Reconocimiento del potencial energético de un sistema de ...

Reconocimiento del potencial energético de un sistema de escape para un

sistema de regeneración de energía en un vehículo

Presentado por:

Cristian Alejandro Rodríguez Zambrano

Código: 201123792

Proyecto de grado

Profesor Asesor

Luis Ernesto Muñoz Camargo

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

Mayo de 2016

ii

Abstract

El lograr incrementar la eficiencia en un motor de combustión interna es un avance que

puede revolucionar la industria automotriz. El estudio de pérdidas energéticas se vuelve un

asunto central si se quiere lograr dicho incremento. Visto esta posibilidad de desarrollo la

Universidad de Los Andes ya ha adelantado investigaciones en el tema buscando

implementar un termoeléctrico en la línea de escape.

Este proyecto pretende aportar, a la investigación ya adelantada, los sitios que se deben

estudiar en futuros trabajos, para lograr instalar un regenerador de energía. A partir de

imágenes infrarrojas se realizó un análisis previo, en el cual se proponen puntos que fueron

examinados con más detenimiento a través del uso de termopares. Fue necesario aprender

antes, a usar la cámara termo gráfica y a leer los datos obtenidos correlacionando una

escala de colores, con ciertos rangos de temperatura definidos por el software interno del

equipo detector de infrarrojos. Para completar la investigación con el uso de termopares,

se ejecutaron pruebas de ruta en las que se combinaron distintas condiciones de manejo:

Autopista, montaña y ciudad. Tras exponer el vehículo a distintos esfuerzos, se

interpretaron los datos térmicos en función de la pendiente del recorrido, altitud,

temperatura ambiente y velocidad instantánea. Los resultados demostraron que para

determinar un punto específico en la línea de escape para fijar el termoeléctrico, es

necesario seguir un protocolo divido en dos partes: Inspección con cámara térmica y lectura

de temperaturas puntuales en distintos condiciones de conducción. Finalmente no fue

posible determinar el punto requerido para la instalación del termoeléctrico ya que hace

falta una caracterización del mismo, sin embargo se encontró que el sistema de escape

presenta lugares en los que se alcanzan temperaturas altas y otros donde se obtienen

valores de temperaturas muy uniformes con variaciones bajas y estabilidad en todo el

recorrido.

Palabras Clave:

Cámara infrarroja, calor, energía, imagen, infrarrojo, línea de escape, sistema de escape,

temperatura, termoeléctrico, termopar.

Capítulo 1: Introducción 1

Contenido 1. Introducción ................................................................................................................................ 2

1.1. Motivación .......................................................................................................................... 2

1.2. Metodología de investigación/ Enfoque propuesto ........................................................... 3

1.3. Objetivos ................................................................................................................................. 4

1.3.1. Objetivo general .............................................................................................................. 4

1.3.2. Objetivos específicos ....................................................................................................... 4

2. Marco teórico y Estado del Arte ................................................................................................. 5

2.1. Calor en un sistema de escape ............................................................................................ 5

2.2. Termografía ......................................................................................................................... 7

3. Diseño experimental ................................................................................................................. 10

3.1. Inducción cámara termo gráfica ....................................................................................... 10

3.2. Determinación de emisividad en montaje conceptual ..................................................... 11

3.3. Determinación de emisividad en la línea de escape ......................................................... 13

3.4. Montaje estático con termopares ..................................................................................... 14

3.5. Línea de escape del vehículo ............................................................................................. 15

3.6. Mapeo térmico de la línea de salida ................................................................................. 16

3.6.1. Descripción lente Detector Infrarrojo ........................................................................... 17

3.7. Pruebas de Ruta ................................................................................................................ 17

4. Resultados y discusión .............................................................................................................. 19

4.1. Emisividad en el montaje experimental e incertidumbre de la cámara ........................... 19

4.2. Emisividad de la línea de escape ....................................................................................... 21

4.3. Uso de termopares: inducción y lectura ........................................................................... 21

4.4. Mapa térmico de la línea de escape ................................................................................. 22

4.5. Pruebas de ruta preliminares ............................................................................................ 27

4.6. Prueba final ....................................................................................................................... 29

4.7. En Autopista ...................................................................................................................... 33

4.8. En Montaña ....................................................................................................................... 34

4.9. En ciudad ........................................................................................................................... 36

5. Conclusiones y trabajo futuro ................................................................................................... 38

6. Bibliografía ................................................................................................................................ 40

7. Anexos ....................................................................................................................................... 41

7.1. Termoeléctrico seleccionado ................................................................................................ 41


1. Introducción

En la actualidad el mundo está presenciando una serie de problemas medio ambientales

preocupantes para el futuro de la vida en el la tierra tal como se conoce hoy en día.

Organizaciones en pro de la ecología están luchando a favor de la salud del planeta, ya que

esta degradación afecta recursos como agua y aire. La contaminación del aire se ha vuelto

en algo cotidiano; vivimos con constantes nubes de smog en todas las grandes ciudades,

además de numerosas enfermedades respiratorias. Sociedades como la National

Geographic, establecen que existen diversos modos de contaminación del aire visibles e

invisibles, lo único que se necesita es una sustancia toxica que entre en contacto con el

mismo; por ejemplo el dióxido de carbono, un gas del efecto invernadero, que se está

encargando de ser el principal protagonista del calentamiento de la Tierra. Este gas, genera

efectos negativos cuando se asocia a la quema de combustibles fósiles. Por consiguiente,

los principales causantes de esta problemática son los seres humanos al demandar una

necesidad energética que se puede suplir con la ayuda de este tipo de combustibles.

Los vehículos a motor de combustión interna, son el mejor ejemplo de fuentes generadoras

de daños que han afectado el planeta, debido a la gran dependencia que el ser humano ha

desarrollado en estos como fuente de movilidad; en consecuencia se han venido buscando

alternativas para lograr que estas máquinas reduzcan el impacto negativo sobre el medio

ambiente.

Para lograr reducir el perjuicio que generan los automóviles, se han planteado diversas

soluciones que se encargan de extraer un componente energético de diversos compuestos

y piezas de los vehículos, reduciendo la cantidad de derivados del petróleo necesarios para

transportarse. Entre las numerosas soluciones propuestas sobresale la regeneración de

energía a partir de distintos medios:

Energía cinética del vehículo

El calor disipado por las piezas del automotor

También se ha planteado suprimir el uso de combustibles fósiles, para lo cual hace falta

desarrollar aún más tecnología.

A partir de trabajos realizados en la Universidad de Los Andes, se va a utilizar regeneración

energética a partir del calor disipado. Desde esta idea se plantea evidenciar el potencial

eléctrico que esta energía desperdiciada puede llegar a ofrecer.

1.1. Motivación

La eficiencia en motores de combustión interna se ha convertido en un eje central para el

cuidado de la salud y para el crecimiento de la ingeniería mecánica. Aprovechar mejor el

uso de gasolina y de diésel puede significar un día más de vida para los vehículos tal y como

los conocemos hoy, mientras se encuentran alternativas mejores y mientras se logran

desarrollos palpables e investigaciones que hagan de las nuevas máquinas, no solo un


concepto, sino una realidad mucho más amigable que sea capaz de convencer a los

usuarios. Es necesario proponer soluciones inmediatas, y que las nuevas tecnologías

puedan desarrollarse con un poco más de calma y así crear un impacto que transforme el

mundo para bien.

En la Universidad de Los Andes se están investigando soluciones urgentes, con alternativas

que permitan alcanzar ese aumento de eficiencia. Mediante este proyecto de grado se

pretende exponer un método de medición con el fin de presentar la capacidad energética

en el sistema del escape de un vehículo, con la intención de aportar uno de los pasos

necesarios para lograr alcanzar el producto final; un sistema regenerativo de energía.

La capacidad energética será evidenciada desde la distribución de temperaturas en la línea

de escape, puesto que el aumento del valor de temperatura en una pieza se traduce a la

fuga de energía en forma de calor. Se presentaras distintas condiciones para cuantificar la

variación de temperaturas y como interpretarlas.

El uso de termografías y de termopares serán de uso esencial en esta investigación; este par

de instrumentos se usaran como la herramienta principal de adquisición de datos, y su

adecuada interpretación. Teniendo en cuenta diversas variables, se concederá como

resultado final locaciones claves en la línea de salida de gases, que podrán ser el sitio de

acople para el termopar seleccionado.

1.2. Metodología de investigación/ Enfoque propuesto

El sistema de escape fue definido en el trabajo que se ha venido efectuando previamente,

por lo cual el primer paso que se ejecutó fue entender que avances se han realizado y

conocer el estado actual del proyecto macro. A partir de esta etapa se conoce que los

acercamientos realizados, en cuanto a la determinación del lugar adecuado en el que se

puede fijar el termopar ha dado resultados diversos. En consecuencia, el paso a seguir fue

el entender cómo obtener temperaturas de figuras geométricas complejas semejantes a la

de un sistema de escape de un vehículo, abriendo la puerta a las imágenes infrarrojas como

medio más eficaz y sencillo. Fue necesario realizar acercamientos que permitieran entender

el funcionamiento de la cámara termo gráfica y como interpretar termografías.

Fue necesario contrastar información con la ayuda de termopares en localizaciones que se

consideraran importantes y mejorar la precisión de los primeros datos. Las pruebas se

efectuaron en el laboratorio de Dinámica Vehicular, con la intención de tener un ambiente

controlado y un conjunto de pruebas estáticas. Pruebas como las mencionadas previamente

proporcionan conocimiento sobre ciertos eventos que se encuentran sucediendo sobre el

sistema estudiado, y por consiguiente se pueden efectuar ciertas hipótesis que se

contrastarán con los resultados de pruebas dinámicas.

Al tratarse de una máquina, cuyo fin es trasladarse con peso y distintos puntos de

operación, es necesario realizar pruebas dinámicas, es decir con el carro en movimiento. Al


llevar a cabo las pruebas de ruta, se espera que el vehículo pueda ser llevado a trabajar bajo

distintas condiciones de operación, de manera que se asemeje a condiciones reales como

lo es ir en montaña, en el tráfico denso de la ciudad o en una autopista tranquila. A partir

de las condiciones esperadas se selecciona la ruta, se efectúan las pruebas y se contrasta la

información con aquella registrada previamente.

Este proyecto de grado pretende evidenciar la viabilidad del termoeléctrico como objetivo

mayor, teniendo en cuenta todas las limitaciones y enfocando el estudio a un

comportamiento netamente térmico en la superficie de la tubería del escape. Existen más

fenómenos que ocurren y que se han de tener en cuenta al momento de seleccionar un

lugar definitivo, como lo es por ejemplo la vibración, la caracterización del elemento

generador de energía e incluso el comportamiento interno de los gases.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo general

Identificar el potencial energético de un sistema de escape para la implementación de un

sistema de regeneración de energía basado en termoeléctricos.

1.3.2. Objetivos específicos

• Retomar el sistema de recolección de datos actual y proponer posibles mejoras para

optimizar este proceso.

• Comprender como funciona la cámara termo gráfica y entender su uso.

• Cuantificar la distribución de temperaturas en una línea de escape a partir de

pruebas estáticas y dinámicas.

• Determinar factores que afectan la distribución de temperaturas sobre el tubo de

escape.

Capítulo 2: Marco teórico 5

2. Marco teórico y Estado del Arte

Se presenta en este capítulo un punto de vista teórico de pérdidas de calor y baja eficiencia

en motores de combustión interna, especificando en que puntos es que más se hace

evidente esta disipación de energía, y se explican principios de la termografía. Esta muestra

teórica se realiza a partir de investigaciones realizadas en otros contextos y de la compañía

Fluke, fabricante de equipos termo gráficos.

2.1. Calor en un sistema de escape

Los vehículos con motores de combustión interna, tienen una eficiencia de conversión de

energía que se encuentra entre el 30% y el 40%. La energía en un motor de estas

características, es transformada desde una reacción exotérmica a trabajo mecánico. La

reacción con el carburante que no se transforma en una reacción mecánica se disipa en

forma de calor a través de distintas partes del automotor. Según los ingenieros J. S. Jadhao

y D. G. Thombare (2013) la distribución de las pérdidas energéticas se da de la siguiente

manera:

Figura 2.1 Energía en forma de calor que se pierde después de la reacción.1

Se observa que los gases que se producen después de la reacción de combustión poseen un

alto contenido calorífico, y son capaces de emitir una cantidad de energía equivalente a casi

un tercio de lo que se pierde. Jadhao y Thombare (2013), determinan que estos gases

alcanzan fácilmente una temperatura que se encuentra en un rango entre 450°C y 600°C.

Así mismo los ingenieros I.P. Kandylas y A.M. Stamatelos. (1999), previamente se habían

encargado de proponer un diseño de una sistema de escape teniendo en cuenta las distintas

configuraciones de la tubería y su geometría compleja. Entre sus mediciones encontraron

que un sistema de estos, sin importar el motor que se utilice posee un potencial

significativo, solo al ver la distribución de temperaturas (Figura 2.2).

Al comparar ambos estudios y analizar el sistema como una herramienta de transferencia

de calor donde la ecuación que gobierne el sistema sea:

1 Imagen tomada de Jadhao, J., & Thombare, D. (2013). Review on Exhaust Gas Heat Recovery for I.C.

Engine. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), 2(12).


�̇� = �̇�𝐶𝑝∆𝑇

Se observa que, si se exponen los gases y la línea de escape a temperaturas más bajas de

las que se encuentarn, como la del medio ambiente la perdida de calor es más que evidente.

Sin embargo esta perdida de calor puede ser amortiguada con el fin de que no existan

perdidas criticas y que se pueda beneficiar el rendimiento de un motor a cobustión interna

y por ende su eficiencia, a partir del aprovechamiento de este potencial energetico en esta

componente de cualquier vehiculo impulsado con combustibles fosiles.

Figura 2.2 Mediciones de temperatura de gases y de pared da tubería en función de velocidad. 2

Instalar un termoeléctrico es una solución para aprovechar el calor que se está

desaprovechando. La instalación de esta pieza exige conocer el potencial energético del

lugar donde se planea instalar, en este caso el sistema de escape. Para conocer este

potencial y así determinar el lugar más adecuado para colocar el elemento regenerador de

energía, es necesario conocer cómo se distribuye la pérdida de calor a lo largo del tubo de

escape.

La tubería, o el conjunto de tubos que componen el sistema de escape de un carro, hacen

que sea un sistema con formas geométricas complejas. Es necesario considerar distintos

2 Imagen tomada de Kandylas, I., & Stamatelos, A. (1999). Engine exhaust system design based on heat transfer computation. Energy Conversion and Management, 1057-1072.


métodos de medición de temperatura y de esta manera lograr entender el comportamiento

de la distribución de calor en todo el sistema. Entre las características que hay que tener en

cuenta para encontrar el método adecuado es importante que la geometría no sea un

problema y que se pueda realizar una medición tal que se evidencie el comportamiento

global de toda la pieza del vehículo.

Considerando las necesidades que se tienen, un acercamiento con imágenes infrarrojas

provistas por una cámara termo gráfica puede ser el medio más adecuado para realizar un

análisis global simplificado.

2.2. Termografía

Las imágenes obtenidas por termografía permiten entender de manera global como se

pierde calor a lo largo de la línea de escape. Esta herramienta permite simplificar el análisis

de la transferencia de calor que generan los gases sobre la tubería metálica, ya que el

observar los rangos de temperaturas a lo largo de toda la tubería se podrá asociar cada

punto y región a las pérdidas energéticas sin necesidad de detallar, por ejemplo el tipo de

flujo ni su comportamiento. No se ignora que existe radiación, convección forzada, o

conducción, estos son procesos que son esenciales para que ocurra la perdida de energía,

sin embargo no serán objeto de estudio ya que se busca determinar como tal el potencial,

y con solo la temperatura basta para una primera aproximación que se está ejecutando.

Las imágenes infrarrojas se pueden definir como la medición y cuantificación de la

temperatura superficial de objetos sin necesidad de estar en contacto con estos. Cada

imagen termo gráfica es única para cada objeto ya que cada uno cuenta con un valor de

emisividad y con una manera de emitir energía de manera distinta. Como su nombre lo

indica, las imágenes infrarrojas necesitan de un dispositivo que lea la banda de los rayos

infrarrojos Si la energía no es irradiada en esta banda estos dispositivos no leerán dato

alguno. Las imágenes infrarrojas se conocen también como imágenes térmicas, dado que lo

que se observa es un mapa de calor que emite el cuerpo. Este calor se lee como diferencias

de temperaturas, donde energía fluye de un cuerpo a otro sin importar su estado físico,

puesto que el calor es la energía de moléculas en movimiento. Por ende una cámara termo

gráfica mide la radiación de un cuerpo especifico, que emite una longitud de onda infrarroja,

o en otras palabra mide la propagación de ondas electromagnéticas. La imagen se toma e

internamente la computadora de la cámara la codifica asignando un color determinado a

cada rango de temperaturas. (Govindasamy, 2004)

Después de obtener una imagen térmica, se puede procesar también en un computador

con el software adecuado. Por ejemplo los equipos de la marca Fluke permiten editar

imágenes infrarrojas con el software SmartView. Este programa permite, no solo leer las

imágenes en un equipo de sistema operativo Windows o Mac, sino que en simultáneo se

pueden realizar informes y modificaciones necesarias sobre la termografía. La edición se


vuele en un paso esencial, pues se determina la temperatura ambiente y la emisividad de

la pieza estudiada.

Conocer la temperatura ambiente permite que la precisión con equipos de termografía

mejoren la precisión, ya que este tipo de elementos ópticos están ligados a la diferencia de

temperaturas que existe entre e objeto y su entorno.

Adicionalmente, es necesario poder determinar la emisividad del material de la pieza y con

la edición de la imagen se puede lograr este cometido. Los cuerpos irradiantes poseen un

valor de emisividad que se encuentra entre 0 y 1. La emisividad se define como el cociente

entre la intensidad de la radiación emitida a un determinado ángulo y longitud de onda, y

la radiación que emite un cuerpo negro. (Incropera, 2007) Un cuerpo negro se puede decir

es el emisor perfecto; su emisividad es de 1. A parte de cuerpos negros existen cuerpos

grises, los cuales absorben solo una fracción de la radiación. Se presenta a continuación

una tabla con valores característicos de emisividad publicado por Fluke Corporation (2009-

2013):


Figura 2.3 Valores de emisividad para materiales comunes3

3 Imagen Tomada de: Fluke Corporation. (1995-2016). Cámaras termográficas por infrarrojos: Un

manual para los técnicos de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

Obtenido de Notas de Aplicación: http://www.fluke.com/fluke/mxes/soluciones/camara-

termografica/notas-de-aplicacion/un-manual-para-los-tecnicos-de-sistemas-de-

calefaccion-ventilacion-y-aire-acondicionado

Capítulo 3: Proceso experimental 10

3. Diseño experimental

Este capítulo presenta el procedimiento seguido con el que se obtuvo la distribución de

temperaturas y posteriormente valores puntuales en algunos sitios específicos de la línea

de escape. Los pasos que se siguieron tienen como fin generar un método para efectuar

mediciones de pérdidas de calor en el sistema de salida de gases de un vehículo impulsado

por un motor a combustión interna.

3.1. Inducción cámara termo gráfica

La cámara termo gráfica es un instrumento capaz de capturar imágenes y procesarlas a

partir de la radiación infrarroja del objetivo a analizar. Debido a la geometría compleja de

la línea de escape en los vehículos y a la capacidad de la cámara de registrar en una sola

imagen la información de distribución de temperaturas sobre un área objetivo, fue escogida

como el instrumento para realizar el primer acercamiento de la tubería de salida de gases.

Con el propósito de conocer el funcionamiento y uso de la cámara, se realizó un primer

acercamiento a partir de un montaje sencillo. El montaje constaba de los siguientes

materiales: una estufa eléctrica, agua, una pequeña olla, cinta aislante y la cámara termo

gráfica con su respectivo trípode, en este caso se trató de una cámara Fluke Ti45 IR.

El experimento de inducción a las imágenes térmicas consistió en:

Montar la cámara en el trípode y colocarla a aproximadamente 30 cm de la mesa

donde estaba la olla y la estufa.

Colocar cinta aislante en la superficie de la olla

Llenar la olla con agua y calentarla durante 10 minutos.

Después de los 10 minutos apuntar la cámara hacia la olla donde se encontraba

adherida la cinta aislante y registrar las imágenes

Procesar las imágenes con la ayuda del software Smartview.

Figura 3.1 Montaje inducción detector de infrarrojo


Al finalizar el experimento se observó que para un correcto funcionamiento de la cámara,

de tal manera que los datos obtenidos sean válidos es necesario tener en cuenta que:

Es importante determinar la temperatura ambiente, debido a que con base en el

valor ingresado, internamente el instrumento elabora un pre procesamiento de

imágenes, en el cual se comparan los valores de radiación infrarroja obtenidos y

asignar un valor de temperatura a cada punto.

El digitar un valor correcto de emisividad es importante, ya que internamente la

cámara usa la ley de Stefan-Boltzman para estimar el valor de temperatura en cada

píxel. Para esto es útil la cinta aislante, porque posee un comportamiento similar a

la de un cuerpo negro, por tanto se puede comparar el valor de la emisividad del

material con base en el valor de temperatura medido sobre la cinta (Fluke

Corporation, 1995-2016).

El equipo de imagen térmica usado permite procesar cada imagen a través de una

tecnología de fusión, la cual permite ver la imagen totalmente a luz visible,

totalmente infrarroja o una mezcla de ambas, para cerciorarse que el objetivo

enfocado sea el adecuado.

Si se ha pasado por alto o no se tienen las herramientas necesarias para determinar

en el momento temperatura ambiente o un valor correcto de emisividad o no fue

bien enfocado el objetivo, se pueden editar las imágenes en Smartview, y completar

o corregir la información que se registró previamente.

3.2. Determinación de emisividad en montaje conceptual

Una vez se sabe cómo utilizar el detector infrarrojo, se procede a determinar la emisividad

del material del objetivo, en este caso la emisividad de la olla. Este montaje será una prueba

para replicarlo en un vehículo más adelante. Visto en trabajos previos, que las temperaturas

en la línea de escape pueden alcanzar valores superiores a los 600°C, por lo cual se cambia

la cinta aislante por termopares tipo K, con la intención de que el montaje en la línea de

escape resulte ser lo más similar posible al de la olla y de evitar que la cinta se derrita si se

monta en la tubería de la salida de gases.

Figura 3.2 Montaje conceptual con termopar tipo K


Se repiten los pasos del primer experimento con una modificación, tras llenar la olla con

agua se fija el termopar sobre la superficie de la olla, y se conecta a un equipo de registro

de datos de temperatura, Omega HH506RA.

Se registran varias imágenes con su respectivo dato de temperatura obtenido con ayuda

del termómetro Omega, con el fin de determinar el valor de emisividad y su respectiva

incertidumbre, que será calculada desde la dispersión de los datos, es decir a partir de la

desviación estándar de la media:

𝜎𝑚 = √∑ (�̅� − 𝑋𝑖)2𝑛

𝑖=𝑛

𝑛(𝑛 − 1)

Cuando se comparan las termografías, se observa que además de cambiar el valor de

emisividad entre imagen e imagen, la distribución axisimétrica de temperaturas esperada,

no ocurre. Por consiguiente fue necesario determinar la incertidumbre, no solo con base a

los diferentes valores de temperatura registrados, sino también a partir de la posición sobre

la circunferencia de la olla que se tome. Esta posición se puede determinar desde el ángulo

del arco.

Para determinar esta incertidumbre se parte desde la medida del diámetro de la olla, en la

altura donde se fijó el termopar. Con el uso del software para el tratamiento de imágenes

se traza una línea paralela a la superficie de la mesa, a la altura del termopar, que hace

referencia a una isoterma. Sobre la isoterma se seleccionan 5 puntos y se comparan los

valores de emisividad obtenidos cuando se iguala la temperatura de cada punto al del

termopar. Cada punto determina el ángulo en el cual se va a estudiar el objetivo. Este ángulo

de la posición seleccionada se determina con la siguiente ecuación:

cos 𝜃 =𝑙

𝑟

Donde 𝜃 es el ángulo del arco, 𝑙 la distancia desde el centro de la olla hasta el punto

seleccionado (viendo el objeto como un plano) y 𝑟 el radio de la olla. La incertidumbre del

ángulo se calcula de la siguiente manera:

𝜎𝜃 = |𝛿𝑙

𝛿𝜃∙ 𝜎𝑙| + |

𝛿𝑟

𝛿𝜃∙ 𝜎𝑟|

Con la incertidumbre del ángulo se puede dar el último paso de esta labor de exploración:

el cálculo del valor de incertidumbre de la emisividad. Puesto que la emisividad se

determina con ayuda de Smartview, y no a partir de un cálculo perceptible, el cálculo de

esta incertidumbre, a pesar de ser una variable indirecta, solo se puede determinar con la

aquel valor asociado al ángulo y a la dispersión de los valores de emisividad en cada punto

de la isoterma como se muestra a continuación:

𝜎𝜀𝜃= √𝜎𝜃

2 + 𝜎𝑚2


3.3. Determinación de emisividad en la línea de escape

La línea de escape es el elemento central del vehículo para este proyecto. Tras efectuar los

experimentos conceptuales se determinaron recomendaciones y una metodología para

lograr la adquisición de datos de la manera más adecuada. Por consiguiente es necesario,

antes de realizar un mapa de pérdidas de calor, determinar el valor de emisividad de la

tubería.

De acuerdo con el montaje conceptual, se pretenden replicar todos los pasos, con una

diferencia; en vez de usar una olla, una estufa y agua, se utiliza el sistema de salida de gases

de un vehículo. El carro al cual se tuvo acceso para la realización de este proyecto, fue una

Renault Duster 2.0 litros, modelo 2014 y de tracción 4x2. El tubo de escape de esta

camioneta se puede dividir en 3 secciones, la de salida del motor con un catalizador, la

sección intermedia con el primer silenciador y finalmente la última sección donde se

encuentra el segundo silenciador y la salida de gases al medioambiente.

La implementación del montaje se hace de la siguiente manera:

Se monta la camioneta sobre una rampa, elevando solamente las llantas delanteras.

Se seleccionan 2 puntos en donde se fijan los termopares con abrazaderas y se

conectan al equipo de lectura de datos.

Se enciende el carro y se espera entre 15 y 30 minutos hasta que las temperaturas

se estabilicen.

Teniendo presente las altas temperaturas del vehículo en la parte de que se va a

estudiar, se toma la cámara y se capturan varias imágenes sobre los puntos donde

fueron fijados los termopares.

Se registra en simultaneo la imagen con la cámara y la temperatura que indica el

equipo Omega.

Se procesan las imágenes y a partir de las temperaturas obtenidas con los

termopares, se determina la emisividad del tubo de escape.

Se determina la incertidumbre del valor obtenido con base en la dispersión de los

datos.

Figura 3.3 Montaje para determinar la emisividad del sistema de escape punto 1


3.4. Montaje estático con termopares

Los equipos de adquisición de datos facilitan el registro de datos. En esta ocasión se

pretende adquirir información continua, y por ende observar como varía la temperatura en

distintos sitios de la tubería de escape en función del tiempo. Por esa razón se decidió

realizar una aproximación experimental y entender el uso de termopares con un equipo de

adquisición de datos de la compañía National Instruments.

La prueba consistió en seleccionar cuatro puntos al azar, medir la temperatura de estos y

observar como variaba a través del tiempo, manteniendo el carro estático y encendido. Los

equipos usados fueron:

Tarjeta de adquisición de datos NI 9211

Chasis NI cDAQ 9172

4 Termopares tipo K

Abrazaderas metálicas

Computador con conexión USB para el chasis y software LabView

Figura 3.4 Adquisición de datos de temperatura a través dl tiempo. (a – b) Se presenta el montaje de los termopares y la tarjeta de adquisición de datos. (c) Termopares entre el catalizador y el pre-silenciador. (d) Termopares entre el pre-silenciador y el silenciador


Se presenta a continuación la manera como se ejecutó el ensayo:

Se lleva el carro sobre una rampa elevando solamente la parte delantera

Se acoplan 4 termopares en lugares al azar con la ayuda de las abrazaderas en esta

ocasión se fijaron 2 antes del pre-silenciador y después del catalizador, y las otras

entre los dos silenciadores

Se conectan los termopares a la tarjeta de adquisición de datos, que van acoplados

al chasis

Se conecta el chasis al computador

Con la ayuda de LabView se controla el chasis de tal manera que se pueda

automatizar el registro de datos

Se enciende el carro y se procede a correr el programa realizado en el software

registrando las temperaturas en un periodo de tiempo fijo

Se realizaba una inspección constante en los equipos y evitar que se presentaran

problemas en el proceso de adquisición

3.5. Línea de escape del vehículo

Figura 3.5 Imagen de toda la línea de escape del vehículo (Tubosil Escapes SJE, s.f.)

Con el objetivo de realizar un mapeo térmico de la línea de escape, es necesario conocer

las piezas que componen todo el sistema de escape. La figura 3.5 presenta una imagen de

toda la línea se escape y sus partes. Se puede observar que la tubería está compuesta por 3

partes principalmente: Catalizador, pre silenciador y silenciador, en donde el catalizador es

el lugar más cercano al motor y el silenciador es el más lejano. Estas 3 secciones están

conectadas entre sí por tubería de 40mm de diámetro y soldadas entre sí. El mapa térmico

se realizará analizando todas estas piezas ya ensambladas y sometidas a alta temperatura

generada por los gases del vehículo, tras encenderlo y permitir que se equilibre la

temperatura de todo el conjunto de tubos.


3.6. Mapeo térmico de la línea de salida

Una vez se conoce y entiende el funcionamiento de la cámara termo gráfica, se inicia en

mapeo de calor sobre toda la superficie de la línea de escape, de tal modo que se pueda

apreciar la distribución de temperaturas en toda la tubería.

Se proponen tres métodos que permitan conseguir este mapeo:

A. Capturar una sola imagen de toda la línea de escape

B. Capturar varias imágenes manualmente colocándose debajo del carro

C. Capturar varias imágenes con la opción de obturación automática propia del equipo

Considerando unos criterios determinados se selecciona la opción más adecuada que

permita completar la termografía completa del sistema de escape. Cada criterio se califica

para cada método otorgando 3 calificaciones 0, 5 y 10, donde 0 es el valor más bajo y 10 el

más alto. Al final se suman las calificaciones y el que posea el valor total más alto se

selecciona:

Método de medición Criterios

A B C Argumento

Ejecución del montaje 10 5 5 Que tan complejo es el montaje requerido para realizar la medición

Nivel detalle del lente 0 10 10 La cámara posee un lente para objetivos cercanos y el criterio A necesita una distancia considerable*

Uniformidad de la imagen 10 0 5 Que tan uniforme es la termografía final al mostrar el sistema de escape en su totalidad

Facilidad en la obtención de imágenes

10 0 5 Se examina la complejidad del procedimiento para registrar las imágenes infrarrojas necesarias

Tratamiento de datos 10 0 5 La complejidad de llevar los datos obtenidos a Matlab para presentarlos

Estructura requerida para montaje 0 10 10 Se relaciona con el acceso que se tiene a una gruta, rampa o torreta para materializar el montaje

Total 40 35 50

Se realiza una sumatoria de los puntajes obtenidos en total donde el nivel de detalle del lente tiene doble valor por su importancia

Tabla 3.1 Criterios de selección para mapeo de la línea de escape


*Se presenta una especificación del lente que posee la cámara después de la tabla

3.6.1. Descripción lente Detector Infrarrojo

El lente que está instalado en el detector infrarrojo, es un lente térmico de 20mm con

campo de visión (FOV) de 23° x 17°. Este campo de visión está asociado a un rectángulo en

el que horizontalmente hay 23° entre cada extremo de la imagen y 17° verticalmente entre

los extremos restantes de la imagen. El ángulo se mide tomando como referencia la

distancia focal. Esto quiere decir que el lente es capaz de tomar imágenes de gran tamaño

debido a sus ángulos, hecho por el cual, si se quiere tomar una captura a distancia, esta

captura va a presentar un gran tamaño y muchos elementos, pero pocos detalles del

objetivo, ya que cada pixel va a tener información de varios elementos en simultaneo,

mientras que si se utiliza un lente de larga distancia se tienen ángulos más pequeños y en

consecuencia una imagen más pequeña en donde cada pixel va a aportar una información

más puntual del objetivo, en otras palabras se concentran más pixeles sobre un mismo

objeto. (Fluke Corporation, 2010)

3.7. Pruebas de Ruta

Finalmente, tras completar las pruebas estáticas en ambiente controlado, se empiezan las

pruebas de ruta en las que se pretenden realizar estudios en condiciones reales. En otras

palabras el paso que se lleva a cabo ahora es exponer el vehículo a condiciones de manejo

asociadas a autopista, montaña y tráfico de ciudad, a fin de comprender el comportamiento

en la distribución de temperaturas en puntos críticos determinados con la ayuda de las

imágenes térmicas previamente obtenidas, con las que se ensamblo el mapa de la tubería

de salida de gases.

Fue necesario determinar en primera instancia, una ruta que presentara las condiciones

previamente mencionadas. Se requería una vía en la que se combinara autopista, y observar

el comportamiento cuando se le exige poco al motor, montaña, en donde la exigencia para

subir exigiera al vehículo, y conducción dentro de la ciudad, en donde se presentan eventos

al azar, embotellamientos, vías en mal estado, posibilidad de ir a velocidades constantes en

tramos cortos, etc.

Alrededor de Bogotá se encontró una ruta que podía combinar todas las condiciones

expuestas: Bogotá-La Vega-Cota-Bogotá.


Figura 3.6 Recorrido seleccionado con su respectivo perfil de elevación

Para la prueba preliminar se realizaron dos recorridos de la ruta, en los cuales se usó para

ambos la misma distribución de los termopares, 2 entre el catalizador y el pre-silenciador,

separados por un sensor que tiene la tubería en esa zona, uno en el pre-silenciador cercano

al extremo que se encuentra más próximo al motor, y finalmente 2 más entre los 2

silenciadores, separados por la forma curva que posee el sistema de escape.

En esta prueba preliminar se registraron los datos de temperatura a través del tiempo.

Adicionalmente se determinaron ciertos factores que influían las mediciones registradas, y

de esta manera preparar los requerimientos de una prueba de ruta final.

Esta prueba de ruta final fue una réplica del recorrido seguido previamente. Existieron 3

modificaciones frente a las rutas experimentales; se utilizó un equipo GPS capaz de registrar

el recorrido en tiempo real, se midió la temperatura exterior y se cambió la localización de

uno de los termopares que se encontraban entre el catalizador y el pre-silenciador, con el

objetivo de valorar la variación de temperatura en el catalizador, viendo que era el punto

más cercano al motor que no violaba alguna restricción geométrica que impidiera la

instalación del termoeléctrico escogido.

Capítulo 4: Resultados y discusión 19

4. Resultados y discusión

En este capítulo se presentan los resultados obtenidos y el análisis de los mismos tras cada

paso experimental completado. La única prueba de la cual no se obtuvieron resultados

cuantificables, fue la prueba de inducción a la cámara termo gráfica, ya que fue una prueba

para aprender a usar el dispositivo.

4.1. Emisividad en el montaje experimental e incertidumbre de la cámara

La emisividad se calculó tomando cada imagen infrarroja capturada, y se comparó la

temperatura registrada con el termopar con el punto más cercano al mismo analizado

desde la imagen térmica. Se muestra a continuación una tabla con los valores calculados.

Figura 4.1 Imagen obtenida para determinar la emisividad de la olla

ID imagen T termopar [°C] T Smart View [°C] Error

relativo Emisividad

263 92.2 92.3 0.1% 0.40

264 90.2 90.4 0.2% 0.43

265 88.8 88.4 0.5% 0.44

266 89.3 89.1 0.2% 0.48

267 91.3 91.5 0.2% 0.49

268 90.8 90.3 0.6% 0.35

270 92.4 92.1 0.3% 0.42

271 93.1 92.9 0.2% 0.40

272 93.0 93 0.0% 0.32

273 93.3 92.8 0.5% 0.35

Media de la emisividad 0.41

Incertidumbre por dispersión de la muestra 0.02 Tabla 4.1 Calculo de la emisividad de la olla montaje experimental

Con base en los resultados de la tabla 4.1, la emisividad de la olla es de 0.41, sin embargo

la incertidumbre de este valor no solo está determinado por la dispersión de datos, ya que

se observó en el proceso de análisis de imágenes que no se da la simetría axial que se

espera. Por lo tanto se va a determinar la incertidumbre según la variación del ángulo en el

cual se detalle un objeto cilíndrico.


Se seleccionó una imagen y sobre ella se escogieron 5 puntos, y conociendo el diámetro de

la olla se escaló la medida del lugar donde estaba localizado cada punto, de esta manera se

obtuvo el ángulo.

cos 𝜃 =𝑙

𝑟

Con el ángulo se determina su incertidumbre asociada a su medición en donde la resolución

del instrumento de medición usado para escalar la imagen es de 0.1 cm. Por tanto:

𝜎𝜃 = |𝛿𝑙

𝛿𝜃∙ 𝜎𝑙| + |

𝛿𝑟

𝛿𝜃∙ 𝜎𝑟|

Se presentan la estimación de la incertidumbre del ángulo:

l (cm) r [cm] θ (rad) 𝜎𝜃

0.2 5.3 1.5 0.02

5.3 5.3 0.0 0.02

2.8 5.3 1.0 0.03

4.7 5.3 0.5 0.08

1.6 5.3 1.3 0.03

𝜎𝜃 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 0.04 Tabla 4.2 Valor promedio de la incertidumbre de la estimación del ángulo

Ahora se debe calcular la incertidumbre por dispersión de las emisividades determinadas

para igualar las temperaturas de la isoterma con la del termopar.

ID Punto ε

1 0.41

2 0.41

3 0.36

4 0.33

5 0.28

Promedio 0.358

Incertidumbre por dispersión

0.02

Tabla 4.3 Incertidumbre de la temperatura sobre la isoterma trazada en la imagen seleccionada

Ya teniendo todos los valores asociados a la incertidumbre de la emisividad se procede a

calcularla

𝜎𝜀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= √0.022 + 0.042 ≈ 0.04

Se puede así decir que el valor de la incertidumbre de la emisividad de olla usando la cámara

infrarroja es de ±0.04.


4.2. Emisividad de la línea de escape

El proceso para determinar la emisividad en la tubería de escape es bastante similar al que

se siguió en la determinación de la emisividad de la olla. Se presenta una diferencia

importante entre ambas pruebas, esta es que se usan dos puntos para acoplar dos

termopares en el sistema de escape. Esto se hace porque sin importar el punto que se

estudie, el material de la tubería es el mismo, por tanto la emisividad es la misma.

Igualmente, se usa el valor de incertidumbre generado por la variación del ángulo, ya que

el instrumento de medición es el mismo. Entre este y la variación entre los valores de

emisividad adquiridos se determina la incertidumbre total.

Cámara ID Temperatura [°C] Error

Relativo Emisividad

Termopar Smartview

274 173.3 173.6 0.17% 0.48

275 174.5 175.5 0.57% 0.48

276 175.7 174.8 0.51% 0.39

277 173.1 173.3 0.12% 0.40

280 123.4 124.4 0.81% 0.31

281 124.4 123.2 0.96% 0.34

Media 0.40

Incertidumbre total ± 0.05 Tabla 4.4 Emisividad línea de escape

Si se compara el valor en la incertidumbre de la emisividad tanto para la olla como para el

escape, es evidente que son valores representativos con base al valor medio. Esto quiere

decir que la cámara termo gráfica no es una herramienta para determinar con una precisión

muy alta la temperatura de un objeto, sino que es un instrumento que permite determinar

anormalidades en un sistema a partir de una lectura adecuada de las imágenes. Cabe

resaltar que la cámara termo gráfica permite leer con facilidad rangos de temperatura, son

estos rangos asociados a una paleta de color, los que permiten interpretar las imágenes. Se

presentan rangos no temperaturas puntuales.

4.3. Uso de termopares: inducción y lectura

Con las imágenes infrarrojas se tiene un registro puntual en un momento determinado, no

obstante para este proyecto es necesario determinar un método que permita observar los

cambios de temperatura en un trascurso de tiempo continuo.

Se realiza el montaje descrito en el capítulo 3.4, y se utilizan termopares tipo K, previendo

que las temperaturas puedan llegar a alcanzar los 900°C.

A continuación se presentan los resultados obtenidos, donde T0 es la temperatura en el

punto más cercano al catalizador, T1 es la temperatura del punto que se encuentra justo


antes del primer silenciador, T2 hace referencia al punto que se encuentra justo después del

primer silenciador y por último T3 describe la temperatura en el punto más lejano al motor.

Figura 4.2 Distribución de temperaturas en prueba estática después de 23 min

Las curvas presentadas en la figura 4.5, evidencian un comportamiento esperado, debido a

que a medida que transcurre el tiempo la temperatura aumenta gradualmente,

adicionalmente se evidencia una relación entre los valores de temperatura y la distancia

desde el motor hasta el último termopar. Al ser una prueba estática en la que el motor

permanece prendido sin esfuerzo alguno, no es posible determinar qué tan altas pueden

ser las temperaturas que se pueden llegar a alcanzar.

4.4. Mapa térmico de la línea de escape

El detector infrarrojo es una herramienta de inspección que facilita la interpretación de las

fugas de calor a partir de rangos de temperaturas. Si existe una superficie cuyas pérdidas

de calor son más críticas en comparación con el resto de la línea, posiblemente es un punto

con una fuga anormal. Este sitio es interesante para este proyecto, porque el acoplar el

termoeléctrico allí, probablemente permitirá aprovechar esa energía desperdiciada.

De ahí sale la idea de realizar un mapa general de todo el sistema de escape. El mapeo

propuesto se realiza a partir del método seleccionado en el capítulo 3.5. El mapa térmico

se presenta en breve.


Figura 4.3 Sección A) línea de escape4 y sus imágenes infrarrojas asociadas

4 Imagen tomada de Tubosil Escapes SJE. Escapes originales Renault Duster http://www.tubosilescapes.com.ar/productos.php?producto=770&linea=4&marca=20&modelo=252%20&version=528

Sentido del flujo


Figura 4.4 Sección B) línea de escape5 y sus imágenes infrarrojas asociadas


Sentido del flujo


Figura 4.5 Sección C) línea de escape6 y sus imágenes infrarrojas asociadas


Sentido del flujo


Figura 4.6 Sección D) línea de escape7 y sus imágenes infrarrojas asociadas


Sentido del flujo


Las temperaturas más altas se sitúan hacia los puntos más cercanos al motor. Existe una

zona puntual en la que la temperatura es muy alta, este es un sensor en el escape que al

estar fabricado en otro material, la emisividad altera el comportamiento que percibe la

cámara considerablemente. A parte de este punto, el comportamiento es consecuente con

los datos registrados con los termopares y no existe algún sitio puntual en el cual exista una

fuga de calor de gran importancia.

4.5. Pruebas de ruta preliminares

Ya que en el mapa térmico no evidencia zonas cuya pérdida de calor se anormal, se

seleccionan 5 puntos para las iteraciones de la prueba de ruta. Los puntos seleccionados

son: dos entre el catalizador y el silenciador, uno antes del sensor (Temp_1) y el otro

después (Temp_2) del sensor, ya que en el mapa térmico se observó que los valores de

temperatura más altos se encuentran en esta zona; el tercer punto es cerca al inicio del pre-

silenciador (Temp_3), ya que se observa un comportamiento muy uniforme sobre todo el

tubo, en donde al iniciar y al finalizar el silenciador se percibe el mismo rango de

temperaturas; el siguiente punto es después del pre-silenciador (Temp_4), viendo que

puede haber un leve incremento de temperatura por el cambio de sección; finalmente el

último punto es después de la primera curva del tubo antes del silenciador y después del

pre-silenciador (Temp_5), previendo mayor transferencia de calor sobre la superficie del

tubo debido al cambio de dirección del flujo.

Se presentan los datos registrados para el primer recorrido, el cual se dividió en tres

secciones:

Figura 4.7 Temperaturas en 5 puntos distribuidas a través del tiempo en Autopista y descenso de montaña


Figura 4.8 Temperaturas en 5 puntos distribuidas a través del tiempo en el inicio del ascenso

Figura 4.9 Temperaturas en 5 puntos distribuidas a través del tiempo en ascenso y en cuidad

Para confirmar que los datos no presenten anomalías, se realiza una repetición de la prueba, en

esta ocasión se presentó más tráfico de vehículos en la vía.


Figura 4.10 Temperaturas en 5 puntos seleccionados a través del tiempo a lo largo de toda la ruta tomadas en la repetición de la prueba

Se observan en ambos casos dos hechos muy concretos, el primero es que la temperatura

del silenciador no presenta oscilaciones tan bruscas y su valor es inferior al que registra el

termopar que se encuentra detrás de este. El segundo es que las temperaturas de los

termopares 1 y 2, son bastante semejantes, por consiguiente, analizarlos como puntos

aparte no aporta información adicional en comparación a seleccionar un solo punto entre

los 2. Se recomienda, entonces, usar un nuevo punto que permita adquirir información

distinta y determinar la temperatura ambiente, porque es un factor que altera las demás

mediciones. Igualmente es necesario que al obtener los resultados de la prueba final sean

consistentes con aquellos obtenidos en los procesos de ensayo ya que serán los parámetros

para que la prueba sea válida.

4.6. Prueba final

Siguiendo la recomendación de las pruebas preliminares, aparece un nuevo lugar para fijar

el termopar: el catalizador. Simultáneamente aparece un nuevo dispositivo de medición de

temperaturas, este registrará la temperatura exterior del vehículo.

En esta prueba existió un nuevo factor que no puede ser controlado, como consecuencia

del cambio climático, en este recorrido se sufrió una lluvia intensa que altero las

mediciones.

Igualmente en esta etapa final de medición se realizaron mediciones de velocidad, de altura

y se registró la localización satelital. Esta información permite entender con mayor precisión

que estaba sucediendo en cada instante, y así relacionar incrementos o disminuciones de

temperatura con ascensos, descensos o alta afluencia vehicular.


Figura 4.11 Temperaturas de 5 lugares a lo largo de la línea de escape, y temperatura del ambiente en el recorrido total

Estas curvas muestran la misma tendencia de las pruebas preliminares, en donde el

silenciador posee temperaturas muy bajas, en comparación a los puntos previos y

posteriores. El catalizador tampoco presenta las temperaturas altas que se esperaban

teniendo en cuanta la información registrada en el mapa de calor, esto sucede porque

dentro del catalizador y del silenciador existen elementos que afectan el flujo de gases, por

tanto la transferencia de calor a la superficie no se da con el mismo gradiente que en los

demás puntos. Antes de completar la hora de recorrido se presentó la lluvia intensa que

descendió significativamente las temperaturas. El agua a temperatura ambiente fue

suficiente para refrigerar la tubería.

Figura 4.12 Velocidad medida en el recorrido total y velocidad media

Para entender la incidencia de la velocidad en la temperatura se comparan las curvas de

manera simultánea y cuando las velocidades son más bajas hay incremento de calor. Una


causa de este fenómeno es que a bajas velocidades se está forzando el vehículo a subir

pendientes o que hay tráfico intenso que exige el carro a acelerar y frenar constantemente.

Figura 4.13 Altitud registrada con GPS y calculada a partir de la latitud y longitud durante el recorrido completo

Al relacionar la altitud con la temperatura, es importante tener en cuenta la pendiente

(figura 4.11). El analizar al tiempo las 3 gráficas muestra en que puntos fue mayor el

esfuerzo al que fue sometida la camioneta, que tan simplificada esta la curva de altitud, ya

que es una aproximación que se logra con ayuda de satélites de la NASA. La curva de

pendiente y altitud calculada se obtuvo gracias al software GPS Visualizer, cuya base de

datos está basada en datos de la administración espacial y aeronáutica de los Estados

Unidos.

Figura 4.14 Pendiente en función del tiempo y de distancia

A pesar de que la subida más fuerte se hace empezando el minuto 60 hasta el 100, en donde

se suben 2000 metros aproximadamente, la pendiente más fuerte se encuentra en la


primera inclinación antes del minuto 20. En términos de temperatura no es muy marcado

este evento, no obstante la velocidad del carro se ve afectada, traduciendo el evento en un

gran esfuerzo del vehículo. Si está pendiente se prolongara por más tiempo, la temperatura

se vería considerablemente afectada. Igualmente se observa que el análisis que permite

hacer el modelo paramétrico de la Nasa, se presentan irregularidades a lo largo de todo el

trayecto. El pico más alto de pendiente que se presenta, se traduce en la temperatura más

alta como era de esperarse. Tras este incremento se observa un descenso sumamente alto,

las temperaturas bajan al tiempo y se aprovecha la inercia del vehículo en bajada, por lo

que el carro no siente esfuerzo alguno.

Figura 4.15 Distancia Total del recorrido

Se calculó una distancia relativa a partir de las coordenadas de GPS, en donde si el valor es

muy alto quiere decir que se encuentra lejos del punto de partida, y si la distancia relativa

posee un valor pequeño, se está transitando por un sitio cercano al punto de partida. Este

valor se obtiene realizando un cálculo sencillo de la distancia entre dos puntos:

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 = √(𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑛 − 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)2 + (𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑛 − 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)2)


Figura 4.16 Distancia relativa desde el punto de origen

El máximo en la curva establece el punto en donde se inició el retorno, aproximadamente

al minuto 60, cuando los valores tienden a 0 ocurren varias situaciones, debido a curvas en

la ruta, no se percibe un alejamiento del punto de inicio, se está pasando cerca al punto de

inicio o no hay movimiento debido al tráfico o a semáforos por ejemplo. La confiabilidad de

la misma depende de la precisión de los valores medidos. Con esta curva también se puede

afirmar que hacia el minuto 110 se está tomando la variante hacia Cota.

4.7. En Autopista

Figura 4.17 Distribución de temperaturas en Autopista


Figura 4.18 Velocidad instantánea en Autopista

Para interpretar los datos de una manera más sencilla se dividieron en tres segmentos

relacionados con el nivel de esfuerzo al cual fue sometido el vehículo. El primer segmento

es conducción en Autopista.

El factor que más influye en la temperatura del escape mientras se conduce en autopista

plana es la velocidad, pues mientras más constante sea, el valor de la temperatura va a

permanecer igualmente constante, ya que el motor no está siendo sometido a grandes

esfuerzos. En efecto es este tipo de condiciones en las que se logran los puntos más altos

de eficiencia porque el vehículo puede trabajar en largos periodos de tiempo en el punto

de operación para el cual fue diseñado el motor.

De esta manera si se observa la velocidad instantánea y se compara con la distribución de

temperaturas, se observa que la velocidad se trató de mantener constante, los puntos en

los que más varía se debe a un peaje y a reductores de velocidad por perímetro urbano. El

mantener la velocidad en valores muy cercanos permitió que una vez la temperatura se

encuentra estable, se mantenga en un rango de valores muy próximos entre ellos, es decir

que se tienen temperaturas que tienden a ser constante. El lugar en donde este

comportamiento se hace más evidente es en el termopar del pre-silenciador, el cual tiene

un comportamiento sin oscilaciones significativas y una vez estable parece ser una línea casi

recta sobre un solo valor.

4.8. En Montaña

El segundo segmento es conducción en montaña, el cual va dirigido al ascenso, ya que al

subir la montaña se está exigiendo al vehículo. Se necesita fuerza para elevar la carga del

automóvil y sus ocupantes sobre una inclinación y esa fuerza se logra llevando el motor a

altas revoluciones y velocidades bajas, por ende la pendiente y altitud son determinantes.


Figura 4.19 Distribución de temperaturas en ascenso

Figura 4.20 Altitud y pendiente en ascenso de montaña

En este caso, tras observar la distribución de temperaturas, la pendiente y el perfil de la

montaña en términos de altitud, se observa que sin necesidad de llegar al punto más alto

de la montaña se registran temperaturas altas, demostrando que la pendiente a lo largo de

toda la subida es el factor que se encarga de afectar las temperaturas. En los lugares en los

que la pendiente es más alta se tiene un pico de temperatura alta. Igualmente el estar el

lugar más alto de la montaña implica una exigencia más: trabajar con menor cantidad de

oxígeno. Esta mezcla de trabajar con pendiente pronunciada y menor cantidad de oxigeno

hace que el carro exija de una manera importante al motor pidiéndole fuerza, toda la que

pueda dar para mover todo el vehículo y su carga. Es por eso que en la cima de la montaña

se registran los picos más altos de temperatura, pues exigir el motor implica que hay que


trabajar a altas revoluciones consumiendo más gasolina y por tanto se emite un volumen

de gases superiores a los de otras condiciones, y mayor volumen de gases calientes implica

mayor transferencia de calor.

4.9. En ciudad

El último segmento es conducción en ciudad, en donde el vehículo se acelera y se frena de

manera repetida en periodos de tiempo cortos.

Figura 4.21 Distribución de temperaturas en ciudad

Figura 4.22 Velocidad instantánea en ciudad

El factor más importante en este caso es la velocidad, ya que el acelerar y frenar en periodos

muy cortos hace que el motor no pueda trabajar de manera constante. Generando una


distribución de temperaturas casi al azar, ya que es difícil predecir la condición del tráfico.

Sin embargo, si se observa detenidamente, cuando el vehículo frena, y se mantiene en

velocidades bajas o completamente quieto, la temperatura tiende a bajar, cuando se

acelera la temperatura tiende a subir, por tanto se tiene un comportamiento que oscila

bastante en todo el recorrido dependiendo del tráfico, desperfectos en la vía y semáforos

entre otros. Es en ciudad en donde el termoeléctrico podría presentar mayores

inconvenientes, debido a que, si se observan en simultaneo las figuras 4.21 y 4.22, se

observa que en la temperatura oscila a la par que la velocidad, presentando diferencias de

temperaturas en un mismo termopar de hasta 150°C en el recorrido. Si se implementara un

termoeléctrico, en un momento se podría tener una diferencia de temperaturas entre las

superficies del termopar de 220°C y al poco tiempo solo disponer de 370°C violando el

rango de operación de temperaturas del termoeléctrico (Datasheet del módulo

termoeléctrico en Anexos).

Capítulo 5: Conclusiones y trabajo futuro 38

5. Conclusiones y trabajo futuro

En primera instancia se determinó que la cámara termo gráfica no debe ser considerada

como un termómetro, es un equipo que lee la radiación de un material a partir de varias

condiciones contextuales, la humedad, la temperatura, la cantidad de luz, la capacidad de

reflexión del material, y en consecuencia, su incertidumbre es bastante alta. Esta

herramienta está diseñada para describir rangos de temperaturas, y a partir de rangos

amplios pero fuertemente delimitados a partir de una paleta de colores, determinar

anomalías en una instalación o sistema.

Viendo las restricciones de las imágenes infrarrojas, es necesario buscar y seleccionar

termómetros de contacto, preferiblemente, ya que el fenómeno de conducción de calor es

más fácil de controlar y entender. Por esa razón se propone el uso de termopares, porque

a pesar de que determinar temperaturas en grandes superficies con estos es más difícil, al

momento de seleccionar una región puntual permite obtener mayor precisión y

adicionalmente permite observar la evolución de la temperatura en el tiempo.

En cuanto a los datos obtenidos, se observa cierta similitud con trabajos previamente

realizados, otorgándole credibilidad al proyecto. Es importante saber interpretar los

resultados obtenidos y correlacionar todas las variables que alteran el proceso de medición.

El haber correlacionado la cámara infrarroja y los termopares desde un procedimiento

iterativo, facilitó el establecimiento de los pasos necesarios para conseguir evaluar la

capacidad energética que tiene la línea de escape. Estos pasos se presentan a continuación:

Para iniciar se debe realizar una lectura con el detector de imágenes infrarrojas

sobre el escape y observar las fugas críticas en el sistema.

Seguido de este paso se deben seleccionar puntos específicos, en donde se fijaran

los termopares y realizar pruebas de laboratorio, (preferiblemente estáticas y

dinámicas)

Se realiza una lista de hipótesis a partir de las pruebas de laboratorio y se plantean

observaciones para la prueba de ruta.

Se selecciona una o varias rutas en donde se logre estudiar el comportamiento de

las temperaturas en autopista, montaña y ciudad.

Se ejecuta la prueba de ruta registrando localización GPS, temperatura del exterior

y velocidad en función del tiempo.

Se correlacionan todas las variables para extraer condiciones. Si es necesario se ha

de repetir una o varias pruebas si los datos no son concluyentes.

Para determinar el sitio de instalación del termoeléctrico es necesario conocer la

distribución de calor en el sistema de escape, vibraciones, y otros fenómenos además de la

ficha técnica del equipo recuperador de energía, ya que características del mismo pueden

verse afectadas por barreras propias del escape, como por ejemplo la geometría compleja

Capítulo 5: Conclusiones y trabajo futuro 39

o líneas de soldadura que imposibilitan el contacto de toda la superficie del termoeléctrico

con la tubería.

Con base a los datos registrados no se puede concluir el sitio adecuado para instalar el

termoeléctrico, porque hace falta una caracterización más detallada del equipo. Por

consiguiente se proponen dos lugares que parecen interesantes, el primero es la sección

que se encuentra entre el silenciador y el catalizador por las altas temperaturas que alcanza,

(es el punto más caliente en el segmento estudiado), o sobre el silenciador, pues debido a

su geometría permite la instalación de varios termoeléctricos y los datos registrados

revelaron que es un lugar capaz de mantener una tendencia uniforme evitando variaciones

fuertemente marcadas en el valor de temperatura.

Se recomienda en trabajos futuros, tener acceso a una caracterización detallada del

termoeléctrico, y por tanto, entender que es más importante altas temperaturas o

uniformidad sobre esta variable. Se sabe que el equipo de recuperación de energía exige

una diferencia de calor entre sus superficies, viendo los efectos de la lluvia sobre las

temperaturas del escape, se aconseja estudiar si los efectos sobre el regenerador son

semejantes a los de la tubería de escape.

Adicionalmente es necesario buscar como estabilizar las temperaturas en ciudad, porque la

mayor parte del tiempo, las personas conducen dentro de la ciudad y están expuestas ala

comportamiento impredecible de tráfico que altera de sobre manera el funcionamiento del

termoeléctrico.

Capítulo 6: Bibliografía 40

6. Bibliografía

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técnicos de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Obtenido de Notas

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acondicionado

Fluke Corporation. (2009-2013). Emissivity Values of Comon Materials. Obtenido de

http://support.fluke.com/find-sales/Download/Asset/3038318_6251_ENG_A_W.PDF

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http://www.tubosilescapes.com.ar/productos.php?producto=770&linea=4&marca=20&m

odelo=252%20&version=528

Capítulo 7: Anexos 41

7. Anexos

7.1. Termoeléctrico seleccionado

El termoeléctrico seleccionado pertenece a la compañía Hi-Z Technology Inc. Se seleccionó

el termoeléctrico de referencia HZ-20 y se presenta la ficha técnica a continuación. (Hi-Z

Technology Inc., s.f.)

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