UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRÍZ
ANÁLISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE
PRECALENTAMIENTO DEL CONVERTIDOR CATALÍTICO
PARA VERIFICAR EL DESEMPEÑO EN LA REDUCCIÓN DE
GASES CONTAMINANTES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
AUTOMOTRIZ
JORGE SEBASTIÁN GONZÁLEZ HERNÁNDEZ
DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN MSC.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1718243320
APELLIDO Y NOMBRES: Jorge Sebastián González Hernández
DIRECCIÓN: Quito – San Antonio – Mitad del mundo
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022396911
TELÉFONO MOVIL: 0992661156
DATOS DE LA OBRA
TITULO: ANÁLISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE
UN SISTEMA DE PRECALENTAMIENTO DEL CONVERTIDOR CATALÍTICO PARA VERIFICAR EL DESEMPEÑO EN LA REDUCCIÓN DE GASES CONTAMINANTES
AUTOR O AUTORES: Jorge Sebastián González Hernández
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
Septiembre del 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Alex Guzmán
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras En la actualidad los grandes investigadores enfocan su desarrollo en la protección ambiental debido al calentamiento global y a los gases de invernadero por lo cual en el presente estudio se analizó la conservación y transferencia de energía, termodinámica con sus leyes, mecánica de fluidos con las fuerzas que actúan sobre un fluido, los gases resultantes de la combustión como son el CO, CO2, NOx, HC, la mezcla estequiométrica o factor lambda, el
funcionamiento de los convertidores catalíticos, los elementos y materiales que lo componen, las respectivas transformaciones químicas que se llevan a cabo dentro de los mismos mediante el proceso de oxidación y el proceso de reducción, sea de dos vías o tres vías, los precalentadores y su aplicación dentro de la industria automotriz, tomando como principal referencia los precalentadores de los motores diesel, de igual manera se consideró tres diseños tentativos de precalentadores, se realizó una valoración de acuerdo a la factibilidad, costo de fabricación, tiempo de fabricación, complejidad de fabricación, disponibilidad de recursos y adaptabilidad para cualquier vehículo, se seleccionó el mejor diseño del prototipo, el cual se comprobó su funcionamiento con PROTEUS para la parte eléctrica y
SOLIDWORKS, se comprobó las
temperaturas de entrada (65°C) y salida (170°C) de los gases resultantes de la combustión, se construyó el sistema previamente diseñado realizando pruebas para verificar el correcto funcionamiento y se instaló en un vehículo para mejorar su desempeño medioambiental con el fin de reducir los gases contaminantes producidos hasta que el convertidor catalítico alcance la temperatura requerida para su correcto funcionamiento, se concluyó con pruebas de funcionamiento (mediciones de gases) comparando los resultados con la norma INEN 2204, se verificó que los valores obtenidos se encuentren dentro de los parámetros requeridos, se redujo 1.2 kg/l. de CO, 16.2 kg/l. de CO2 , 0.33 kg/l de HC y aumentando las emisiones en 1.2 kg/l. de O2 PALABRAS CLAVES: Convertidor catalítico, mediciones de gases,
precalentador, transformaciones químicas.
ABSTRACT: Today the great researchers focus their
development in environmental protection due to greenhouse gases and global warming, in this study we were analyzed the Conservation and Energy Transfer, thermodynamics with its laws, fluid mechanics with the forces acting on a fluid, the gases resulting from combustion such as CO, CO2, NOx, HC, stoichiometric
considered three designs, three tentative designs also considered preheaters, an assessment according to the feasibility, manufacturing cost, manufacturing time, manufacturing complexity, availability of resources and adaptability for any vehicle was made, was selected the best design of the prototype, which operation was checked with PROTEUS for the part electrical and SOLIDWORKS, was checked inlet temperatures (65 ° C) and output (170 ° C) of greenhouse gas resulting from combustion, the system built previously designed conducting tests to verify proper operation and installed in a vehicle for improving their environmental performance in order to reduce polluting gases produced until the catalytic converter to the temperature required for proper operation, concluded with functional tests (measurement of greenhouse) comparing the results with the INEN 2204 standard, it was verified that the values obtained are found within the required parameters, it did reduce 1.2 kg / l. of CO, 16.2 kg / l. of CO2, 0.33 kg / l of HC emissions
and increasing 1.2 kg / l. of O2.
KEYWORDS catalytic converter , measurements of gases,
preheater, chemical transformations,
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f:__________________________________________ JORGE SEBASTIÁN GONZÁLEZ HERNÁNDEZ
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, GONZÁLEZ HERNÁNDEZ JORGE SEBASTIÁN , CI 1718243320 autor/a del proyecto
titulado: análisis, diseño y construcción de un sistema de precalentamiento del
convertidor catalítico para verificar el desempeño en la reducción de gases
contaminantes, previo a la obtención del título de GRADO ACADÉMICO COMO APRECE
EN EL CERTIFICADO DE EGRESAMIENTO en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de
Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de
Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del
referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública
respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una
copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio
que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual
vigentes.
Quito, 27 de septiembre de 2016
f:_______________ ___________________________ JORGE SEBASTIÁN GONZÁLEZ HERNÁNDEZ
DECLARACIÓN
Yo JORGE SEBASTIÁN GONZÁLEZ HERNÁNDEZ, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis, diseño y
construcción de un sistema de precalentamiento del convertidor
catalítico para verificar el desempeño en la reducción de gases
contaminantes”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz, fue desarrollado por Jorge Sebastián González Hernández, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
_________________________ ING. ALEX GUZMÁN
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Este trabajo es un largo resultado de horas de sacrificio, de noches sin dormir, lo cual lo hago para alcanzar una meta en mi vida como es la obtención del título de Ingeniero.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por bendecirme en todo lo que me propongo, en los caminos de la vida.
A mis padres que hicieron sacrificios para poder brindarme la mejor educación y por confiar en mí.
A mis hermanos y familiares que me apoyaron y motivaron en lo que necesitaba siendo ellos un pilar fundamental y un ejemplo a seguir excepcional.
A la UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL por brindarme el conocimiento necesario para sacar adelante este y otros trabajos relacionados con mi carrera.
A FULL ENGINE servicio automotriz por poner a disposición sus instalaciones y personal a lo largo de este proyecto así también a Tecnigases del puma por poner a su disposición sus instalaciones y quipos de medición.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN...viii
ABSTRACT...ix
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1 AUTOMÓVIL... 3
2.2 COMBUSTIÓN EN UN MOTOR CICLO OTTO ... 3
2.3. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA ... 4
2.3.1. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA ... 4
2.3.2.CALOR ... 5
2.3.3. TEMPERATURA... 5
2.3.4. TRANSFERENCIA DE CALOR ... 5
2.3.4.1 Conducción ... 6
2.3.4.2 Convección... 6
2.3.4.3 Radiación... 7
2.3.4.4 Combinado ... 7
2.3.5. TERMODINÁMICA ... 7
2.3.5.1. Primera ley de la termodinámica ... 8
2.3.5.2. Segunda ley de la termodinámica ... 9
2.3.5.3 Tercera ley de la termodinámica ... 9
2.3.6. MECÁNICA DE FLUIDOS ... 9
2.3.6.1 Fuerzas que actúan sobre un fluido ...10
2.3.7 GASES RESULTANTES DE LA COMBUSTIÓN ...10
2.3.7.1 Factor Lambda...10
2.3.8. CONVERTIDOR CATALÍTICO ...11
2.3.8.1. Componentes ...12
ii
2.3.8.3. Transformación de gases contaminantes ...13
2.3.8.4 Catalizador doble vía ...14
2.3.8.5 Catalizador de tres vías ...14
2.3.9. PRECALENTADORES ...15
2.3.10. ECUACIONES Y PRINCIPIOS ...16
2.3.10.1. Ley de Ohm ...16
2.3.10.2. Caudal volumétrico ...17
2.3.10.3. Velocidad del flujo de gas ...17
2.3.10.4. Número de Reynolds...18
2.3.10.5 Flujo másico en un tubo ...18
2.3.10.6. Calor mediante convección ...19
2.3.10.7. Resistencia total en convección de un cilindro ...19
2.3.10.8. Balance de energía ...20
2.3.10.9. Parámetros geométricos...20
2.3.10.10. Función Lineal ...21
3. METODOLOGÍA ...22
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN...24
4.1 ANÁLISIS ...24
4.1.1 TOMA DE MEDICIONES CON EL VEHÍCULO ESTANDAR (SIN PRECALENTADOR)...25
4.1.1.1. Análisis de monóxido de carbono (CO)...27
4.1.1.2. Análisis de hidrocarburos no combustionados (HC) ...28
4.1.1.3. Análisis de oxígeno (O2) ...28
4.1.1.4. Análisis del dióxido de carbono (CO2) ...29
4.1.1.5. Análisis del factor Lambda ...30
4.1.1.6 Análisis de temperatura externa del catalizador ...30
4.2. DISEÑO DE TRES PRECALENTADORES ...31
4.2.1. POTENC IA ...31
iii
4.2.2 DISEÑO DEL PROTOTIPO N° 2 ...41
4.2.3. DISEÑO DE PROTOTIPO N° 3 ...43
4.2.4. DISEÑO DE LA TERMOCUPLA ...43
4.2.5. VALORACIÓN DE DISEÑOS ...47
4.3 SIMULACIÓN EN SOFTWARE ...48
4.3.1 SIMULACIÓN EN PROTEUS ...48
4.3.2. MODELADO Y SIMULACIÓN DEL PRECALENTADOR EN SOLIDWORKS ...50
4.4. CONSTRUCCIÓN DEL PRECALENTADOR...53
4.5. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO...60
4.5.1 RESULTADOS DE MONÓXIDO DE CARBONO (CO) ...62
4.5.2 RESULTADOS DE DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) ...63
4.5.3 RESULTADOS DE OXÍGENO (O2 ) ...64
4.5.4 RESULTADOS DE LAMBDA ...65
4.5.5 RESULTADOS DE HIDROCARBUROS NO COMBUSTIONADOS (HC) ... 66
4.5.6 RESULTADOS DE TEMPERATURA ...67
4.5.7. CANTIDAD DE EMISIONES POR CADA ARRANQUE DE MOTOR ...68
4.5.8. COSTOS DE FABRICACIÓN POR UNIDAD. ...69
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 71
5.1. CONCLUSIONES ...71
5.2. RECOMENDACIONES ...73
BIBLIOGRAFÍA ...74
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Valores del factor Lambda ...11
Tabla 2. Características del vehículo...24
Tabla 3. Datos técnicos del analizador de gases ...25
Tabla 4. Medición de gases con el sistema estándar. ...26
Tabla 5. Carga del área superficial ...38
Tabla 6. Tabla de valoración de los diseños. ...47
Tabla 7. Costos del precalentador ...69
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Componentes del convertidor catalítico ...12
Figura 2. Red de resistencia térmica para un cilindro ...19
Figura 3. Pendiete de la recta ...21
Figura 4. Analizador de gases ...25
Figura 5. CO %vol. (medición de gases sin precalentador). ...27
Figura 6. HC ppm (medición de gases sin precalentador). ...28
Figura 7. O2 %vol. (medición de gases sin precalentador). ...29
Figura 8. CO2 %vol. (medición de gases sin precalentador). ...29
Figura 9. Factor lambda (medición de gases sin precalentador). ...30
Figura 10. Temperatura (medición de gases sin precalentador). ...31
Figura 11. Flujo de masa...34
Figura 12. Calor del sistema con resistencia total ...34
Figura 13. Perímetro de un círculo. ...37
Figura 14. Área del cilindro primer diseño ...38
Figura 15. Aislante lana de vidrio...39
Figura 16. Diámetro de diseño N°2 ...41
Figura 17. Área del cilindro segundo diseño ...42
Figura 18. Paneles térmicos de segundo diseño ...43
Figura 19. Diseño de la parte electrónica de control de temperatura. ...44
Figura 20. Simulación PROTEUS encendido a 23°C...49
Figura 21. Simulación en PROTEUS apagado a 310°C ...50
Figura 22. Diseño en SOLIDWORKS del sistema. ...51
Figura 23. Análisis del flujo con sistema apagado. ...52
Figura 24. Pared de temperatura. ...52
Figura 25. Análisis de flujo con el sistema encendido...53
Figura 26. Corte y armado de acero inoxidable ...54
Figura 27. Bobinado de resistencia eléctrica ...54
Figura 28. Armado resistencia eléctrica...55
Figura 29. Esquema eléctrico en PROTOBOARD ...55
vi
Figura 31. Armado de galleta. ...56
Figura 32. Ensablado de galleta en ARDUINO. ...57
Figura 33. Ensablaje de todo el sistema eléctrico...57
Figura 34. Pruebas fuera del automovil. ...58
Figura 35. Elavoración de panel. ...58
Figura 36. Ensablado en el vehículo. ...59
Figura 37. Funcionamiento en el vehíclo...59
Figura 38. Resistencia eléctrica instalada ...60
Figura 39. Gráfica en de temperatura en función del tiempo ...60
Figura 40. Resultado sin sistema y con sistema CO % vol. ...62
Figura 41. Resultado sin sistema y con sistema CO2 % vol...63
Figura 42. Resultado sin sistema y con sistema O2 % vol. ...64
Figura 43. Resultado sin sistema y con sistema de Lambda ...65
Figura 44. Resultado sin sistema y con sistema de HC ppm...66
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1.Programación del Arduino ...76
ANEXO 2.Valores medición sin precalentador...77
ANEXO 3.Valores de medición com precalentador...79
ANEXO 4.Cuadro de valores de revisión vehicular DMQ ...81
ANEXO 5.Norma INEN 2 204:2002 ...82
ANEXO 6.Propiedades termofísicas de la materia ...83
ANEXO 7.Propiedades de gases a presión atmosférica ...84
viii
RESUMEN
En la actualidad los grandes investigadores enfocan su desarrollo en la protección ambiental debido al calentamiento global y a los gases de invernadero por lo cual en el presente estudio se analizó la conservación y transferencia de energía, termodinámica con sus leyes, mecánica de fluidos con las fuerzas que actúan sobre un fluido, los gases resultantes de la combustión como son el CO, CO2, NOx, HC, la mezcla estequiométrica o
ix
ABSTRACT
Today the great researchers focus their development in environmental protection due to greenhouse gases and global warming, in this study we were analyzed the Conservation and Energy Transfer, thermodynamics with its laws, fluid mechanics with the forces acting on a fluid, the gases resulting from combustion such as CO, CO2, NOx, HC, stoichiometric mixture or
lambda factor, the operation of catalytic converters, the elements and component materials, the respective chemical transformations that take place inside these through the process of oxidation and reduction process, either two-way or three ways, preheaters and its application inside the automotive industry, taking as main reference the preheaters of diesel engines, similarly I considered three designs, three tentative designs also considered preheaters, an assessment according to the feasibility, manufacturing cost, manufacturing time, manufacturing complexity, availability of resources and adaptability for any vehicle was made, was selected the best design of the prototype, which operation was checked with PROTEUS for the part electrical and SOLIDWORKS, was checked inlet temperatures (65 °C) and output (170 °C) of greenhouse gas resulting from combustion, the system built previously designed conducting tests to verify proper operation and installed in a vehicle for improving their environmental performance in order to reduce polluting gases produced until the catalytic converter to the temperature required for proper operation, concluded with functional tests (measurement of greenhouse) comparing the results with the INEN 2204 standard, it was verified that the values obtained are found within the required parameters, it did reduce 1.2 kg / l. of CO, 16.2 kg / l. of CO2, 0.33
1
1. INTRODUCCIÓN
El ámbito automotriz es uno de los principales contribuyentes para el calentamiento global debido a los gases resultantes de la combustión los cuales al ser derivados de hidrocarburos y obteniendo como resultado de la combustión, hidrocarburos no combustionados (HC), monóxidos de carbono (CO), óxidos de nitrógeno(NOx), oxigeno di atómico (O2), cada uno con sus
consecuencias, el CO es un gas que al combinarse con la sangre impide la absorción de oxígeno, puede llegar a producir asfixia, letal por 30 minutos de exposición, los NOx son agentes para la destrucción de tejidos pulmonares y producen la lluvia acida, destruyen la capa de ozono, los HC poseen agentes cancerígenos y el oxígeno di atómico O2 que es parte de la
atmosfera, estos gases pueden ser tratados dentro de los convertidores catalíticos.
Dentro del Distrito Metropolitano de Quito existe una entidad estatal que una vez por año hace revisiones continuas a todos los vehículos que circulan dentro de la ciudad para confirmar que estos estén dentro del rango permisible de emisiones de escape como indica la ordenanza 213 del Distrito metropolitano de Quito en el capítulo III referente a emisiones vehiculares, basando los límites permisibles de la norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 2 204:98.
El pre calentador está basado en una resistencia eléctrica (fuente de calor externa) para acortar el tiempo en el cual el convertidor catalítico alcanza su temperatura idónea de trabajo y así disminuir la cantidad de gases resultantes de la combustión, reduciendo el impacto ambiental producido por el vehículo en un arranque.
El presente trabajo de titulación tiene como objetivo principal:
Analizar, diseñar y construir un sistema de precalentamiento del convertidor catalítico para verificar el desempeño en la reducción de gases contaminantes.
2 Investigar el principio de funcionamiento de los catalizadores y precalentadores y su implementación en sistemas de post combustión para disminuir las emisiones de gases contaminantes.
Plantear las posibles alternativas de sistema de precalentamiento del catalizador y seleccionar la más idónea para el diseño.
Diseñar y seleccionar los elementos del sistema de precalentamiento para el convertidor catalítico, mediante análisis teórico y simulación en software. Construir el sistema de precalentamiento para el convertidor catalítico, e implementarlo en el vehículo.
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1 AUTOMÓVIL
El automóvil es un conjunto de mecanismos que es autopropulsado, en este caso por un motor que mediante la transmisión realiza el movimiento hacia las ruedas para poder moverse, el vehículo ciclo Otto es denominado así por el tipo de motor que posee, llamado también motor MEP (motores de encendido provocado), en este caso es un motor cuatro tiempos (admisión, compresión, expansión y escape), el encendido en estos motores se da por una bujía la cual produce una chispa y permite que se dé la combustión gracias al combustible (gasolina), aire y presión (González, 2011).
2.2 COMBUSTIÓN EN UN MOTOR CICLO OTTO
La combustión es una reacción química que consiste en la combinación de oxigeno con otros elementos como el hidrógeno o el carbono, en un motor el aire y combustible son mezclados antes de entrar a la cámara de combustión, luego esta mezcla es comprimida antes de dar el encendido (encendido por bujías), el aire que ingresa al motor es 20 % de oxígeno, mientras que la gasolina tiene compuesto de hidrógeno y carbono (hidrocarburo). La combustión se realiza dentro de la cámara de combustión ubicada en el cabezote de un motor, al ser ciclo Otto la combustión es realizada por la bujía al momento que la mezcla aire combustible es comprimida por el pistón, provocando la expansión, mueve el pistón hacia abajo generando la fuerza hacia el cigüeñal, al momento que se genera la combustión las válvulas de admisión y escape están cerradas, la válvula de admisión se abre para dar paso a la mezcla aire combustible mientras que la de escape se abre para el desfogue de gases después de la combustión (Crouse, 1996).
4
2.3. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
Primero la energía significa la capacidad de producir un trabajo, también hay que tomar en cuenta la variedad de formas de energía que se tiene, entra las más comunes se tiene:
Cinética: La que tienen los cuerpos en movimiento.
Potencial elástica: Esta la encuentra en los resortes cuando este se estira o se comprime.
Potencial gravitacional: Encontradas en los cuerpos con determinada altura a un plano de referencia.
Energía Química: Esta se la puede encontrar en los combustibles. Energía solar: Es la aprovechada del sol en forma luminosa o calórica. Eólica: Es la aprovechada por el viento.
Geotermal: Esta se tiene dentro de la tierra en forma de calor, especialmente en zonas volcánicas.
Hidráulica: se la encuentra cuando el agua está en suelo irregular
Nuclear: Este tipo de energía es la liberada en las reacciones nucleares. Un ejemplo es la energía mecánica que es la suma de energía cinética y energía potencial, y de igual manera dentro de cualquier proceso la energía total es la suma de las formas de toda energía que tiene el cuerpo y su energía permanece constante en cualquier punto de ese proceso (Zambrano, 2004).
2.3.1. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
5
2.3.2. CALOR
El calor es una forma de energía producida por la cinética de todos los átomos y moléculas dentro de un cuerpo y es la transferencia de energía producida por los cuerpos según la termodinámica, por lo general se da cuando se transforma una energía en otra por ejemplo en un motor de combustión interna la energía química se transforma en energía cinética y lo que se pierde se va en forma de calor, el calor se puede trasmitir de un cuerpo a otro por la diferencia de calor, al momento de calentar un cuerpo se hace que se muevan más rápido sus moléculas internas, el calor es lo que produce que la temperatura crezca o se disminuya (Giancoli, 2006).
2.3.3. TEMPERATURA
Temperatura es una magnitud física (medida del calor), que se refiere a lo frío o a lo caliente, cuando un objeto está caliente las moléculas en su interior se están movimiento rápida mente a lo contrario cuando esta frío se mueven muy leve mente, la temperatura es la medida de la intensidad de la energía interna promedio de sus moléculas no de la cantidad de las moléculas, la medida se da en grados (Orejuela, 2010).
2.3.4. TRANSFERENCIA DE CALOR
6
2.3.4.1. Conducción
La conducción de calor se tiene cuando la temperatura sale de un medio sólido, así el calor tendrá el flujo de la mayor temperatura hacia la menor temperatura, para que se realice la transferencia por conducción los dos cuerpos deben estar en contacto directamente, el calor en este se produce por la fricción de las moléculas internas de dicho cuerpo, este tipo de conducción se puede utilizar de mejor manera en solidos ya que en algún tipo de fluido no son muy eficiente, para fluidos se la puede combinar por convección, la conducción es el transporte de calor debido a las colisiones de sus moléculas, cuando se pone en contacto un cuerpo caliente sus moléculas se mueven a mayor velocidad que las moléculas de un cuerpo frío por lo cual las calientes van tomando lugar en las moléculas frías hasta igualar sus temperaturas, todo depende de la capacidad de un cuerpo de transmitir el calor, por ejemplo los sólidos son mejor transmisores que los líquidos y sobresalen en estos los metales ( Kreith, 2012).
2.3.4.2. Convección
Es la manera más eficiente de transferir entre gases y líquidos, La energía se transforma por movimientos físicos de las moléculas internas de zonas de altas temperaturas a las zonas de bajas temperaturas, generando corrientes de movimiento, a la convección se la conoce también como conducción superficial ya que se transporta la temperatura hacia el fluido mediante la conducción de una capa de fluido en contacto con la superficie, esta puede producirse de dos maneras:
7 Forzada: Se dice que es forzada cuando se produce por el movimiento de dicho fluido.
Como se trabaja con fluidos estos pueden reaccionar cambiando de fase como ocurre con la condensación o la ebullición, esto sería el resultado de la aplicación de intercambios de calor intensos (Holman, 1999).
2.3.4.3. Radiación
Esta se produce cuando el calor se trasmite por radiación electromagnética, todos los cuerpos existentes producen algún tipo de radiación, esta radiación busca encontrarse con una temperatura exterior, no requiere el contacto con medios materiales como las dos anteriores, la radiación puede ser absorbida por otros cuerpos y aumentar su temperatura, este es importante para altas temperaturas y se trasmite mediante el vacío. Un cuerpo puede absorber la radicación y esa capacidad de absorción depende del color de dicho cuerpo, un cuerpo de color negro va a absorber mayor energía por lo cual se calentara más y más rápido que cuerpos de colores claros como el blanco, un ejemplo puede ser el calor que es emitido por una fogata (Kreith, 2012).
2.3.4.4. Combinado
Dentro de la transferencia de calor también se pueden combinar los tres anteriores como por ejemplo dentro de un vehículo el color del interior puede influir con la temperatura alcanzada en su interior y este va ligado con la radiación y de igual manera el interior del vehículo se puede variar la temperatura por convección mediante el sistema de calefacción, fusionando cual así dos tipos de transferencia de calor (Domingo, 2011).
2.3.5. TERMODINÁMICA
8 y el trabajo, el calor es la transferencia de energía provocada por una diferencia de temperatura mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no tiene nada de qué ver con la diferencia de temperatura, dentro de la termodinámica se aplican métodos para observar acontecimientos físicos para los cuales se deben registrar todos los eventos de estos métodos y medir las variables que estos tengan , dentro de las magnitudes básicas se tiene la longitud, masa, tiempo, fuerza, temperatura y energía, trata de cubrir todos los posibles cambios energéticos que se pueden encontrar en el universo, los sistemas que se estudian en la termodinámica se clasifican en:
Abiertos: Son aquellos que pueden intercambiar materia y energía con el entorno.
Cerrados: Son aquellos que pueden intercambiar materia pero no energía con el entorno.
Aislados: Son aquellos que no pueden intercambiar materia ni energía con el entorno, la puesta en práctica de estos es casi imposible a no ser de crear un recipiente con paredes sumamente aisladas.
El estado en el cual se encuentra un sistema se da dependiendo de sus magnitudes físicas del mismo por ejemplo, presión, volumen y temperatura, etc., Entre los estados se diferencian:
Equilibrio Químico: composición química constante en el tiempo
Equilibrio mecánico: no se encuentra movimiento a nivel macroscópico.
Equilibrio térmico: Temperatura constante en cualquier punto del sistema
Reversibles: Se puede volver al estado anterior invirtiendo el proceso, cuando el proceso es llevado a cabo con un equilibrio.
Irreversibles. Se da cuando el sistema no ha estado en equilibrio y no se puede revertir (Rolle, 2006).
2.3.5.1. Primera ley de la termodinámica
9 transformaciones, este tiene que ver con los procesos adiabáticos (procesos que pueden llevar a un sistema cerrado de un estado de equilibrio a otro, mediante interrelaciones entre sistema el sistema y el entorno para que sean exclusivamente en forma de trabajo), tomando en cuenta el principio de conservación de la energía en sistemas cerrados (Moran, 2004).
2.3.5.2. Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica también se la conoce como principio de la degradación y enuncia que no es posible transformar el 100% de calor en trabajo, ya que siempre es necesario aportar una parte del calor absorbido, y que el rendimiento de una maquina térmica nunca llegara a ser el 100% por más bien diseñada que esta esté (González, 2011).
2.3.5.3. Tercera ley de la termodinámica
Este tercer principio es el menos utilizado y propone que la entropía de una sustancia cristalina perfecta es igual a cero, pero como se conoce es casi imposible que un cuerpo o un sistema lleguen al cero absoluto (González, 2011).
Entropía: Es una medida del defecto de las irreversibilidades que se pueden tener en un sistema (Moran, 2004).
2.3.6. MECÁNICA DE FLUIDOS
10
2.3.6.1. Fuerzas que actúan sobre un fluido
Fuerzas de superficie: La fuerza de la superficie es la que toma en cuenta la superficie de las paredes con las cuales se aísla un fluido puede ser la superficie interna de un tubo.
Fuerza de volumen: Son aquellas que actúan a distancia y penetración del mismo fluido como la gravedad (Martínez, 2011).
2.3.7. GASES RESULTANTES DE LA COMBUSTIÓN
Los gases resultantes de la combustión en un vehículo ciclo Otto inmediatamente después de la combustión de la gasolina tomando en cuenta que la combustión nunca es completa dentro de la cámara, por lo cual dentro de los gases de combustión se encuentran , monóxidos de carbono (CO) es un gas que no tiene color ni olor, este es más liviano que el aire el La enfermedad que puede producir el CO es combinarse con la sangre impidiendo la absorción de oxígeno y puede llegar a producir asfixia, esta puede ser mortal al exponerse por 30 minutos, también se encuentran óxidos de nitrógeno(NOx): Pueden ser agentes para la destrucción de tejidos pulmonares, son aquellos que producen la lluvia acida, destruyen la capa de ozono, Hidrocarburos no combustionados (HC): Estos son los que poseen agentes cancerígenos y su presencia se debe a la combustión incompleta, por ultimo también se tiene la presencia de oxigeno di atómico (O2): parte de
la atmosfera (Hernández, 2001).
2.3.7.1. Factor Lambda
11 𝐿𝐴𝑀𝐵𝐷𝐴 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 . [1]
En la tabla 1 se aprecian los valores para definir el tipo de mezcla según el factor lambda.
Tabla 1. Valores del factor Lambda
LAMBDA = 1 Mezcla estequiométrica. = 14.7
LAMBDA >1 Mezcla pobre. >14.7
LAMBDA <1 Mezcla rica. <14.7
(Pérez, 2011)
Cundo el vehículo está trabajando dentro del factor lambda las emisiones de CO y HC son favorables hacia el medio ambiente pero las mediciones de NOx no son las idóneas, cuando el auto se encuentra en ralentí el factor lambda debe ser lo más cerca posible de 1 (Álvarez, 2005).
2.3.8. CONVERTIDOR CATALÍTICO
12 Las celdas de monolito cerámica generalmente pueden ir de 70 a 100 celdas por cada cm2 y el espesor de la celda puede variar entro 0.2 y 1.4 mm.
2.3.8.1. Componentes
El tamaño, los materiales catalíticos y la forma varían de acuerdo al fabricante, en la figura 1 se indica un convertidor catalítico con sus partes como el revestimiento aislante, el monolíto cerámico y la carcasa metálica.
Figura 1. Componentes del convertidor catalítico
(Hidalgo, 2010).
Carcasa metaliza: Esta esta generalmente fabricada en acero inoxidable, esta carcasa es la que cubre al monolito cerámico ya que el monolito es muy frágil, protegiéndolo de golpes, además muchas de las carcasas tienen perforaciones que permiten disipar el calor interno generado por los gases de escape teniendo la opción de ventilación para que no se recalienten.
Revestimiento aislante: El revestimiento aislante es una malla metálica que cubre el monolito para reducir los espacios existentes entre la carcasa del catalizador y el monolito, una de sus principales funciones es amortiguar las vibraciones existentes y aislar al monolito que genera aproximadamente 400°C para que esta temperatura no sea disipada hacia el exterior,
13
2.3.8.2. Funcionamiento
El correcto funcionamiento de los convertidores catalíticos únicamente se puede verificar mediante las mediciones de los gases contaminantes con un analizador de gases, por lo general se miden cuatro gases resultantes CO, CO2, HC y O2, también con el medidor del factor Lambda conocido como el
sensor de oxígeno (mide el oxígeno residual contenido en los gases de escape) en algunos autos opcionales ubicados antes y después del convertidor catañítico. Para verificar el correcto estado del catalizador se realiza con la medición de CO que debe ser inferior al 1% vol. deacuerdo con la Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 2 204:98.
El catalizador al ser en encargado de disminuir el efecto de los gases CO, HC y NOx ,siendo estos los gases más nocivos producidos dentro de la cámara de combustión y expulsados hacia el exterior al momento que las válvulas de escape se abren para proseguir su camino por el múltiple de escape inmediatamente después del múltiple de escape se encuentra el sensor de oxígeno y después de este sensor está ubicado el catalizador, se necesita alcanzar una temperatura promedio de 300°C dentro del catalizador y la única manera de calentar es con con los propios gases de escape, necesita alcanzar esta temperatura ya que el catalizador está compuesto por rodio(Rh), platino(Pt) y paladio(Pd), (metales preciosos) y realizar las transformaciones químicas.
2.3.8.3. Transformación de gases contaminantes
Las transformaciones químicas que se deben producir dentro del monolito cerámico dependen si el catalizador es de doble vía o triple vía, las trasnformaciones que se llevan a cabo dentro del catalizador doble vía son: Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono.
2CO +O2 = 2 CO2
Oxidación de hidricarburos no combustionados (HC) a CO2 y H2O
CX H2X+2+ [3x + 1 2 ] O
2 = xCO
14 Las transformaciones que se llevan a cabo dentro de los catalizadores triple vía son:
Reduccón de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno.
2NOX = xO2+ N2
Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono. 2CO +O 2 = 2 CO 2
Oxidación de hidricarburos no combustionados (HC) a CO2 y H2O
CX H2X+2+ [3x + 1 2 ] O
2 = xCO
2 + (x + 1)H20
Esta transformación se la da gracias a los componentes de metales preciosos dentro del catalizador.
Entre los principales tipos de convertidores catalíticos utilizados en la industria automotriz se enumeran 2, que son los de dos vías y los de tres vías especificadas a continuación.
2.3.8.4. Catalizador doble vía
Este convertidor catalítico llamado así por el número de gases que se regulan dentro del mismo gracias a las reacciones químicas producidas en su interior, este está compuesto por un monolito cerámico de oxidación (reacción química) el cual actúa en el monóxido de carbono y los hidrocarburos no combustionados generando como resultado dióxido de carbono y agua, este convertidor catalítico fue el primer tipo de convertidor adaptado a un automóvil, lo malo de este convertidor catalítico es que para su correcto funcionamiento se necesita demasiado oxígeno, este fue utilizado en los autos a carburador.
2.3.8.5. Catalizador de tres vías
15 combustionados, mientras que en este se aumenta una reacción química llamada reducción que actúa sobre los óxidos de nitrógeno, este tipo de convertidores catalíticos necesitan tener una regulación de la mezcla dentro del factor Lambda para funcionar correctamente, es decir que estos únicamente pueden venir equipados dentro de los vehículos que sean a inyección electrónica ya que en estos vehículos se cuida mucho los gases contaminantes mediante diferentes sensores.
Para lograr las dos reacciones químicas este convertidor catalítico está constituido de dos agentes catalizadores el primero realiza la reducción y el segundo la oxidación por lo cual el primero se encuentra delante del segundo, recalcar que los dos procesos funcionan por separado o por etapas (Hidalgo, 2010).
Primera proceso: Se realiza la reducción donde las paredes del monolito se encuentran recubiertas de platino(Pt) y rodio (Rh), estos metales preciosos gracias a una temperatura adecuada y al contacto con los gases resultantes de combustión convierten los NOx en N2.
El funcionamiento de esta etapa se da cuando las moléculas de NOx entran en contacto con los metales preciosas produciendo la separación del oxígeno y el nitrógeno, atrapando los átomos de oxígeno, al momento que se atrapan los átomos de oxigeno las moléculas de nitrógeno se unen formando N2 expulsado al medio ambiente
Segundo proceso: Se realiza la oxidación cuando los gases resultantes de la combustión entran en contacto con los metales preciosos que en este caso son el platino (Pt) y el paladio (Pd), al momento de entrar en contacto los hidrocarburos no combustionados y el monóxido de carbono se juntan con moléculas de oxigeno obtenidas de la propia combustión produciendo CO2 y agua (Asencio, 2008).
2.3.9. PRECALENTADORES
16 precalentadores, estos se utilizan únicamente para calentar la cámara o en algunos casos la pre cámara de combustión, uno de los elementos es la bujía de precalentamiento la cual se encarga de calentar el aire dentro de la cámara de combustión con el fin de que el aire se encuentre en la temperatura idónea para dar paso a la ignición del combustible, el circuito dispone de un relé, los calentadores, la luz de testigo dentro del panel , los cables y un aislante eléctrico (González, 2015).
El relé se activa cuando el conductor pone la llave en contacto antes de prender el vehículo y se desactiva automáticamente, este controla las bujías de precalentamiento para que estas se apaguen en el tiempo adecuado, de igual manera controla la luz indicadora dentro del panel.
Las bujías de precalentamiento tienen una resistencia eléctrica que al cerrar circuito con la batería del vehículo esta se pone al rojo vivo calentando el aire dentro de la cámara de combustión, estos están ubicados en el cabezote, se las inserta con rosca al igual que una bujía de encendido, el motor tiene el mismo número de cilindros que de calentadores.
Los calentadores pueden ir conectados en serie o en paralelo. Recalcar que todo el sistema de precalentares es comandado por una centralita electrónica la cual envía señales para activar o desactivar el relé (Ferrer, 2010).
2.3.10. ECUACIONES Y PRINCIPIOS
2.3.10.1 Ley de Ohm
Dentro del vehículo la única fuente de alimentación que se posee cuando este se encuentra apagado y al ser un sistema de precalentamiento se necesita que el vehículo este completamente apagado, se tiene la batería de 12V por lo cual se necesitará de:
17 resistencia en ohm y la intensidad en amperios, como se indica en la ecuación 2.
V = I x R [2] La ley de tiene algunas variables dependiendo de los datos que se requi ere a continuación se enumeran las ecuaciones derivadas de la ley de ohm que permitirán el desarrollo de este trabajo (Serway, 2001).
P = V x R [3] Como se indica en la ecuación 3, la potencia es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente por la resistencia donde la potencia se da en watts la intensidad en amperios y la resistencia en ohm (Brophy, 1979).
P = V x I [4] Como se indica en la ecuación 4, la potencia del circuito es directamente proporcional al voltaje por la intensidad donde la potencia se da en watts, el voltaje en voltios y la intensidad en amperios (Cengel, 2007).
2.3.10.2. Caudal volumétrico
El caudal es la cantidad del fluido medido en volumen que atraviesa una tubería a cierta velocidad, resulta de la ecuación 5 (Aynuca, 2016).
𝑄 = 𝐴 × 𝑣 [5]
Dónde: Q: Caudal [𝑚
3
𝑠 ] A: área [𝑚2]
𝑣: Velocidad del fluido [𝑚 𝑠]
2.3.10.3. Velocidad del flujo de gas
18 𝑣 =𝑄
𝑆 [6] Dónde:
Q: Caudal [𝑚
3
𝑠 ]
S: Es el área de la tubería [𝑚2]
𝑣: Velocidad del fluido [𝑚 𝑠]
2.3.10.4. Número de Reynolds
El número de Reynolds sirve para identificar si el flujo que se tiene dentro del estudio es flujo turbulento o flujo laminar y se lo puede hallar con la ecuación 7 (Cengel, 2012).
𝑅 = 𝑉×𝐷
𝑣 [7] Dónde:
R: Número de Reynolds. [∅] V: Velocidad del fluido. [𝑚
𝑠]
𝑣: Viscosidad cinemática del fluido. [𝑚
2
𝑠 ]
D: Diámetro de la sección del tubo en metros. [𝑚]
2.3.10.5 Flujo másico en un tubo
El flujo másico de aire servirá para poder realizar el balance de energía y para conocer que masa de aire pasa por él tuvo a cierta velocidad, esta se puede calcular con ecuación 8 (Cengel, 2012).
𝑚̇ = 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 × 𝑣 × 𝐴 [8]
Dónde:
𝜌: Es la densidad del aire [𝑘𝑔 𝑚3]
19 A: Área de la tubería por la que pasa el fluido. [𝑘𝑔
𝑠 ]
2.3.10.6. Calor mediante convección
El calor por convección será utilizado para calcular el calor del sistema y así remplazar este valor en la ecuación de balance de energía, este calor se puede calcular con la ecuación 9 (Cengel, 2012).
Q=𝑇∞1−𝑇∞2
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 [9]
Dónde:
Q: Calor del sistema. [W]
𝑇∞1: Temperatura promedio uno en este caso la del gas de escape. [K]
𝑇∞2: Temperatura promedio ambiente. [K]
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙: Resistencia total del sistema. [𝐾 𝑊]
Para sacar la resistencia total del sistema se aplica la siguiente ecuación.
2.3.10.7. Resistencia total en convección de un cilindro
La resistencia total del sistema se calcula con la ecuación 10 (Cengel, 2012) 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= 1
(2𝜋𝑟1𝐿) ℎ1+ 𝐼𝑛(𝑟2
𝑟1)
2𝜋𝐿𝐾 + 1
(2𝜋𝑟2𝐿) ℎ2 [10] En la figura 2 se aprecia la red de resistencia que térmica para un cilindro tomando en cuenta el flujo interno el flujo externo y el material.
Figura 2. Red de resistencia térmica para un cilindro (Cengel, 2012)
20
h1: Coeficiente de convección de calor del flujo interno. [ 𝑊
𝑚2𝐾 ]
L: Longitud. [𝑚]
K: Conductividad térmica. [𝑊 𝑚𝐾]
r1: Radio interno. [𝑚] r2: Radio externo. [𝑚]
h2: Coeficiente de convección de calor del flujo externo. [ 𝑊
𝑚2𝐾 ]
2.3.10.8. Balance de energía
El balance de energía aplica en la primera ley de la termodinámica ya que se refiere a la conservación de masa y energía dentro de un sistema, será utilizado para poder hallar el trabajo eléctrico dentro del sistema y así poder seleccionar la resistencia eléctrica, este se puede hallar con la ecuación 11 (Cengel, 2012).
Q-W=∑ 𝑚̇𝑠(ℎ +𝑣2
2 + ℊ𝓏 ) − ∑ 𝑚̇𝑒(ℎ + 𝑣2
2 + ℊ𝓏) [11] Dónde:
Q: Calor del sistema. [W]
W: Trabajo que realiza el sistema. [J]
𝑚̇ 𝑠: Flujo másico de salida. [𝑘𝑔 𝑚𝑖𝑛 ]
𝑚̇𝑒: Flujo másico de entrada. [𝑘𝑔 𝑚𝑖𝑛]
h: Altura del sistema. [𝑚]
𝑣2:Velocidad del fluido. [𝑚2 𝑠 ]
ℊz: Energía potencial. [J]
2.3.10.9. Parámetros geométricos
Con la ecuación14 se calcula el perímetro del cilindro.
𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 2𝜋𝑟 [12] Dónde:
21 Con la ecuación 15 se calcula el área del cilindro.
Á𝑟𝑒𝑎 = ℎ × 𝑝𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 [13] Dónde:
h: Altura del cilíndro. [cm]
2.3.10.10. Función Lineal
La función lineal se utiliza para hallar la relación entre los valores de termocupla y los valores del potenciómetro ya que al momento de variar la medida de cualquiera de las dos se varía de manera lineal (Trejo, 2005). La función de la recta es representada con la ecuación 12.
𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 [14]
La pendiente de la recta se calcula con la ecuación 13.
𝑚 =𝑦2−𝑦1
𝑥2−𝑥1 [15]
En la figura 3 se aprecia las coordenadas para el cálculo de la pendiente.
22
3. METODOLOGÍA
La metodología utilizada dentro del siguiente trabajo de titulación está compuesta por, la selección de un vehículo en el cual se instalará el prototipo, posteriormente se realizó un análisis teórico del por qué se debe implementar el sistema de precalentamiento dentro de un vehículo, seguido de la toma de mediciones con el vehículo estándar para poder comparar el correcto funcionamiento del catalizador según la norma INEN 2204, se procedió con el diseño de los prototipos comenzando con el cálculo de potencia utilizando la ecuación [4], tomando como datos conocidos los parámetros del vehículo como el diámetro interno de la tubería, el diámetro externo, la cilindrada, la velocidad media del pistón, la temperatura de salida del gas en el primer arranque y con datos obtenidos de tablas termodinámicas y de mecánica de fluidos se conoce el coeficiente de conductividad térmica, la densidad del aire, la velocidad cinemática del fluido, el coeficiente de convección de transferencia de calor, para continuar se calcula el caudal volumétrico con la ecuación [5] utilizada luego para reemplazar y hallar la velocidad del flujo de gas con la ecuación [6], con la velocidad se puede hallar el número de Reynolds con la ecuación [7] el cual nos permite conocer si el flujo es laminar o turbulento, se calculó el flujo másico con la ecuación [8], el calor del sistema se calcula con la ecuación [9], para hallar el calor del sistema se necesita primero encontrar la resistencia total del sistema tomando en cuenta flujo interno, y la conductividad térmica del acero aleado al carbón con la ecuación [10], se realiza un balance de energías para conocer la temperatura de salida mediante la ecuación [11].
23 En el diseño del prototipo N° 2, como es igual la potencia de la batería se calcula con las mismas ecuaciones, la ecuación [12] para el perímetro la [13] para la altura y como en este caso son dos resistencias (una para cada panel cerámico) se divide esa altura en 2.
El tercer diseño se realizó tomando como referencia un precalentador diesel, se prosiguió con el diseño de la termocupla ya que es como se apagará el sistema, se seleccionaron los materiales requeridos para la construcción, se calculó la entrada del sensor value con la ecuación [14] y el valor del potenciómetro con la ecuación [14] necesitando el cálculo de la pendiente con la ecuación [15] para resolver la función.
Se tiene una valoración de los tres prototipos según su factibilidad, costo, tiempo de fabricación, complejidad, disponibilidad de recursos, adaptabilidad.
Se seleccionó el diseño adecuado con el cual se realizó una simulación con el programa SOLIDWORKS con una gráfica de temperatura del fluido y en PROTEUS para verificar el funcionamiento del sistema eléctrico.
Se elaboró un prototipo del sistema de precalentamiento tomando en cuenta el diseño seleccionado y las simulaciones realizadas verificando su funcionamiento una vez instalado en el vehículo.
En la verificación se comparó los gases emitidos antes de la instalación del precalentador y los gases emitidos después de la instalación, igual se comparó la temperatura medida con el termómetro laser.
Se realizó mediciones de los gases CO, CO2, O2, HC, ƛ con un analizador
24
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Concluido la recopilación y clasificación de información referente con convertidores catalíticos, gases resultantes de la combustión, precalentadores, en este capítulo se realizará el desarrollo de toda la metodología antes descrita.
El sistema de precalentamiento será instalado en un vehículo con inyección electrónica, las características del vehículo se de tallan en la tabla 2, se seleccionó este vehículo disponibilidad inmediata.
Tabla 2. Características del vehículo
Marca: Nissan Cilindrada: 1800
Modelo: Sentra 1.8 M/T Clase: Automóvil
Origen: México Color: Plomo
Placa: PWV-0715 Año: 2001
4.1 ANÁLISIS
El convertidor catalítico inicia el proceso de oxidación y reducción después de un rango adecuado de temperatura incrementado por el propio flujo de gases de escape.
Antes de realizar cualquier modificación al convertidor catalítico, se toman mediciones de los gases contaminantes ya que se requiere saber el tiempo en el cual el catalizador llega a la temperatura idónea de trabajo y empieza a convertir todos los gases resultantes considerados no contaminantes, por lo cual se realizará una medición de los gases con el sistema estándar en función del tiempo y en el primer arranque por las mañanas.
Este proyecto se realiza para disminuir el tiempo de calentamiento del convertidor catalítico y así reducir la cantidad de emisiones de gases contaminantes.
25
4.1.1 TOMA DE MEDICIONES CON EL VEHÍCULO ESTANDAR (SIN
PRECALENTADOR)
Las mediciones se realizaron con un analizador de gases marca MAHA MGT5, en la figura 4 se puede apreciar el modelo del analizador de gases y el sofware con el cual se visualiza las mediciones
Figura 4. Analizador de gases
Las especificaciones técnicas del analizador de gases MAHA MGT5 se indican en la tabla 3.
Tabla 3. Datos técnicos del analizador de gases
Software de visualización ASM Tensión de red máx. 285 V
Peso 10 kg
Principio de medición
HC
Espectrometría de
infrarrojo NDIR
Dimensiones Ancho de
producto
240
mm
Principio de medición
CO
Espectrometría de
infrarrojo NDIR
Dimensiones Alto de
producto
300
mm
Principio de medición
CO2
Espectrometría de
infrarrojo NDIR
Dimensiones Largo de
producto
560
mm
Principio de medición
O2 Electroquímica
Frecuencia de red 50 Hz
Rango de medición
HC 0 - 20000 ppm (Hexan)
Frecuencia de red mín. 50 Hz
Rango de medición 2
HC 0 - 40000 ppm (Propan)
Frecuencia de red máx. 60 Hz
Rango de medición
CO 0 - 15 % Vol.
Presión de trabajo mín. 0.75
26
Tabla3. Datos técnicos del analizador de gases (continuación)
Presión de trabajo máx.
1.1
bar
Rango de medición
CO2 0 - 20 % Vol.
Tensión de red mín. 85 V
Rango de medición
NO (opción) 0 - 5000 ppm
Principio de medición NO (opción) Electroquímica
Resolución de valores de medición
HC 1 ppm
Resolución de valores de medición
(rango de medición 2) HC 1 ppm
Resolución de valores de medición
CO 0.00%
Resolución de valores de medición
CO2 0.01%
Resolución de valores de medición
O2 0.01%
Resolución de valores de medición
NO (opción) 1 ppm
Tiempo de calentamiento célula de
medición 600 s
Alimentación de corriente conexión
a tensión de a bordo 12 - 42 V
(MAHA, 2016)
En la tabla 4 se especifican los valores resultantes de las mediciones de gases tomados en el primer arranque por la mañana que es el arranque más frío (motor frío) del día para verificar el correcto funcionamiento del convertidor catalítico y comporar los valores con la norma INEN 2204.
Tabla 4. Medición de gases con el sistema estándar.
TIEMPO EN MINUTOS ACELERACIONES
0 2 4 6 8 10 3 min a
2500 rpm
10 aceleradas a 4 500 rpm
G
A
SES
CO %vol. 3.34 0.36 0.47 0.47 0.5 0.53 0.43 0.0
HC ppm. 434.0 287.0 255.0 249.0 243.0 242.0 200.0 28.0
O2 % vol. 0.57 1.17 1.03 1.01 1.0 1.05 1.05 0.42
CO2 %vol. 11.9 13.2 13.3 13.2 13.0 13.1 13.2 13.8
Lambda 0.91 1.03 1.03 1.03 1.0 1.02 1.031 1.0
Temperatura
27 Con los datos obtenidos se realiza una gráfica de la variación de los gases en función del tiempo, para poder apreciar el tiempo que se demora en calentar y catalizar cada uno de los gases, recalcar que las mediciones (valores) de hidrocarburos no combustionados son los que más tardan en estabilizarse y de igual manera continúen bajando su valor, después de los 6 minutos se procede a realizar dos pruebas adicionales acelerando a 2500 rpm durante 3 minutos y la otra acelerando de manera brusca a 4500 rpm por 10 veces, ( simulando una conducción agresiva).
4.1.1.1. Análisis de monóxido de carbono (CO)
En la figura 5 se indica el cambio de CO con respecto al tiempo, el CO logra ser catalizado por el convertidor catalítico a los 2 minutos de poner en marcha el motor, entrando al rango permitido según la norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2204:2002 para este gas, que sea menos de 1% vol., de igual manera distinge que este no varía significativamente teniendo un decrecimiento del mismo cuando se realiza la aceleración a 2500 rpm y a 4500 rpm ( simulando una conducción brusca) los mismos están dentro de rango permisible.
Recalcar que las mediciones de los gases fueron tomados en ralentí desúés de haber acelerado durante 3 min. a 2500 rpm., y de forma similar se tomaron las mediciones en ralentí despúes de acelerar 10 veces contínuas a 4500 rpm.
Es decir que todas las mediciones fueron tomadas en ralentí a 720 rpm.
Figura 5. CO %vol. (medición de gases sin pre calentador). 0
2 4
0 2 4 6 8 3 min a 2500 rpm10 10 a 4.500 rpm
C
O
%
V
ol
.
Tiempo en minutos
28
4.1.1.2. Análisis de hidrocarburos no combustionados (HC)
En la figura 6 se indica el cambio de los valores de hidrocarburos con respecto al tiempo, los hidrocarburos no combustionados (HC), se estabilizan a los 4 minutos en un valor de 250 ppm. lo cual no es permisible según la norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2204:2002 para este gas, que sea menos de 200 ppm., de igual manera se puede distinguir que este varía significativamente teniendo un decrecimiento del mismo cuando se realizó la aceleración sea a 2500 rpm y a 4500 rpm ( simulando una conducción brusca) obteniendo valores aproximados entre 0 ppm. y 50 ppm. dentro del rango según la norma.
Figura 6. HC ppm (medición de gases sin pre calentador).
4.1.1.3. Análisis de oxígeno (O2)
En la figura 7 se indica el cambio de valores del oxígeno (O2) con respecto al
tiempo, el O2 se puede apreciar que está entre 0.4 %vol. y 1.2 %vol. y se
estabiliza en el minuto 2, el rango permisible de este gas según los valores
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 2 4 6 8 10 3 min a
2500 rpm
10 a 4.500
rpm
H
C
ppm
.
Tiempo en minutos
29 tomados de la aprovación de la revisión vehicular del DMQ está entre 0%vol. y 3%vol., por lo que la emisión de O2 cumple con los rangos de la Norma
INEN 2204.
Figura 7. O2 %vol. (medición de gases sin pre calentador).
4.1.1.4. Análisis del dióxido de carbono (CO2)
En la figura 8 se indica la variación de dióxido de carbono (CO2) con
respecto al tiempo, El CO2 empieza a estabilizarse desde los 2 minutos, de
igual manera después de las aceleraciones se aprecia que el porcentaje del CO2 aumenta levemente de 13.2%vol. a 13. 8%vol. muy imperceptible; es
decir, hasta que el catalizador oxide el CO en CO2 se demora 2 minutos
desde la puesta en marcha del motor frío.
Figura 8. CO2 %vol. (medición de gases sin pre calentador).
0 0,5 1 1,5
0 2 4 6 8 10 3 min a
2500 rpm 10 a 4.500 rpm O2 % v o l.
Tiempo en minutos
O
2% vol
10,511 11,512 12,513 13,514
0 2 4 6 8 10 3 min a
2500 rpm 10 a 4.500 rpm CO 2 % vol .
Tiempo en minutos
30
4.1.1.5. Análisis del factor Lambda
En la figura 9 se observa la variacion de los valores del factor lambda con respecto al tiempo, el factor lambda se estabiliza desde los 2 minutos y que al momento de acelerar a 2500 rpm y a 4500 rpm ( simulando una conducción brusca) no cambia insignificativamente, y ya que a este valor lo estabiliza la ECU mediante todos los sensores del vehículo siempre oscilando alrededor de 1.
Figura 9. Factor lambda (medición de gases sin pre calentador).
4.1.1.6 Análisis de temperatura externa del catalizador
En la figura 10 se observa la variación de la temperatura con respecto al tiempo, la temperatura externa del catalizador se logra estabilizar a los 3 minutos teniendo un incremento del mismo al momento de acelerar a 2500 rpm y a 4500 rpm ( simulando una conducción brusca), lo que quiere decir que a mayor flujo de gases de escape que entra al catalizador es mayor la temperatura. 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1 1,02 1,04
0 2 4 6 8 10 3 min a
2500 rpm 10 a 4.500 rpm V al or L am bda
Tiempo en minutos
31 Es decir que el catalizador utiliza mayor tiempo en alcanzar la temperatura idónea de trabajo cuando el calentamiento se inicia desde la temperatura corresponde a la del ambiente, en cambio se logra alcanzar la temperatura idónea de trabajo más rápido cuando el calentamiento se inicia a una temperatura superior a la ambiental proporsionada por el precalentador.
Figura 10. Temperatura (medición de gases sin pre calentador).
4.2. DISEÑO DE TRES PRECALENTADORES
4.2.1. POTENCIA
Para diseñar un precalentador de convertidor catalítico e instalarlo en un vehículo liviano, se debe tomar en cuenta la capacidad de batería, un automóvil convencional utiliza una batería de 12 V y 40 A, estos valores se utilizan para calcular con la ecuación 4 el valor de la potencia.
𝑃 = 𝑉 × 𝐼
𝑃 = 12(𝑉) × 40(𝐴)
𝑃 = 480 (𝑊)
Como datos conocidos para proseguir con el cálculo se tiene:
Diámetro externo de la tubería: 0.048m
0 20 40 60 80 100 120
0 2 4 6 8 10 3 min a
2500 rpm 10 a 4.500 rpm Te m pe ra tur a °C
Tiempo en minutos
32 Diámetro Interno de la tubería: 0.044m
Velocidad media del pistón: 20 𝑚
𝑠 Temperatura de salida del gas: 65°C Cilindrada del vehículo: 1800 cm3.
Cilindrada unitaria del vehículo: 1800
4 = 450 𝑐𝑚 3
Revoluciones: 1000 𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛= 16.67 𝑟𝑒𝑣 𝑠𝑒𝑔
En cada 2 vueltas del cigüeñal se realiza una fase de escape por lo cual:
16.67
2 = 8.34 𝑟𝑒𝑣 𝑠𝑒𝑔
Coeficiente de conductividad térmica del acero al carbono: 60.5 𝑊
𝑚𝐾 (tablas termodinámicas)
En todo el análisis se considera a los gases de escape como aire y de igual manera al aire como gas ideal por lo cual se conoce:
Densidad del aire a 65°C: 1.059 𝑘𝑔
𝑚3 (tablas mecánica de fluidos) Viscosidad cinemática del fluido del aire: 1.79 × 10−5
Coeficiente de convección de transferencia de calor: 25 𝑊
𝑚2𝐾
Calor específico a 65 °C= 338K, se calcula mediante interpolación lineal tomando los valores de tablas termodinámicas.
330 − 338 338 − 350=
1.005 − 𝑋 𝑋 − 1.008 38
12=
1.005 − 𝑋 𝑋 − 1.008
38𝑋 − 38.304 = 12.06 − 12𝑋
50𝑋 = 50.364
33
Caudal Volumétrico: Se reemplaza los valores ya conocidos en la ecuación 5.
𝑄 = 𝐴 × 𝑣
𝑄 = 1800 𝑐𝑚3× 8.34 𝑟𝑒𝑣
𝑠𝑒𝑔
𝑄 = 15012𝑐𝑚
3
𝑠
𝑄 = 0.015012𝑚
3
𝑠
Velocidad de flujo de gas: Se obtiene reemplazando el caudal volumétrico en la ecuación 6.
𝑣 =𝑄 𝑆
Donde S es el área del tubo.
𝑆 = 𝜋𝑟2
𝑆 = 𝜋(0.022𝑚)2
𝑆 = 0.00152 𝑚2
Aplicando la ecuación de velocidad de flujo se tiene que:
𝑉 =0.015012 0.00152
𝑚3
𝑠 𝑚2
𝑉 = 9.876𝑚 𝑠
Numero de Reynolds: Permite saber si el flujo es laminar o turbulento, para encontrar el número de Reynolds se aplica la ecuación 7.
𝑅 =𝑉 × 𝐷 𝑣
𝑅 = 9.876 𝑚
𝑠 × 0,044𝑚 1.79 × 10−5𝑚2
𝑠 𝑅 = 24276.20