UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS DE
TUBO DE ESCAPE TOTAL PARA MODIFICAR PARÁMETROS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
HERRERA GUERRA CRISTIAN PATRICIO
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172250794-2
APELLIDO Y NOMBRES: Herrera Guerra Cristian Patricio DIRECCIÓN: Panamericana Norte kilómetro 9 ½ Conjunto
Atlántica IV
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 02-2-428-877
TELÉFONO MOVIL: 0987473479
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
Diseño y construcción de un banco de pruebas de tubo de escape total para modificar parámetros.
AUTOR O AUTORES: Herrera Guerra Cristian Patricio FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 07-08-2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Edwin Tamayo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN:
de la carga de presión conforme disminuye el área entre otros aspectos.
Producto de este proceso se obtuvo un banco de pruebas para analizar y diagnosticar los inconvenientes que se pueden presentar al diseñar, fabricar o reparar un sistema de escape obteniendo resultados como una variación de la velocidad desde 4.5 𝑚 𝑠⁄ hasta 355.1 𝑚 𝑠⁄ , una variación de la presión entre 1 𝑎𝑡𝑚 y 2
𝑎𝑡𝑚, junto con una temperatura constante de 58.7℃, una variación de las longitudes a las que se producen las pérdidas por fricción desde 0.011 𝑚 hasta 1877.7 𝑚 y las pérdidas por el cambio de sección desde 338.37 𝑚 hasta 644.86 𝑚 a través de los diferentes tramos de tubo.
PALABRAS CLAVES:
Sistema de escape Tubo de escape Contrapresión
Temperatura de los gases de escape Presión de los gases de escape Velocidad de los gases de escape.
ABSTRACT:
The design and construction of a test tube of exhaust pipe was developed with the purpose of offering to the students of the race of Automotive Engineering of the Technological University Equinoccial a didactic operating system for the analysis and understanding of the behavior of the gases of the Combustion in the exhaust system as changes in the operating parameters of temperature, pressure and gas velocity in the different sections of the exhaust system due to abrupt or gradual expansions and contractions in their sections.
variation of the speed from 4.5 m / s up to 355.1 m / s, one Pressure variation between 1 atm and 2 atm, together with a constant temperature of 58.7 ℃, a variation of the lengths at which friction losses occur from 0.011 m to 1877.7 m and losses by section change from 338.37 m Up to 644.86 m through the different pipe lengths.
KEYWORDS
Exhaust system Exhaust Pipe Back pressure
Exhaust gas temperature Exhaust gas pressure Exhaust gas velocity.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, HERRERA GUERRA CRISTIAN PATRICIO, CI 172250794-2 autor/a del
proyecto titulado: Diseño y construcción de un banco de pruebas de tubo
de escape total para modificar parámetros,previo a la obtención del título
de INGENIERO AUTOMOTRIZ 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.
DECLARACIÓN
Yo CRISTIAN PATRICIO HERRERA GUERRA, 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.
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
A Dios, que me ha permitido una vez más levantarme para tener la fuerza y la fe para culminar una etapa más de mi vida.
A mi madre Lourdes, por alentarme siempre a seguir luchando contra todo lo que se me presente, por su tiempo dedicado y por guiarme para ser cada vez mejor.
A mi padre Patricio, por motivarme a alcanzar mis metas establecidas, por enseñarme a ser una persona de bien, por su tiempo dedicado y por su apoyo incondicional en todos los aspectos.
A mis hermanos Andrés y María José, que han sido un gran ejemplo e iluminación en mi vida.
A mi abuelita Carmela, por siempre encargarse e interesarse en nuestra salud y superación de cada uno de nosotros.
A mi abuelito Carlos y mi tía Doris, que me educaron y siempre me cuidaron y ahora lo hacen desde el cielo.
A todos mis tíos y primos que siempre están pendientes de mi superación y salud, pero en especial a mi tía Mary por enseñarme a nunca darme por vencido.
A todos ellos,
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 16
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 18
3.1. DISEÑO 18
3.2. CONSTRUCCIÓN 33
3.3. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 37
3.4. ANÁLISIS DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 42
3.5. COMPARACIÓN TEÓRICA - PRÁCTICA 46
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 51
4.1. CONCLUSIONES 51
4.2. RECOMENDACIONES 52
NOMENCLATURA O GLOSARIO 53
5. BIBLIOGRAFÍA 54
ii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Diámetros de tramos de tubo de escape propuestos. 18
Tabla 2. Propiedades del aire. 22
Tabla 3. Rugosidad de materiales. 24
Tabla 4. Longitud de tramos de tubo de escape. 25
Tabla 5. Coeficiente de resistencia – contracción súbita. 27
Tabla 6. Interpolación de coeficientes de resistencia. 27
Tabla 7. Coeficiente de resistencia – expansión gradual. 29
Tabla 8. Cálculos principales del diseño del banco de pruebas. 33
Tabla 9. Diseño de tramos de tubo del banco de pruebas. 37
Tabla 10. Velocidades calculadas. 37
Tabla 11. Velocidades medidas. 38
Tabla 12. Presiones calculadas. 38
Tabla 13. Presiones medidas. 39
Tabla 14. Temperaturas medidas. 40
Tabla 15. Perdidas por fricción en el banco de pruebas. 40
Tabla 16. Perdidas menores del banco de pruebas. 41
Tabla 17. Error porcentual entre velocidades calculadas y medidas. 46
Tabla 18. Error porcentual entre presiones calculadas y medidas. 47
Tabla 19. Temperatura del sistema de escape de un motor. 48
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Motor de combustión interna. 4
Figura 2. Sistema de escape del motor. 5
Figura 3. Válvulas de escape. 5
Figura 4. Múltiple de escape. 6
Figura 5. Sonda lambda en el colector de escape. 6
Figura 6. Tubo de escape en acero inoxidable. 7
Figura 7. Silenciador del sistema de escape. 8
Figura 8. Tubo de cola. 8
Figura 9. Abrazadera. 8
Figura 10. Sopladores centrífugos. 10
Figura 11. Intercambiador de calor. 10
Figura 12. Medidor de presión diferencial. 11
Figura 13. Diseño de soplador / extractor. 18
Figura 14. Diseño de contracción súbita entre tramo uno y tramo dos. 19
Figura 15. Diseño de expansión gradual entre tramo dos y tramo tres. 20
Figura 16. Diseño de contracción gradual entre tramo dos y tramo cuatro. 21
Figura 17. Diagrama de Moody. 25
Figura 18. Contracción súbita. 28
Figura 19. Expansión gradual. 28
Figura 20. Contracción gradual. 29
Figura 21. Coeficiente de resistencia – contracción gradual. 30
Figura 22. Distribución de pesos en el banco de pruebas. 32
Figura 23. Distribución de pesos vista frontal. 32
Figura 24. Soplador / Extractor. 33
Figura 25. Regulador de velocidad del extractor. 34
Figura 26. Intercambiadores de calor. 34
Figura 27. Reguladores de temperatura. 34
Figura 28. Conexión máquina de humo. 35
Figura 29. Tramos de tubo de acrílico. 35
Figura 30. Dispositivos para medición de presión diferencial. 35
Figura 31. Estructura metálica del bando de pruebas. 36
Figura 32. Banco de pruebas de tubo de escape. 36
Figura 33. Velocidad calculada. 37
Figura 34. Velocidad medida. 38
Figura 35. Presión calculada. 39
Figura 36. Presión medida. 39
Figura 37. Temperatura medida. 40
Figura 38. Pérdidas por fricción. 41
Figura 39. Perdidas menores. 41
iv
Figura 41. Carga de velocidad entre tramo uno, tramo dos y tramo cuatro. 42
Figura 42. Carga de presión del tramo dos al tramo tres. 43
Figura 43. Carga de presión entre el tramo uno, tramo dos y tramo cuatro. 43
Figura 44. Temperatura en la trayectoria del banco de pruebas. 43
Figura 45. Perdidas por cambio de sección del tramo uno al tramo dos. 44
Figura 46. Perdidas por cambio de sección del tramo dos al tramo tres. 45
Figura 47. Perdidas por cambio de sección del tramo dos al tramo cuatro. 45
Figura 48. Simulación de pérdidas por fricción y por cambio de sección. 45
Figura 49. Error porcentual de velocidad calculada y medida. 46
Figura 50. Error porcentual de presión calculada y medida. 47
Figura 51. Variación de temperatura. 48
Figura 52. Variación de temperatura del sistema de escape. 49
Figura 53. Variación de presión del sistema de escape. 49
v
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Especificaciones soplador/extractor 500/150. 57
ANEXO 2. Planos de tramos de tubo. 59
ANEXO 3. Planos de estructura del banco de pruebas. 62
ANEXO 4. Diagrama de Moody. 64
ANEXO 5. Coeficiente de resistencia – contracción gradual. 65
ANEXO 6. Ficha técnica de aceros utilizados. 66
ANEXO 7. Ficha técnica de acrílico utilizados. 68
1
RESUMEN
El diseño y construcción de un banco de pruebas de tubo de escape se desarrolló con la finalidad de brindar a los estudiantes de la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial un sistema operativo didáctico para el análisis y comprensión del comportamiento de los gases de la combustión en el sistema de escape como los cambios de los parámetros de operación de temperatura, presión y velocidad de los gases en los diferentes tramos del sistema de escape debido a la existencia de expansiones y contracciones de forma brusca o gradual en sus secciones. Se determinó el diseño más adecuado para el banco de pruebas para evitar grandes pérdidas de flujo por la fricción o por el cambio de sección en el sistema conforme los gases pasan de un tramo de tubo determinado a otro más grande, que provocara una disminución en su carga de velocidad con un aumento de la carga de presión o por otra parte conforme los gases pasan de un tramo de tubo determinado a otro más pequeño que provocara un aumento de la carga de velocidad con una disminución de la carga de presión conforme disminuye el área entre otros aspectos.
Producto de este proceso se obtuvo un banco de pruebas para analizar y diagnosticar los inconvenientes que se pueden presentar al diseñar, fabricar o reparar un sistema de escape obteniendo resultados como una variación de la velocidad desde 4.5 𝑚 𝑠⁄ hasta 355.1 𝑚 𝑠⁄ , una variación de la presión entre 1 𝑎𝑡𝑚 y 2 𝑎𝑡𝑚, junto con una temperatura constante de 58.7℃, una variación de las longitudes a las que se producen las pérdidas por fricción desde 0.011
𝑚 hasta 1877.7 𝑚 y las pérdidas por el cambio de sección desde 338.37 𝑚 hasta 644.86 𝑚 a través de los diferentes tramos de tubo.
Palabras clave: Sistema de escape, Tubo de escape, Contrapresión,
2
ABSTRACT
The design and construction of a test tube of exhaust pipe was developed with the purpose of offering to the students of the race of Automotive Engineering of the Technological University Equinoccial a didactic operating system for the analysis and understanding of the behavior of the gases of the Combustion in the exhaust system as changes in the operating parameters of temperature, pressure and gas velocity in the different sections of the exhaust system due to abrupt or gradual expansions and contractions in their sections.
The most suitable design for the test bed was determined to avoid large loss of flow due to friction or change of section in the system as the gases passed from a certain tube section to a larger one, causing a decrease in its Velocity loading with an increase in the pressure load or otherwise as the gases move from a given tube length to a smaller one which would cause an increase in the speed load with a decrease in the pressure load as the area decreases in other aspects.
The product of this process was obtained a test bench to analyze and diagnose the disadvantages that can occur when designing, manufacturing or repairing an exhaust system obtaining results as a variation of the speed from 4.5 m / s up to 355.1 m / s, one Pressure variation between 1 atm and 2 atm, together with a constant temperature of 58.7 ℃, a variation of the lengths at which friction losses occur from 0.011 m to 1877.7 m and losses by section change from 338.37 m Up to 644.86 m through the different pipe lengths.
Keywords: Exhaust system, Exhaust Pipe, back pressure, temperature,
3
1. INTRODUCCIÓN
La potencia y el rendimiento del motor de un vehículo pueden verse afectados debido a un incorrecto diseño, construcción o reparación del sistema de escape por la disposición de conductos con secciones muy grandes, demasiado pequeñas, con conductos curvos o el acoplamiento entre estos ya que si el tubo de escape tiene una gran dimensión, el motor aumenta su potencia, pero se calienta aún más, en cambio si su dimensión es muy pequeña u obstruida, el motor denota falta de potencia.
Para obtener una potencia y un rendimiento satisfactorios se requiere el libre paso de los gases de escape por los diferentes elementos del sistema, debiendo ser estos lo más rectos, sin muchas ángulos, ni curvaturas en la medida de lo posible, por esta razón este trabajo de titulación es de suma importancia para los estudiantes de la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial para realizar un análisis didáctico del comportamiento de los gases a través del sistema de escape para realizar el mejor diseño, construcción o reparación de este sistema para obtener el mejor rendimiento y potencia en el motor por medio de los valores correctos de los parámetros de temperatura, presión y velocidad de los gases.
Este proyecto de tesis tiene por objetivo general diseñar y construir un banco de pruebas del sistema de tubo de escape total para modificar parámetros mediante la variación de las dimensiones. A su vez sus objetivos específicos fueron el identificar los parámetros de operación normal del sistema de escape de un motor, determinar los elementos que componen el sistema de tubo de escape mediante el estudio bibliográfico de los mismos para optimizar el funcionamiento del banco de pruebas, estudiar los parámetros de operación de los gases de escape al variar sus dimensiones para el estudio del comportamiento operacional, seleccionar y diseñar los componentes para construir el banco de pruebas del sistema de tubo de escape para modificar los parámetros en el tubo de escape y recopilar datos mediante el análisis de los resultados obtenidos para establecer los parámetros de funcionamiento. Además de diseñar y construir una estructura de soporte que permita realizar pruebas de funcionamiento de forma eficiente para las pruebas de comparación pertinentes.
4 Figura 1. Motor de combustión interna.
(Oliveros, 2012)
Los gases de la combustión en el sistema de escape, a la salida tanto del múltiple de escape del motor como a la atmosfera, presentan condiciones de temperatura y presión en los gases las cuales dependerán del proceso de combustión, de las disposiciones constructivas, del cilindraje del motor, de los diámetros de los conductos por los que circulan, entre otros aspectos (Dolz, 2011) y (Arias-Paz, 2000).
Las condiciones de temperatura de los gases quemados, que abandonan el motor se encuentran a una temperatura entre 700 y 1300 grados Centígrados o Celsius, las cuales van decreciendo a medida que se mueven por el sistema, hasta salir a la atmosfera a una temperatura de aproximadamente 100 °C (Dolz, 2011) (Garzón, 2013).
5
Figura 2. Sistema de escape del motor. (Molero, 2017)
Las válvulas de escape tienen la responsabilidad de cerrar herméticamente la salida de la cámara de combustión, se abren y cierran por el empuje de una leva, realizando un trabajo demasiado severo ya que se mueven a alta velocidad cuando el motor gira rápido y están en el medio del paso de gases a más de 700°C cuando el motor trabaja con carga y velocidades elevadas (Oliveros, 2012) y (Garzón, 2013).
Estas válvulas tienen la cabeza con un menor diámetro para darle mayor consistencia ya que están sometidas a altas temperaturas por lo que en algunos casos poseen un vástago hueco relleno de sodio, el cual tiene la propiedad de que con el calor se hace liquido transmitiendo el calor y reduciendo la temperatura en más de 100 °C en esta parte como se muestra en la figura 3 (Dolz, 2011) y (Garzón, 2013).
Figura 3. Válvulas de escape. (Oliveros, 2012)
6 su trayectoria, la onda de expansión tropieza contra una superficie, por ejemplo con un codo extremadamente pronunciado, puede rebotar en él y tomar un movimiento en reversa que se opone al libre paso del resto de los gases, por lo que el cilindro no se limpiará adecuadamente como se muestra en la figura 4 (Arias-Paz, 2000) y (Garzón, 2013).
Figura 4. Múltiple de escape. (Bello, 2011)
El sensor de oxigeno o sonda lambda sirve para poder controlar la mezcla aire y combustible en una proporción denominada relación estequiométrica, que indica la cantidad de dichas sustancias para lograr una combustión completa, mostrando el porcentaje de estos dos componentes que entran en el motor (Bello, 2011).
En un motor Otto o de gasolina la relación ideal es de 14,7:1, es decir son necesarios 14,7 gramos de aire por cada gramo de gasolina para realizar una combustión perfecta, en cambio en un motor Diésel la mezcla estequiométrica es de 14,5:1 muy parecida, es decir 14,5 gramos de aire por 1 gramo de gasoil, en este caso con una relación de aire y combustible variable, como se muestra en la figura 5 (Bello, 2011).
Figura 5. Sonda lambda en el colector de escape. (Bello, 2011)
7 en los cuales se mide los parámetros de operación de dichos desechos tóxicos del motor para finalmente ser liberados al medio ambiente (Oliveros, 2012) y (Pozo, 2010). Son de paredes muy finas para que sean de poco peso, y relativamente flexibles para evitar cargas adicionales a las partes integrantes durante las dilataciones y contracciones por el notable cambio de temperatura entre reposo y funcionamiento, por eso reciben un tratamiento protector superficial, generalmente aluminado, los cuales están sometidos por el exterior a la intemperie y por el interior a gases oxidantes muy caliente, como se muestra en la figura 6 (Oliveros, 2012) y (Garzón, 2013).
Figura 6. Tubo de escape en acero inoxidable. (Bello, 2011)
8 Figura 7. Silenciador del sistema de escape.
(Garzón, 2013)
El tubo de cola o salida es el componente visible desde la parte posterior del vehículo y última del sistema de escape, su misión es permitir la salida de los gases de escape a la atmósfera, los cuales se fabrican en materiales como acero resistente a la corrosión, acero inoxidable o titanio (Garzón, 2013). En este punto los gases se han enfriado, este enfriamiento, en ciertos casos de funcionamiento a poca potencia, permite que los gases puedan llegar a una temperatura menor de 100°C dentro del tubo de escape, lo que implica que el abundante vapor de agua que contienen pueda condensarse como agua líquida, más probablemente en el tubo de cola que está al final, como se muestra en la figura 8 (Garzón, 2013).
Figura 8. Tubo de cola. (Garzón, 2013)
Las abrazaderas son componentes que formar las conexiones herméticas entre dos tramos de tubos o un tubo y el silenciador o cualquier otro elemento del sistema para evitar fugas de los gases de escape hacia el exterior, como se muestra en la figura 9 (Pozo, 2010).
9 Posteriormente también existen averías en el sistema de escape del motor, daños que con el paso del tiempo pueden conseguir perjudicar la función que cumplen cada uno de los componentes llegando a deteriorar el sistema por completo, pero, el mismo sistema se encarga de comunicar dichas averías por medio de alertas a las que se debe dar una pronta solución rápida y efectiva (Oliveros, 2012).
La obstrucción en el sistema de escape se produce por una sedimentación de la carbonilla que llevan los gases de escape en las distintas partes del sistema provocando un aumento en el consumo de combustible, así como el aumento de la velocidad de salida de los gases y una gran dificultad para evacuar los gases produciendo de esta manera corrosión en el sistema de tubo de escape (Oliveros, 2012) (Virtual, 2012).
El ruido se debe a que la combustión dentro del motor genera algunos vapores que al enfriarse se condensan en agua almacenándose en el tubo de escape y produciendo con el paso del tiempo oxidación, agujeros y deterioro (Oliveros, 2012). Por esta causa el escape se va pudriendo poco a poco hasta que se rompe normalmente por alguna de las soldaduras que tiene, dando lugar a roturas. Una rotura del tubo de escape se nota al producirse un ruido metálico al acelerar (Oliveros, 2012) y (Virtual, 2012).
Si el vehículo tiene el escape picado se debe repararlo cuanto antes ya que, se puede romper completamente, dañando más piezas y si la rotura del escape es pequeña, se puede optar por soldar el escape, solucionando de esta forma el problema, si esta solución no es posible, se tiene que sustituir la pieza por completo (Oliveros, 2012) y (Virtual, 2012). Esto también se puede dar en cualquiera de los componentes como es el caso de un silenciador agujerado que ya no cumplirá bien con su función, pues el ruido que se produce dentro del motor ya no reduce su intensidad en el laberinto al interior del silenciador debido a que éste tiene fugas ocasionadas por los agujeros que genera el óxido (Oliveros, 2012) y (Virtual, 2012).
En cuanto a potencia y rendimiento el sistema de escape, aunque parece no necesitar de muchos cuidados, de encontrarse en mal estado podría afectar notoriamente el rendimiento y la potencia de su vehículo y generar daños de tipo ambiental (Oliveros, 2012) y (Virtual, 2012).
10 estática mayor para el soplador, y reduce los remolinos del aire, como se muestra en la figura 10 (Mott, 2006).
Figura 10. Sopladores centrífugos. (Mott, 2006)
El intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se encuentren en contacto, en este caso se trata del contacto entre el aire y las placas calientes del radiador para calentar el aire del soplador o extractor, como se muestra en la figura 11 (Oliveros, 2012).
Figura 11. Intercambiador de calor. (Oliveros, 2012)
11 El anemómetro es un instrumento para medir la velocidad o rapidez del aire ya sea en un flujo contenido, como el flujo de aire en un conducto, o en flujos no confinados (Tecnología, s.f.). Para determinar la velocidad, un anemómetro detecta el cambio en alguna propiedad física del fluido o el efecto del fluido en un dispositivo mecánico insertado en el flujo (Tecnología, s.f.).
Los medidores de presión diferencial tienen un puntero que está unido a una hélice hecha con un material que tiene permeabilidad magnética elevada, un resorte de hoja es llevado hacia arriba y hacia abajo por el movimiento de un diagrama flexible (Mott, 2006). Esta tecnología es apta para las aplicaciones que incluyen medidas de presión diferencial en filtros, intercambiadores de calor, obturadores de contracorriente, tuberías y ductos (Mott, 2006). La escala del medidor por lo general tiene una lectura de cero cuando está abierto a la presión atmosférica, y se calibra en pascales u otras unidades superiores a cero, por tanto, este medidor lee la presión manométrica en forma directa, como se muestra en la figura 12 (Mott, 2006).
Figura 12. Medidor de presión diferencial. (Mott, 2006)
Por otra parte para el análisis del flujo de gases tanto en el sistema de escape del motor como en el banco de pruebas, se procede a describir las variables utilizadas para analizar y comparar los posteriores cálculos realizados. El fluido se define como cualquier masa de líquido o gas que puede fluir (moverse), siendo los líquidos prácticamente incomprensibles mientras que los gases son comprensibles (Mott, 2006). Se dice que un fluido es ideal cuando cumple con las propiedades de ser incompresible, irrotacional y no viscoso (Mott, 2006).
12 La ecuación de continuidad establece que se puede conocer la velocidad de flujo en cualquier sección del sistema considerando que el fluido circula con un flujo volumétrico constante de la primera sección a la segunda, es decir la cantidad de fluido que circula a través de cualquier sección en cierta cantidad de tiempo es constante, a esto se lo conoce como flujo estable, esto quiere decir que si entre la primera y segunda sección no se agrega o retira fluido la masa del fluido será similar en ambas esto relacionando la densidad de fluido, el área de flujo y la velocidad de este en dos secciones del sistema, como se muestra en la ecuación 1 (Mott, 2006).
𝑄 = 𝐴 × 𝑣 [1]
Dónde:
𝐴: Área (𝑚2)
𝑣: Velocidad (𝑚𝑠)
𝑄: Flujo volumétrico (𝑚
3
𝑠 )
La presión dinámica es la presión que se ejerce sobre el fluido debido al movimiento del fluido y se calcula por medio de la ecuación 2 (Serway/Vuille, 2010).
𝑃𝐷 =𝜌𝑉22 [2]
Donde:
𝑃𝐷: Presión dinámica 𝑃𝑎
𝑉: Velocidad 𝑚/𝑠
𝜌: Densidad 𝑘𝑔/𝑚3
El calor es la energía en tránsito que se produce entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas, es decir es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas, al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico que se calcula por medio de la ecuación 3 (Serway/Vuille, 2010).
𝑄 = 𝑚 . 𝐶𝑝. ∆𝑇 [3]
Donde:
𝑄: Calor (cal.)
𝑚: Masa (g)
𝐶𝑝: Calor especifico (𝑔 ℃𝑐𝑎𝑙)
13 Según la ley cero de la termodinámica si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, entonces se encuentran en equilibrio térmico entre sí (Serway/Vuille, 2010).
𝑇𝐴 > 𝑇𝐵
𝑠𝑖 𝑇𝐴 = 𝑇𝐶 𝑦 𝑇𝐵 = 𝑇𝐶 → 𝑇𝐴 = 𝑇𝐵
El número de Reynolds caracteriza la naturaleza del flujo, este carácter del flujo en un tubo redondo depende de cuatro variables que son la densidad del fluido, su viscosidad, el diámetro del tubo y la velocidad (Mott, 2006). Si el número de Reynolds para el flujo es menor que 2000, éste será laminar, si el número de Reynolds es mayor que 4000, el flujo será turbulento y en el rango de números de Reynolds entre 2000 y 4000 es imposible predecir qué flujo existe por tanto, se lo denomina región crítica y se calcula por medio de la ecuación 4 (Mott, 2006).
𝑁𝑅 = 𝑉𝐷𝜌𝑛 [4]
Dónde:
𝑁𝑅: Número de Reynolds (adimensional)
𝑣: Velocidad del gas (𝑚𝑠)
𝐷: Diámetro del conducto circular (𝑚)
𝑛: Viscosidad dinámica (𝑚𝑠2)
𝜌: Densidad del fluido
Según la ecuación de Darcy se puede calcular la pérdida de energía debido a la fricción en secciones rectilíneas y largas de tubos redondos, tanto para flujo laminar como turbulento por medio de la ecuación 5 (Mott, 2006).
ℎ𝑙 = 𝑓 ∗𝐿𝐷∗𝑉2𝑔2 [5]
Donde:
ℎ𝑙: Perdida por fricción (𝑚)
𝑓𝑇: Factor de fricción
𝐿: Longitud de la tubería (𝑚)
𝐷: Diámetro del conducto circular (𝑚)
𝑣: Velocidad del fluido (𝑚𝑠)
14 La diferencia entre los dos flujos está en la evaluación del factor de fricción adimensional que se puede obtener por medio del diagrama de Moody y la ecuación 6 (Mott, 2006).
𝑓 = Ø𝜖 [6]
Donde:
𝑓: Factor de fricción
Ø: Diámetro de la tubería
𝜖: Rugosidad del material
Las pérdidas menores se determinan por la pérdida de energía conforme el fluido circula por conductos de diferente tamaño, dichas pérdidas son proporcionales a la carga de velocidad del fluido, conforme pasa por un codo, expansión o contracción de la sección de flujo y se calcula por medio de la ecuación 7 (Mott, 2006).
ℎ𝐿 = 𝐾 (𝑉2
2
2𝑔) [7]
Dónde:
ℎ𝐿: Perdida menor (𝑚)
𝐾: Coeficiente de resistencia.
𝑣2: Velocidad en la tubería pequeña (𝑚𝑠)
𝑔: Gravedad (𝑚𝑠2)
Por lo general los valores experimentales de las pérdidas de energía se reportan en términos de un coeficiente de resistencia que depende de la relación de los tamaños de los diámetros de las dos tuberías en estudio, como se muestra en la ecuación 8 (Mott, 2006).
𝐾 =𝐷1
𝐷2 [8]
Donde:
𝐷1: Diámetro de la tubería mayor (𝑚)
𝐷2: Diámetro de la tubería menor (𝑚)
15 direccionamiento de los gases de escape para la supresión del ruido (Pozo, 2010).
Dependiendo de la contrapresión o presión de retorno en el escape el rendimiento del motor puede verse alterado perdiendo potencia y produciendo más ruido del debido, dando lugar a efectos indeseados como es un aumento excesivo de la temperatura del motor y/o un mayor consumo de combustible (Pozo, 2010).
El EXUP o Exhaust Ultimate Power Valve, estado del arte del proyecto, es un dispositivo, incorporado en algunas motocicletas, que ajusta constantemente el diámetro interno del sistema de escape en relación a las revoluciones del motor, consiguiendo así un buen rendimiento y una entrega lineal de potencia en toda la serie de revoluciones (Yamaha, 2012). Consiste de una válvula en el interior del escape, en el punto donde se unen los colectores, que se abre o cierra mediante un servomotor controlado por el módulo de encendido, que pasa de estar completamente cerrado cuando esta al ralentí a una apertura total a 9000 revoluciones por minuto (Yamaha, 2012).
16
2. METODOLOGÍA
Se seleccionó el programa de Solidworks que es un software CAD (diseño asistido por computadora) para modelado mecánico en 3D que permite modelar piezas y conjuntos al mismo tiempo de extraer de ellos planos técnicos para diseñar el banco de pruebas de tubo de escape el cual sea capaz de admitir información en base a las medidas de construcción del prototipo para elaborar sus distintos tramos de tubo y arrojar adecuadas medidas para la elaboración de planos para proceder a la construcción del prototipo, de esta manera se lograra el cumplimiento y alcance del objetivo general citado en la primera sección a través de culminar cada uno de los objetivos específicos del proyecto de titulación.
Se efectuó una investigación de todos los parámetros que intervienen en el sistema de escape desde la salida del múltiple, pasando por todos sus componentes, hasta la salida hacia la atmosfera y por medio de los datos obtenidos se pudo obtener el alcance del primer objetivo específico pronunciado anteriormente y realizar así el cumplimiento del mismo.
Procedentemente se describió cada uno de los componentes del sistema de escape del motor para establecer las características fundamentales, principales partes y la clasificación de los componentes del sistema para cumplir y obtener el alcance del segundo objetivo específico mencionado con anterioridad.
Posteriormente se obtuvo el tercer objetivo específico enunciado en un principio y por consiguiente su alcance realizando los cálculos pertinentes mediante la indagación de leyes y ecuaciones relacionadas al estudio del comportamiento de un gas, tomando en consideración los fundamentos de las ecuaciones [1] a [8] mencionadas en la primera sección.
Después se logró el cumplimiento y el alcance del cuarto objetivo específico formulado en la sección inicial, por medio de la elección de cada uno de los componentes y la elaboración de planos de los acoplamientos para la conexión de los distintos tramos de tubo para el desempeño optimo del banco de pruebas.
17 Las condiciones de temperatura, presión y velocidad del gas se midieron debido a que variaran sus valores dependiendo de las dimensiones de los tramos de los conductos y la dimensión de la entrada, estructura interna y salida de los diferentes elementos constituyentes del sistema.
Posteriormente se procedió a realizar los cálculos respectivos basándose en los fundamentos de las ecuaciones [1] a [8] mencionadas anteriormente, cuyas magnitudes calculadas se utilizaran para conocer las diferentes condiciones que poseen y por las que pasan los gases de la combustión en el sistema de escape.
Dichos cálculos y mediciones sirvieron en primer lugar para comparar las condiciones de temperatura, presión y velocidad cuando los gases pasan a través de los diferentes tramos de tubo, por medio de los acoplamientos para el cambio de sección en sus trayectorias, del sistema para comprender de mejor manera el comportamiento de los gases de la combustión.
En segundo lugar se realizó la comparación de la velocidad medida por el anemómetro con el resultado obtenido mediante la ecuación [1] mostrada anteriormente.
En tercer lugar se dio la comparación entre la presión medida por el medidor de presión diferencial y el resultado obtenido por medio de la ecuación [2] calculada en cada uno de los tramos de tubo de escape.
Finalmente los parámetros comparados fueron necesarios para la recopilación de datos para el análisis de los resultados obtenidos en el banco de pruebas de tubo de escape total para modificar parámetros y del sistema de escape del motor.
18
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1.DISEÑO
Se planteó las dimensiones y parámetros adecuadas para los distintos tramos de tubo considerando las condiciones del sistema de escape del motor como la temperatura que se encuentra entre 700 y 1300 ℃ a la salida del múltiple de escape y aproximadamente 100 ℃ a la salida hacia la atmosfera y las condiciones de presión que se encuentran entre 10 y 20 bar a la salida del múltiple de escape, mientras que a la salida a la atmosfera se hallan entre 3 y 4 bar a través del programa de Solidworks con el cual se obtiene un modelo tridimensional que facilita la observación y manipulación digital de los elementos que constituyen el sistema de tubo de escape mediante el cual se extrajo los planos técnicos necesarios del prototipo.
Para los cálculos correspondientes al banco de pruebas de tubo de escape se debió considerar las variaciones de velocidad, presión, temperatura, pérdidas de energía por la fricción y a través de los cambios de sección para lo cual en primer lugar se presenta los diámetros de las tramos de tubo propuestos para el análisis como se muestra en la tabla 1.
Tabla 1. Diámetros de tramos de tubo de escape propuestos. Tramos de tubo Diámetro interior (𝒎)
Tramo 1 0.148
Tramo 2 0.032
Tramo 3 0.145
Tramo 4 0.017
Mediante el programa de Solidworks, con las especificaciones del soplador en el anexo 1 y con el primer diámetro que se estableció en la tabla 1 se diseñó el tramo uno del banco de pruebas de tubo de escape que va desde la salida de aire del soplador hasta hallar el segundo tramo como se muestra en la figura 13.
19 Para calcular la velocidad de flujo en el tramo uno se utilizó los fundamentos de la ecuación 1 mencionada en la introducción mediante el flujo volumétrico del soplador obtenido del anexo 1.
𝑄1 = 370𝑚3/ℎ
𝑄1 = 370𝑚3 ℎ ∗
1ℎ 60𝑚𝑖𝑛∗
1𝑚𝑖𝑛 60𝑠
𝑄1 = 0.102𝑚3/𝑠
𝐴1 = 𝜋(Ø1)2 4
𝐴1 = 𝜋(0.148)2 4
𝐴1 = 0.017𝑚2
𝑣1 =𝑄1 𝐴1
𝑣1 =
0.102𝑚3/𝑠
0.017𝑚2
𝑣1 = 6𝑚/𝑠
Después de establecer las características del tramo uno se diseñó una contracción súbita para el cambio de sección hacia el tramo dos del prototipo con su diámetro establecido en la tabla 1, como se muestra en la figura 14.
Figura 14. Diseño de contracción súbita entre tramo uno y tramo dos.
20
𝑄1= 𝑄2
𝐴2 = 𝜋(Ø2)2 4
𝐴2 =𝜋(0.032)2 4
𝐴2 = 0.8𝑥10−3𝑚2
𝑣2 =
𝑄1 𝐴2
𝑣2 = 0.102𝑚3/𝑠 0.8𝑥10−3𝑚2
𝑣2 = 127.5 𝑚/𝑠
Posteriormente a establecer las características del tramo uno y dos, se diseñó una expansión gradual para el cambio de sección hacia el tramo tres del banco de pruebas con su diámetro establecido en la tabla 1, como se muestra en la figura 15.
Figura 15. Diseño de expansión gradual entre tramo dos y tramo tres.
Después se procedió a calcular la velocidad del flujo en el tramo tres con respecto al tramo uno por medio de la ecuación 1 anteriormente mencionada.
𝑄1 = 𝑄2 = 𝑄3
𝑄1= 𝑄3
𝐴3 =
𝜋(Ø3)2
4
𝐴3 =𝜋(0.145)2 4
21
𝑣1 =
𝑄1
𝐴3
𝑣1 = 0.102𝑚3/𝑠 0.0165𝑚2
𝑣3 = 6.18𝑚/𝑠
Además de establecer las características del tramo uno y dos, se diseñó una contracción gradual para el cambio de sección hacia el tramo cuatro del banco de pruebas con su diámetro establecido en la tabla 1 para colocarlo en la posición del tramo tres o viceversa, como se muestra en la figura 16.
Figura 16. Diseño de contracción gradual entre tramo dos y tramo cuatro.
Posteriormente se procedió a calcular la velocidad del flujo en el tramo cuatro con respecto al tramo uno mediante la ecuación 1 antes mencionada en la introducción.
𝑄1= 𝑄4
𝐴4 = 𝜋(Ø4)2 4
𝐴4 =
𝜋(0.017)2
4
𝐴4 = 0.22𝑥10−3𝑚2
𝑣4 = 𝑄1 𝐴4
𝑣4 = 0.102𝑚3/𝑠 0.22𝑥10−3𝑚2
𝑣4 = 463.63𝑚/𝑠
22 pruebas, por esta razón para los siguientes cálculos se fijó las propiedades del aire a dicha temperatura como se muestra en la tabla 2.
Tabla 2. Propiedades del aire. Temperatur a 𝑻 (℃) Densidad 𝝆 (𝑲𝒈 𝒎⁄ 𝟑) Peso especific o 𝜸 (𝑵 𝒎⁄ 𝟑) Viscosidad dinámica 𝒏 (𝑷𝒂. 𝒔) Viscosidad cinemática 𝒗 (𝒎𝟐⁄ )𝒔
-40 1.514 14.85 1.51𝑥 10−5 9.98 𝑥 10−6 -30 1.452 14.24 1.56 𝑥 10−5 1.08 𝑥 10−5 -20 1.394 13.67 1.62 𝑥 10−5 1.16 𝑥 10−5 -10 1.341 13.15 1.67 𝑥 10−5 1.24 𝑥 10−5 0 1.292 12.67 1.72 𝑥 10−5 1.33 𝑥 10−5 10 1.247 12.23 1.77 𝑥 10−5 1.42 𝑥 10−5 20 1.204 11.81 1.81 𝑥 10−5 1.51 𝑥 10−5 30 1.164 11.42 1.86 𝑥 10−5 1.60 𝑥 10−5 40 1.127 11.05 1.91 𝑥 10−5 1.69 𝑥 10−5 50 1.092 10.71 1.95 𝑥 10−5 1.79 𝑥 10−5
60 1.060 10.39 1.99 𝑥 10−5 1.89 𝑥 10−5
70 1.029 10.09 2.04 𝑥 10−5 1.99 𝑥 10−5 80 0.9995 9.802 2.09 𝑥 10−5 2.09 𝑥 10−5 90 0.9720 9.532 2.13 𝑥 10−5 2.19 𝑥 10−5 100 0.9450 9.277 2.17 𝑥 10−5 2.30 𝑥 10−5 110 0.9213 9.034 2.22 𝑥 10−5 2.40 𝑥 10−5 120 0.8978 8.805 2.26 𝑥 10−5 2.51 𝑥 10−5
(Mott, 2006)
Después con los datos obtenidos mediante la tabla anterior se procedió a calcular las presiones existentes en los distintos tramos de tubo de escape mediante la ecuación 2 mencionada en la introducción, empezando por el tramo uno.
𝑃1 =
1.060𝑘𝑔/𝑚3(6)2
2
𝑃1 = 19.08 𝑃𝑎 ∗9.869𝑥10−6𝑎𝑡𝑚 1𝑃𝑎
𝑃1 = 0.00018 𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑇 = 1𝑎𝑡𝑚 + 0.00018𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑇 = 1.00018 𝑎𝑡𝑚
Además se procedió a calcular la presión existente en el tramo dos después de la contracción súbita mediante la ecuación 2 antes mencionada.
23
𝑃2 = 8615.81 𝑃𝑎 ∗9.869𝑥10−6𝑎𝑡𝑚 1𝑃𝑎
𝑃2 = 0.085 𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑇 = 1𝑎𝑡𝑚 + 0.085𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑇 = 1.085 𝑎𝑡𝑚
Procedentemente se procedió a calcular la presión existente en el tramo tres después de la expansión gradual por medio de la ecuación 2 antes mencionada.
𝑃3 =
1.060𝑘𝑔/𝑚3(6.18)2
2
𝑃3 = 20.24 𝑃𝑎 ∗
9.869𝑥10−6𝑎𝑡𝑚
1𝑃𝑎
𝑃3 = 0.00019 𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑇 = 1𝑎𝑡𝑚 + 0.00019𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑇 = 1.00019 𝑎𝑡𝑚
Posteriormente se procedió a calcular la presión existente en el tramo cuatro después de la contracción gradual por medio de la ecuación 2 antes mencionada.
𝑃4 = 1.060𝑘𝑔/𝑚3(463.63)2 2
𝑃4 = 113924.97 𝑃𝑎 ∗9.869𝑥10−6𝑎𝑡𝑚 1𝑃𝑎
𝑃4 = 1.12 𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑇 = 1𝑎𝑡𝑚 + 1.12
𝑃𝑇 = 2.12𝑎𝑡𝑚
Posteriormente se procedió a calcular la temperatura existente en los distintos tramos de tubo de escape a lo largo de la trayectoria del fluido por medio de la ecuación 3 anteriormente mencionada.
24 Como la masa y el calor específico son las mismas en ambos términos, ya que el fluido es aire en todos los tramos en estudio, se eliminan demostrando que la temperatura es muy similar en todos los tramos.
𝑇1 ≈ 𝑇2
𝑇2 ≈ 𝑇3
𝑇2 ≈ 𝑇4
→ 𝑇1 ≈ 𝑇3
→ 𝑇1 ≈ 𝑇4
𝑇1 ≈ 𝑇2 ≈ 𝑇3 ≈ 𝑇4 ≈ 60 ℃
Después se determinó si el tipo de flujo existente en el banco de pruebas es laminar o turbulento por medio de la ecuación 4 antes mencionada.
𝑁𝑅 =(127.5 𝑚/𝑠)(0.032 m )(1.060 𝑘𝑔/𝑚3) (1.99𝑥10−5 𝐾𝑔
𝑚 𝑠 𝑠)
𝑁𝑅 = 217326.63
El flujo tiene número de Reynolds grande debido a una velocidad elevada y/o una viscosidad baja y tiende a ser turbulento ya que el 𝑁𝑅 ≥ 4000.
Por otra parte para calcular las pérdidas por fricción en cada uno de los tramos de tubo se necesitó determinar la rugosidad ϵ del material de los tubos, siendo en este caso utilizada la del plástico cuyo valor se muestra en la tabla 3.
Tabla 3. Rugosidad de materiales.
Material Rugosidad ϵ (m) Rugosidad ϵ (pie)
Vidrio Liso Liso
Plástico 3.0 𝑥 10−7 1.0 𝑥 10−6
Tubo extruido: cobre, latón y acero 1.5 𝑥 10−6 5.0 𝑥 10−6 Acero, comercial o soldado 4.6 𝑥 10−5 1.5 𝑥 10−4 Hierro galvanizado 1.5 𝑥 10−4 5.0 𝑥 10−4 Hierro dúctil, recubierto 1.2 𝑥 10−4 4.0 𝑥 10−4 Hierro dúctil, no recubierto 2.4 𝑥 10−4 8.0 𝑥 10−4 Concreto, bien fabricado 1.2 𝑥 10−4 4.0 𝑥 10−4 Acero remachado 1.8 𝑥 10−3 6.0 𝑥 10−3
(Mott, 2006)
25
𝑓1 = 0.148
3.0 𝑥 10−7 = 493333.33
𝑓2 =
0.032
3.0 𝑥 10−7 = 106666.66
𝑓3 =
0.145
3.0 𝑥 10−7 = 48333.33
𝑓4 = 0.017
3.0 𝑥 10−7= 56666.66
Después de determinar el factor de fricción en cada uno de los tramos de tubo de acrílico del banco de pruebas se buscó los valores obtenidos en los cálculos anteriores mediante el diagrama de Moddy como se muestra en la figura 17.
Figura 17. Diagrama de Moody. (Mott, 2006)
Se determinó que el factor de fricción en los tramos de tubo es
𝑓 = 0.009
Procedentemente se estableció las longitudes de los tramos de tubo en análisis del proyecto como se muestra en la tabla 4.
Tabla 4. Longitud de tramos de tubo de escape. Tramos de tubo Longitud (𝒎)
Tramo 1 0.1
Tramo 2 1.2
Tramo 3 0.41
26 Posteriormente se procedió a calcular las pérdidas por fricción del fluido en el tramo uno reemplazando los respectivos datos en la ecuación 5 antes mencionada.
ℎ𝑙 = 0.009 ∗ 0.1 0.148∗
62
2(10)
ℎ𝑙 = 0.011 𝑚
Después se procedió a calcular la perdida por fricción en el tramo dos reemplazando los respectivos datos en la ecuación 5 antes mencionada.
ℎ𝑙 = 0.009 ∗ 1.2 0.032∗
127.52
2(10)
ℎ𝑙 = 274.32 𝑚
Procedentemente se calculó la perdida por fricción en el tramo tres reemplazando los respectivos datos en la ecuación 5 mencionada anteriormente.
ℎ𝑙 = 0.009 ∗ 0.41 0.145∗
6.182
2(10)
ℎ𝑙 = 0.049 𝑚
Posteriormente se calculó la perdida por fricción en el tramo cuatro reemplazando los respectivos datos en la ecuación 5 mencionada anteriormente.
ℎ𝑙 = 0.009 ∗ 0.33 0.017∗
463.632
2(10)
ℎ𝑙 = 1877.67 𝑚
Por otra parte se procedió a calcular las pérdidas menores o perdidas por los cambios de sección encontrados a lo largo de la trayectoria del flujo a través de los distintos tramos de tubo de escape.
27
K =0.148𝑚 0.032𝑚
K = 4.63
El valor obtenido de la relación de los diámetros de las tuberías en estudio se debe buscar en la tabla de coeficientes de resistencia de una contracción súbita como se muestra en la tabla 5.
Tabla 5. Coeficiente de resistencia – contracción súbita. Velocidad 𝒗𝟐
𝑫𝟏 𝑫𝟐 0.6 𝒎 𝒔⁄ 2 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄ 1.2 𝒎 𝒔⁄ 4 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄ 1.8 𝒎 𝒔⁄ 6 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄ 2.4 𝒎 𝒔⁄ 8 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄ 3 𝒎 𝒔⁄ 10 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄ 4.5 𝒎 𝒔⁄ 15 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄ 6 𝒎 𝒔⁄ 20 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄ 9 𝒎 𝒔⁄ 30 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄ 12 𝒎 𝒔⁄ 40 𝒑𝒊𝒆 𝒔⁄
1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
1.1 0.03 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.05 0.05 0.06 1.2 0.07 0.07 0.07 0.07 0.08 0.08 0.09 0.10 0.11 1.4 0.17 0.17 0.17 0.17 0.18 0.18 0.18 0.19 0.20 1.6 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.25 0.25 0.25 0.24 1.8 0.34 0.34 0.34 0.33 0.33 0.32 0.31 0.29 0.27 2.0 0.38 0.37 0.37 0.36 0.36 0.34 0.33 0.31 0.29 2.2 0.40 0.40 0.39 0.39 0.38 0.37 0.35 0.33 0.30 2.5 0.42 0.42 0.41 0.40 0.40 0.38 0.37 0.34 0.31 3.0 0.44 0.44 0.43 0.42 0.42 0.40 0.39 0.36 0.33 4.0 0.47 0.46 0.45 0.45 0.44 0.42 0.41 0.37 0.34 5.0 0.48 0.47 0.47 0.46 0.45 0.44 0.42 0.38 0.35 10.0 0.49 0.48 0.48 0.47 0.46 0.45 0.43 0.40 0.36
∞ 0.49 0.48 0.48 0.47 0.47 0.45 0.44 0.41 0.38
(Mott, 2006)
El valor determinado anteriormente no se encuentra entre los valores establecidos en la tabla de estudio de coeficiente de resistencia de una contracción súbita, por dicha razón se procedió a interpolar el valor obtenido anteriormente entre los valores en los que se encuentra como se muestra en la tabla 6.
Tabla 6. Interpolación de coeficientes de resistencia.
𝑫𝟏⁄𝑫𝟐 𝑲
4 0.41 5 0.42 4.63 X
𝑥 = 0.41 + (0.42 − 0.41) (4.63 − 4 5 − 4 )
𝑥 = 0.4163 = 𝐾
28 .
ℎ𝑙 = 0.4163( 127. 5
2
2 ∗ 10 )
ℎ𝑙 = 338.37 𝑚
La pérdida de energía se observa según el fluido se acerca a la contracción obtiene una trayectoria curva y acierta distancia la sección transversal del flujo es más pequeña que la sección trasversal de la tubería menor, la parte donde ocurre esto se denomina vena contracta que después de esta el flujo debe desacelerar y expandirse de nuevo para llenar la tubería. La turbulencia que ocasionan la contracción y la expansión subsecuente es lo que genera la pérdida de energía como se muestra en la figura 18 (Mott, 2006).
Figura 18. Contracción súbita. (Mott, 2006)
Después se calculó las pérdidas por el cambio de sección del tramo dos al tramo tres los cuales constan de una expansión gradual como se muestra en la figura 19.
Figura 19. Expansión gradual. (Mott, 2006)
29
𝐾 = 0.145𝑚 0.032𝑚
𝐾 = 4.53
Con el valor obtenido se buscó el ángulo correspondiente a la expansión en estudio de 50 grados aproximadamente para obtener su coeficiente de resistencia en la tabla 7.
Tabla 7. Coeficiente de resistencia – expansión gradual. Angulo de cono 𝜽
𝑫𝟐
𝑫𝟏
2º 6º 10º 15º 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º 60º 1.1 0.01 0.01 0.03 0.05 0.10 0.13 0.16 0.18 0.19 0.20 0.21 0.23 1.2 0.02 0.02 0.04 0.09 0.16 0.21 0.25 0.29 0.31 0.33 0.35 0.37 1.4 0.02 0.03 0.06 0.12 0.23 0.30 0.36 0.41 0.44 0.47 0.50 0.53 1.6 0.03 0.04 0.07 0.14 0.26 0.35 0.42 0.47 0.51 0.54 0.57 0.61 1.8 0.03 0.04 0.07 0.15 0.28 0.37 0.44 0.50 0.54 0.58 0.61 0.65 2.0 0.03 0.04 0.07 0.16 0.29 0.38 0.46 0.52 0.56 0.60 0.63 0.68 2.5 0.03 0.04 0.08 0.16 0.30 0.39 0.48 0.54 0.58 0.62 0.65 0.70 3.0 0.03 0.04 0.08 0.16 0.31 0.40 0.48 0.55 0.59 0.63 0.66 0.71
∞ 0.03 0.05 0.08 0.16 0.31 0.40 0.49 0.56 0.60 0.64 0.67 0.72 (Mott, 2006)
Por medio de la tabla anterior se determinó el coeficiente de resistencia es de
𝐾 = 0.67
Con el valor obtenido de coeficiente de resistencia se procedió a calcular las perdidas por cambio de sección mediante la ecuación 7 antes mencionada.
ℎ𝑙 = 0.67( 127. 5
2
2 ∗ 10 )
ℎ𝑙 = 544.58 𝑚
Posteriormente se procedió a calcular las pérdidas por el cambio de sección del tramo dos al tramo cuatro los cuales constan de una contracción gradual como se muestra en la figura 20.
30 En este caso el coeficiente de resistencia de las dos tuberías en estudio se determina por medio del ángulo de cono correspondiente de la contracción de aproximadamente 50 grados mediante la figura 21.
Figura 21. Coeficiente de resistencia – contracción gradual. (Mott, 2006)
Por medio de la figura anterior se determinó que el coeficiente de resistencia es
𝐾 = 0.06
Con el valor obtenido de coeficiente de resistencia se procedió a calcular las perdidas por cambio de sección mediante la ecuación 7 antes mencionada.
ℎ𝑙 = 0.06( 463. 63
2
2 ∗ 10 )
ℎ𝑙 = 644.86 𝑚
Por otra parte se procedió a calcular los pesos a los que estará sometida la mesa del banco de pruebas de tubo de escape total para modificar parámetros. De acuerdo a las especificaciones del fabricante del soplador se estableció su masa como se muestra en el anexo 1.
𝑚𝑠𝑜𝑝𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 3.0 𝑘𝑔
31 Para calcular la masa de la madera que se colocara en la mesa del banco se calculó el volumen de esta por medio de las dimensiones de la estructura para multiplicarlo por la densidad del material.
𝑉𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎= (1𝑚) × (1.7𝑚) × (0.01𝑚) = 0.017 𝑚3
𝜌𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎= 500 𝑘𝑔 𝑚⁄ 3
𝑚𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎= 0.017 𝑚3 × 500 𝑘𝑔 𝑚⁄ 3 = 8.5 𝑘𝑔
Para calcular la masa del tubo de acrílico se estableció el volumen del tubo mediante el programa de diseño para multiplicarlo por la densidad del material del tubo.
𝑉𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑎𝑐𝑟𝑖𝑙𝑖𝑐𝑜 = 756978.906 𝑚𝑚3 × (1𝑚)
3
(1000𝑚𝑚)3 = 7.5697 × 10−4 𝑚3
𝜌𝑎𝑐𝑟𝑖𝑙𝑖𝑐𝑜= 1.18 𝑔 𝑐𝑚⁄ 3 × 1 𝐾𝑔 1000 𝑔 ×
(100 𝑐𝑚)3
(1𝑚)3 = 1180 𝑘𝑔 𝑚⁄ 3
𝑚𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑎𝑐𝑟𝑖𝑙𝑖𝑐𝑜 = 1180 𝑘𝑔 𝑚⁄ 3× 7.5697 × 10−4 𝑚3 = 0.89 𝑘𝑔
Después se sumó todas las masas de los elementos del banco de pruebas para obtener la masa total del mismo.
𝑚𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑠𝑜𝑝𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟+ 𝑚𝑚𝑎𝑞𝑢𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 ℎ𝑢𝑚𝑜 + 𝑚𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 + 𝑚𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑎𝑐𝑟𝑖𝑙𝑖𝑐𝑜
𝑚𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 3.0 𝑘𝑔 + 2.0 𝑘𝑔 + 8.5 𝑘𝑔 + 0.89 𝑘𝑔
𝑚𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 14.39 𝐾𝑔
Posteriormente se calculó el peso total en el banco de pruebas de tubo de escape.
𝑊𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 14.39 𝐾𝑔 × 10 𝑚 𝑠⁄ = 143.9 𝑁2
32
𝑊𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖𝑑𝑜 =
143.9 𝑁
10 = 14.39 𝑁
Figura 22. Distribución de pesos en el banco de pruebas.
Después de calcular los pesos de los elementos a los que será sometida la mesa del prototipo, se presenta el diseño del banco de pruebas de tubo de escape total para modificar parámetros en la figura 23.
33
3.2.CONSTRUCCIÓN
De acuerdo a los diseños y cálculos estipulados para plantear el banco de pruebas de tubo de escape total para modificar parámetros se procede a construir el prototipo por medio de los principales datos obtenidos anteriormente como se muestra en la tabla 8.
Tabla 8. Cálculos principales del diseño del banco de pruebas. Tramo de tubo Diámetro interior (𝑚) Flujo volumétrico 𝑚3 𝑠 ⁄ Área 𝑚2 Velocidad 𝑚 𝑠⁄ Presión 𝑎𝑡𝑚 Temperatura ℃
Tramo 1 0.148 0.102 0.017 6 1.00018 60
Tramo 2 0.032 0.102 0.8 𝑥10−3 127.5 1.085 60 Tramo 3 0.145 0.102 0.165 6.18 1.00019 60 Tramo 4 0.017 0.102 0.22𝑥10−3 463.63 2.12 6 0
Se procedió a establecer el proceso de construcción del banco de pruebas de tubo de escape total para modificar parámetros.
1. Adquirir el soplador y la máquina de humo. 2. Conectar la máquina de humo al soplador. 3. Fabricar los intercambiadores de calor.
4. Colocar la extensión de los intercambiadores de calor al soplador. 5. Instalar los controles de los elementos del prototipo.
6. Manufacturar tramos de tubo de acrílico y sus acoples.
7. Tomar medidas para diseñar y elaborar la estructura metalica.
Después se procedió a describir el proceso de construcción del banco de pruebas.
1. Se adquirió el soplador o extractor 500/150 que cumple con la magnitud de flujo volumétrico calculada en la sección de diseño para la mejor simulación del flujo de los gases de escape en base a los datos establecidos en la tabla 8 antes mencionada, cuyas especificaciones se muestran en el anexo 1 y el cual se presenta en la figura 24.
34 2. Se instaló un regulador de velocidad en la conexión eléctrica del extractor para trabajar con el flujo volumétrico calculado anteriormente como se muestra en la figura 25.
Figura 25. Regulador de velocidad del extractor.
3. Se fabricó e instalo dos intercambiadores de calor, cada uno con un circuito eléctrico en paralelo, en la parte posterior del soplador en el interior de una tubería acoplada al mismo para calentar el flujo de aire a la temperatura estipulada en el diseño del prototipo y mostrada en la tabla 8 antes mencionada, como se muestra en la figura 26.
Figura 26. Intercambiadores de calor.
4. Se instaló un regulador para la temperatura en la conexión eléctrica de cada uno de los intercambiadores de calor para trabajar con la temperatura constante determinada anteriormente y presentada en la tabla 8 al que será somete el flujo de aire del soplador como se muestra en la figura 27.
35 5. Se implementó la máquina de humo para una mejor simulación de los gases de escape por medio de una conexión tubular entre el soplador y la máquina de humo como se muestra en la figura 28.
Figura 28. Conexión máquina de humo.
6. Se manufacturo los tramos de tubo con sus acoples en material de acrílico con los diámetros determinados en el diseño para la modificación de los parámetros de temperatura, presión y velocidad del gas en estudio que son presentados en la tabla 8 y como se muestra en la figura 29.
Figura 29. Tramos de tubo de acrílico.
7. Se insertó en cada uno de los tubos de acrílico dispositivos de conexión hacia los medidores de presión diferencial para la medición de presión en cada uno de los diferentes tramos de tubo como se muestra en la figura 30.
36 8. Se elaboró la estructura metálica, en la cual se colocó tableros de madera de aglomerado con las medidas y formas de los controles, medidores y maquinas del banco de pruebas para proceder a pintar el mismo como se muestra en la figura 31.
Figura 31. Estructura metálica del bando de pruebas.
9. Se instaló los controles, medidores, soplador, máquina de humo y los distintos tramos de tubo en la estructura metálica para comparar los datos obtenidos con los cálculos en el diseño presentados en la tabla 8 antes mencionada como se muestra en la figura 32.
37
3.3.PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Producto de someter al banco de pruebas de tubo de escape a los parámetros de velocidad del flujo, presión y temperatura estipuladas a través de los distintos tramos de tubo como muestra en la tabla 9 se obtuvo.
Tabla 9. Diseño de tramos de tubo del banco de pruebas. Tramo
1
Tramo 2 Tramo 3
Tramo 1
Tramo 2 Tramo 4
Además se fijó los resultados de las velocidades calculadas anteriormente en cada uno de los tramos de tubo de acrílico como se muestra en la tabla 10.
Tabla 10. Velocidades calculadas.
Se pudo observar las variaciones de las velocidades calculadas presentadas en cada uno de los tramos mediante la figura 33.
Figura 33. Velocidad calculada. TRAMOS VELOCIDAD
CALCULADA
(𝑚 𝑠⁄ )
Tramo 1 6
38 Posteriormente se puso el banco de pruebas de tubo de escape a prueba bajo el parámetro de velocidad de flujo constante a través de los distintos tramos de tubo obteniendo los valores establecidos como se muestra en la tabla 11.
Tabla 11. Velocidades medidas.
Las variaciones de velocidad de flujo a través de los distintos tramos de tubo que se observó en el banco de pruebas de tubo de escape presentan un comportamiento similar a los establecidos y demostrados en la figura 34.
Figura 34. Velocidad medida.
Por otra parte se fijó los resultados de las presiones calculadas anteriormente en cada uno de los tramos de tubo de acrílico como se muestra en la tabla 12.
Tabla 12. Presiones calculadas. TRAMOS PRESION
CALCULADA
(𝑎𝑡𝑚)
Tramo 1 1.00018 Tramo 2 1.085 Tramo 3 1.00019 Tramo 4 2.12
Se pudo observar las variaciones de las presiones calculadas presentadas en cada uno de los tramos mediante la figura 35.
39 Figura 35. Presión calculada.
Posteriormente se puso el banco de pruebas de tubo de escape a prueba bajo el parámetro de presión a través de los distintos tramos de tubo obteniendo los valores establecidos como se muestra en la tabla 13.
Tabla 13. Presiones medidas. TRAMOS PRESION
MEDIDA
(𝑎𝑡𝑚)
Tramo 1 1
Tramo 2 1
Tramo 3 1
Tramo 4 2
Las variaciones de presión a través de los distintos tramos de tubo que se observó en el banco de pruebas de tubo de escape presentan un comportamiento similar a los establecidos y demostrados en la figura 36.
40 Posteriormente el banco de pruebas de tubo de escape fue expuesto a pruebas de temperatura constante para identificar los resultados de las medidas de este parámetro a lo largo de sus cuatro tramos en estudio como se muestra en la tabla 14.
Tabla 14. Temperaturas medidas. TRAMOS TEMPERATURA
MEDIDA (℃)
Tramo 1 58.7
Tramo 2 58.7
Tramo 3 58.7
Tramo 4 58.7
El comportamiento de la temperatura expuesta en el banco de pruebas a través de sus distintos tramos de tubo se pudo observar en la figura 37.
Figura 37. Temperatura medida.
Por otra parte se estableció los resultados de los cálculos de las perdidas por fricción del fluido a las que está expuesto a lo largo de la trayectoria en los cuatro tramos de tubo de escape como se muestra en la tabla 15.
Tabla 15. Perdidas por fricción en el banco de pruebas. TRAMOS Perdida por fricción (m)
Tramo 1 0.011
Tramo 2 274.32
Tramo 3 0.049
41 Posteriormente se observó la variación de las perdidas por fricción existentes en los distintos tramos de tubo a través de la trayectoria recorrida por el aire por medio de la figura 38.
Figura 38. Pérdidas por fricción.
Posteriormente se fijó los resultados de los cálculos de las perdidas por cambios de sección o perdidas menores del fluido entre dos tramos de tubo de escape por medio de expansiones y contracciones súbitas o graduales como se muestra en la tabla 16.
Tabla 16. Perdidas menores del banco de pruebas. TRAMOS Perdidas menores o perdidas por cambios de sección (m) Tramo 1 - Tramo 2 338.37
Tramo 2 - Tramo 3 544.58 Tramo 2 - Tramo 4 644.86
Las variaciones que se observó en las perdidas por los cambios de sección encontradas a lo largo de la trayectoria del aire a través de los distintos tramos de tubo se miden en cada dos tramos por la existencia de contracciones o expansiones entre los tramos en estudio del banco de pruebas como se muestra en la figura 39.
42
3.4.ANÁLISIS DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
De acuerdo a las tablas 10, 11 y por medio de la interpretación de las figuras 33, 34 de las velocidades calculadas y las velocidades medidas respectivamente se tiene un comportamiento similar del parámetro, y se observa en ambos casos que del tramo uno al tramo dos que por medio de una contracción súbita conforme disminuye su área de forma abrupta su carga de velocidad aumenta. Además del tramo dos al tramo tres su carga de velocidad disminuye conforme aumenta su área de forma menos abrupta mediante una expansión gradual como se muestra en la figura 40.
Figura 40. Carga de velocidad entre tramo uno, tramo dos y tramo tres.
Mientras que del tramo dos al tramo cuatro por medio de una contracción gradual conforme disminuyen su área de forma menos abrupta su carga de velocidad aumenta, como se muestra en la figura 41. Las magnitudes de las velocidades dependerán de los diámetros de los tramos en estudio de esta forma los tubos más pequeños generarán velocidades elevadas, y los tubos más grandes proveerán velocidades bajas.
Figura 41. Carga de velocidad entre tramo uno, tramo dos y tramo cuatro.
43
Figura 42. Carga de presión del tramo dos al tramo tres.
Mientras el gas quemado pasaba de un tramo de tubo grande a otro más pequeño, es decir, conforme disminuía su área por medio de una contracción súbita o gradual se presentó una disminución de la carga de presión, como se muestra en figura 43.
Figura 43. Carga de presión entre el tramo uno, tramo dos y tramo cuatro.
De acuerdo a la tabla 14 y mediante la interpretación de la figura 37 la temperatura en la salida del soplador se mantiene constante a lo largo de los tubos debido a la Ley cero de la termodinámica, la cual indica que si dos cuerpos se mantienen en contacto durante un periodo de tiempo adecuado van a alcanzar la misma temperatura, que es justamente lo que sucedió, como se muestra en la figura 44.
Figura 44. Temperatura en la trayectoria del banco de pruebas.
