CALCULO DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

CALCULO DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

Motor: 4.0L V6 Ford sport trac

Sistema de refrigeración motor prototipo. 1. Depósito de recuperación del refrigerante del radiador, 2. Radiador, 3. Manguera superior del radiador, 4. Escudo del ventilador, 5. Embrague del ventilador, 6. Aspas del ventilador, 7. Manguera inferior del radiador, 8. Calefactor del bloque, 9. Termostato, 10. Sensor de temperatura del refrigerante, 11. Unidad transmisora del indicador de temperatura del agua.

CALCULO TÉRMICO DEL RADIADOR.

Cantidad de calor transferida al líquido de enfriamiento por unidad de tiempo, Qa.

La cantidad de calor transferida Qa se determina de la siguiente ecuación:

Qa=qt*Qt ;[kJ/s]

qt-Perdidas específicas de calor a través del líquido de enfriamiento,

Para el cálculo de este motor, qt=0.25 tomando el valor del intervalo dado para motores de encendido por chispa con válvulas en cabeza

Qt=(Hu*Gh)/3600[kJ/s]

Hu-calor de combustión inferior del combustible, kJ/kg

Para motores de encendido por chispa Hu=44000kJ/kg

Gh- Consumo de combustible horario.

Gh=Ne*ge*〖10〗^(-3)

Ne=Potencia efectiva para el régimen de cálculo. =157 kW

ge=Consumo especifico efectivo de combustible. g/kW*h

ge=3600 (ρk*ηv)/(lo*α*Pe)

ηv-Coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico. = 0.77

ρk-Densidad de la carga fresca.= 0.95058 kg/m3

lo-Volumen de aire teórica para la combustión completa de 1 kg de combustible. = 15.07kg

α-Coeficiente de exceso de aire. =0.9

Pe-Presion media efectiva. =0.61 MPa

ge=3600 (0.95058*.77)/(15.7*.9*0.61)

ge= 305.71g/(kW*h)

Gh=Ne*ge*〖10〗^(-3)

Gh=157*305.71*〖10〗^(-3)

Gh=47.9 kg/h

Qt=(Hu*Gh)/3600[kJ/s]

Qt=585.44 kJ/s

Qa=0.22*585.44;[kJ/s],por lo tanto

Qa=128.796[kJ/s]

Incremento medio de temperatura en el radiador ΔT.

El incremento se determina por:

ΔT=ΔTt(med)-Ta(med).

Donde:

ΔTt(med) Es la temperatura media del líquido en el radiador, °C.

ΔTt(med)=T(sal)-ΔTt/2

T(sal)=100 a 105 °C Para sistemas presurizados. Usamos el valor de 105 °C

T(sal)=90 a 95 °C Para sistemas atmosféricos.

ΔTt Diferencia de temperatura entre el líquido que sale y entra al motor.

ΔTt=8 a 10 °C

Para este valor se toma 9

Ta(med)- Temperatura media del aire en el radiador.

Ta(med)=To+ ΔTap+ ΔTa/2

Donde:

To=50 °C- Temperatura de cálculo del aire ambiente alrededor del motor.

ΔTap- Caldeo del aire en el radiador de aceite. Si este se encuentra delante del radiador del líquido refrigerante: ΔTap=3 a 5 °C. Se tomó el valor de 3

La diferencia ΔTa se determina por la ecuación siguiente:

ΔTa= Qa/(Ffr*(ρa*Wa)*Cp)

Donde:

Ffr- Area frontal del radiador, [m^2]

Ffr-0.2 a 0.4 [m^2 ]- Para motores de encendido por chispa. Se tomó el valor de 0.3

(ρa*Wa)- Gasto (de masa) de aire a través de la superficie frontal del radiador [kg/(s*m^2 )]. El valor usado es 14.5

Cp-capacidad calorifica del aire. 1.00[kJ/(kg*grado)]

ΔTa= Qa/(Ffr*(ρa*Wa)*Cp)

ΔTa= 128.796/(0.3*(14.5)*1)

ΔTa= 29.6082

De esta manera entonces:

Ta(med)=To+ ΔTap+ ΔTa/2

Ta(med)=50+ 3+ 292.6082/2

Ta(med)=67.8041 ºC

ΔTt(med)=T(sal)-ΔTt/2

ΔTt(med)=105-9/2

ΔTt(med)=100.5ºC

ΔT=ΔTt(med)-Ta(med)

ΔT=100.5-67.8041

ΔT=32.695

Este valor es correcto ya que el intervalo en el que se debe encontrar para motores de encendido por chispa es de 30-55 para este motor de 157 kW

Superficie de enfriamiento del radiador, Fenf.

La superficie de enfriamiento Fenf. se determina por la ecuación:

Fenf=(Qa*φ')/(k*ΔT)

Donde:

φ^'=1.1 a 1.15- Coeficiente de seguridad que tiene en cuenta el posible empeoramiento de la transferencia de calor, debido a depósitos de sales y suciedad en las superficies exteriores de transferencia de calor durante la explotación del motor. Se tomó el valor 1.15.

k- Coeficiente de transferencia del calor del radiador. Su valor depende de la construcción de las aletas del radiador y de la velocidad de desplazamiento del aire W_a y del líquido W_l.

k=0.093 a 0.100- Para radiadores de tubos y de aletas planas;

k=0.100 a 0.110- Para radiadores de tubos y cintas plegadas;

k=0.119 a 0.130- Para radiadores de cintas plegadas.

Este motor usa un radiador de tubos y cintas plegadas, k = 0.100

Fenf=(128.796*1.15)/(0.110*32.695)

Fenf=41.18

Para comprobar el cálculo realizado de Fenf se usa el método de comparación con datos estadísticos de radiadores de construcción análogos.

Fenf=(0.36 a 0.2)*Ne [m^2]- para motores de encendido por chispa autos.

Este valor si se encuentra en el rango especificado que es de 13.2 a 23.76.

Ancho o profundidad del radiador l.

El ancho de un radiador se determina por la ecuación siguiente:

l=Fenf/(Ffr*φ )[m^2]

Donde:

φ=600 a 930 m^2/m^3 Para motores de encendido por chispa.

Usamos el valor de 690

l=(41.18)/(0.3*690 )[m^2]

l=0.198 [m^2]

CALCULO DE LA BOMBA DE AGUA.

Este cálculo se limita a la selección de las dimensiones de la bomba, mediante la determinación de su velocidad de rotación; y al cálculo de la potencia necesaria para su accionamiento.

Gasto volumétrico de la bomba Gab.

El gasto volumétrico de la bomba de agua se determina por la ecuación siguiente:

Gab=Ga/η

Donde:

η= 0.7 a 0.85- Coeficiente que tiene en cuenta las pérdidas de gasto debido a fugas en la línea de descarga y de succión. 0.8 para este cálculo.

Ga- Gasto volumétrico teórico de líquido en el sistema.

El gasto volumétrico de líquido se determina por la ecuación.

Ga=Qa/(Cl* ρl* Δt) [m^3/s]

Donde:

Cl- Calor especifico del líquido refrigerante. Como el radiador de la variante elegida utiliza agua y refrigerante al 50% entonces este valor es igual a 3.1585 kJ/kgºC. Estos valores se toman de la tabla que se muestra más adelante.

ρl- Densidad del líquido refrigerante. Según la tabla es 929.97 kg/m3

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