASA DE CARGA FRESCA ADMITIDA

R 287J

kg K

6

mhps V Vh

R Tk

mh 5.057 103 kg

2.5.6. RELACIÓN AIRE COMBUSTIBLE PARA MOTORES DIESEL

rac 16

Asumiendo: 1.2

Rac rac

Rac 19.2

2.5.7. MASA DE COMBUSTIBLE

mcmh

Rac

mc 2.63 104 kg

2.5.8. ECUACIONES EN FUNCIÓN DE n [RPM] PARA GRAFICAR

Asumiendo un rendimiento indicado y mecánico de:i 0.90 m 0.85

Datos obtenidos para el cálculo:

i 8 Vh 4.31 103 m

3 V 0.93 To 20°C po 1bar

HU 42780kJ

kg

Para determinar el trabajo realizado:

Pefi m w n i120000

w120000Pefi m n i

Par motor efectivo:

Mef95493Pef

n

Presión media efectiva:

pmefi m wVh

Consumo especifico de combustible:

bef3600V po

Rac 1( )pmef R To

Consumo horario de combustible:

Bbef Pef1000

7

Rendimiento efectivo del motor:

efPef 3600B HU

N°

n[rpm]

Pef[kW]

C[L/h]

w [J]Mef

[N-m]pmef[Pas]

pmef[Mpas]

bef[gr/kWh]

B[kg/hr]

hef[%]

1 900 388 98.1 8453,16 41168,09 1278755,52 1,278756 162,14 62,91 51,902 950 412 102.6 8503,61 41413,81 1286387,81 1,286388 161,17 66,40 52,213 1000 435 107.6 8529,41 41539,46 1290290,69 1,290291 160,69 69,90 52,374 1050 456 112.9 8515,41 41471,25 1288171,98 1,288172 160,95 73,39 52,285 1100 474 118.3 8449,20 41148,80 1278156,29 1,278156 162,21 76,89 51,886 1150 492 123.3 8388,75 40854,40 1269011,53 1,269012 163,38 80,38 51,517 1200 507 127.9 8284,31 40345,79 1253213,37 1,253213 165,44 83,88 50,87

Tabla 2.2 Resultados Tabulados

2.5.9. GRAFICAS DE DESEMPEÑO

Se presentaran los parámetros en función de la velocidad de rotación.

Figura 2.1 Pef vs. n en color azul, Mef vs. n en color rojo

8

Figura 2.2 pmef vs. n en color anaranjado, bef vs. n en color verde

Figura 2.3 B vs. n en color verde, hef vs. n en color celeste

9

Si superponiendo las gráficas tendremos:

Figura 2.4 Grafica general de desempeño del motor diesel CAT 3508

2.6 RESULTADOS

En base a los datos calculados en el acápite 2.5. se procedió a paramétrica las ecuaciones de par, presión media efectiva, consumo especifico de combustible, consumo horario y rendimiento efectivo de motor

i 0.90 m 0.85Datos obtenidos para el cálculo:

i 8 Vh 4.31 103 m

3 V 0.93 To 20°C po 1bar

HU 42780kJ

kg

Se utilizaron las siguientes ecuaciones:

Para determinar el trabajo realizado:

10

w120000Pefi m n i

Par motor efectivo:

Mef95493Pef

n

Presión media efectiva:

pmefi m wVh

Consumo especifico de combustible:

bef3600V po

Rac 1( )pmef R ToConsumo horario de combustible:

Bbef Pef1000

Rendimiento efectivo del motor:

efPef 3600B HU

Obteniendo la siguiente tabla:

N°

n[rpm]

Pef[kW]

C[L/h]

w [J]Mef

[N-m]pmef[Pas]

pmef[Mpas]

bef[gr/kWh]

B[kg/hr]

hef[%]

1 900 388 98.1 8453,16 41168,09 1278755,52 1,278756 162,14 62,91 51,902 950 412 102.6 8503,61 41413,81 1286387,81 1,286388 161,17 66,40 52,213 1000 435 107.6 8529,41 41539,46 1290290,69 1,290291 160,69 69,90 52,374 1050 456 112.9 8515,41 41471,25 1288171,98 1,288172 160,95 73,39 52,285 1100 474 118.3 8449,20 41148,80 1278156,29 1,278156 162,21 76,89 51,886 1150 492 123.3 8388,75 40854,40 1269011,53 1,269012 163,38 80,38 51,517 1200 507 127.9 8284,31 40345,79 1253213,37 1,253213 165,44 83,88 50,87

Tabla 2.2 Resultados Tabulados

Con la que se construyeron las siguientes gráficas

11

Figura 2.4 Grafica general de desempeño del motor diesel CAT 3508

3 DISCUSIÓN EN INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

A simple vista se puede observar que la incidencia del vidrio en la obtención de la conductividad

térmica no es representativa, esto se debe a que su resistencia térmica baja considerablemente al no

tener un espesor apreciable.

La verdadera importancia está en la elección del modelo para el cálculo de la conductividad térmica

ya sea pared plana o área media, observándose que existen diferencias apreciables entre los dos

modelos, y considerando que el modelo de área media es el más completo porque expresa el

crecimiento del área de transferencia a medida que se aísla el recipiente, por tanto sólo se

recomienda utilizar el modelo de paredes planas en cálculos rápidos en un futuro para la obtención de

la conductividad térmica mediante este sistema experimental de cálculo.

Por otro lado en la obtención del espesor óptimo económico se puede observar que solamente es

necesaria una pared de 4 cm para el aislamiento de 3 kg de hielo durante seis horas, que es un

tiempo más que apreciables para algunas aplicaciones básicas como en un kiosco.

También se observó que el espesor de aislamiento depende en gran parte del tiempo que se va a

utilizar el sistema, es decir de manera continua observándose que a mayor tiempo de funcionamiento

mayor cantidad de capas de aislante.

4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1 CONCLUSIONES

Se observó que en paredes de bajo espesor la resistencia térmica se vuelven despreciable.

El modelo de área media brinda mejores resultados que el modelo de paredes planas porque ofrece una mayor exactitud en la obtención de la conductividad térmica.

El uso de la termodinámica en el planteamiento del problema nos llevó a la obtención de el calor de fusión de hielo, utilizado por el sistema para derretir 63[ml], y dado que se tomó el tiempo lo que tardó el sistema en realizar este proceso, se pudo determinar además el flujo de calor, en las paredes del recipiente aislado. Haciendo una combinación activa entre estas dos ramas que son la termodinámica y la transferencia de calor.

Cuando se hizo la obtención de datos se notó una variación de la temperatura en las caras del recipiente aislado, por lo que se hizo una consideración del régimen estacionario ya que las ecuaciones planteadas lo requerían, esto implica que no existe variación de la temperatura con el tiempo, por ello se realizó el cálculo de la desviación estándar de las temperaturas en las caras del paralelepípedo.

En el punto 1.3.3.1 se conceptualizó la diferencia de la conductividad térmica entre los metales, no metales estructurales y resistentes al calor, considerando que los buenos conductores de electricidad son también buenos conductores térmicos, y asimismo con los aislantes, también se puntualizó que muchos materiales aislante es están hechos de

12

materiales no metálicos, ya que éstos poseen mayor cantidad de huecos al interior del material, lo que reduce la conductividad del mismo haciéndolo un mal conductor.

Se observó que el espesor óptimo económico depende en gran magnitud del tiempo que se vaya utilizar es recipiente de trabajo, es decir el tiempo en el que se mantendrá el hielo sólido antes de que empiece a derretirse considerablemente, teniendo bien en cuenta esto se puede dimensionar un recipiente muy apto para las condiciones que uno requiere.

4.2 RECOMENDACIONES

cuando se trabaja con el MathCad en la obtención de derivadas, integrales, siempre se debe definir una variable en función de las variables que lo componen, es decir:

Am x A1 A2 x2 x

lnA1

m2

A1 A2

x2

ln0.0266m A2 A1

x2A1

1

m2

A1 A2

x2

Así cuando se requiera la ecuación anteriormente definida para derivar la en otra esta brindará un resultado diferente de 0, que es lo que ocurre cuando no se define una variable en función a las componentes que tiene

A m 1.026 103 m2

BIBLIOGRAFÍA

Kurt Gieck, Manual de Fórmulas Técnicas, Editorial Alfaomega, 19ª edición. Edgar S. Peñaranda, Formato del laboratorio de térmicas

www.geocities.com/edgarspe/, 18-Marzo-2008. Ing. Jesús Gustavo Rojas Ugarte, Transferencia de Calor MEC-2251, Oruro. J. P. Colman, Transferencia de Calor, Editorial McGraw Hill, 8ª edición.

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