CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA PARA UN SISTEMA DE AIRE ...
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CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA PARA UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO AUTOMOTRIZ Presentado por: Raúl Felipe Pineda Betancourt Cód.201317613 Proyecto de grado Profesor asesor: Luis Ernesto Muñoz Camargo Ph.D. Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá D.C. Noviembre de 2018
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CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA PARA UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
AUTOMOTRIZ
Presentado por:
Raúl Felipe Pineda Betancourt
Cód.201317613
Proyecto de grado
Profesor asesor:
Luis Ernesto Muñoz Camargo Ph.D.
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá D.C.
Noviembre de 2018
Agradecimientos
Quiero expresar mis más sinceros agradecimientos a mi madre y a mi padre quienes
me han brindado todo su apoyo a lo largo de esta etapa de mi vida y quienes me han
motivado siempre a cumplir mis sueños. A mi hermana, que siempre me expresa su apoyo
de manera incondicional. Además, agradezco el asesoramiento del profesor Luis Muñoz
quien me brindo su conocimiento en este proyecto y durante toda la carrera. A los técnicos
y colaboradores de la Universidad de los Andes, sin los cuales no hubiera sido posible el
desarrollo de este proyecto, y, finalmente, a los trabajadores de la empresa Electrotécnicos
RCP Ltda., quienes me brindaron la asesoría técnica durante el proyecto.
Tabla de contenido
Introducción ............................................................................................................................ 4
1. Objetivos .......................................................................................................................... 5
2. Metodología ..................................................................................................................... 6
3. Estado del arte ................................................................................................................ 7
4. Desarrollo del modelo ................................................................................................... 13
5. Diseño del banco de pruebas ....................................................................................... 17
6. Diseño experimental ..................................................................................................... 25
7. Resultados y discusión ................................................................................................. 41
8. Conclusiones ................................................................................................................. 56
9. Recomendaciones y trabajo futuro ............................................................................... 57
10. Referencias ................................................................................................................ 58
Anexos .................................................................................................................................. 59
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Introducción
En la actualidad existe la necesidad constante de reducir el consumo de combustible en
los vehículos con la finalidad de reducir gastos y, a su vez, disminuir la contaminación que
generan los automóviles. Diferentes estudios alrededor del mundo han permitido concluir
que un sistema de aire acondicionado automotriz (A/C) es la carga auxiliar más grande en
un automóvil. Según Rugh et al. [1], se estima que un compresor de aire acondicionado
automotriz puede llegar a aumentar la carga de potencia consumida al motor del carro en
un rango que oscila entre los 5 a 6 kW, lo cual representaría una carga similar a la que
puede consumir un hogar pequeño con aire acondicionado convencional. El consumo en
los sistemas de aire acondicionado automotriz depende de diferentes variables las cuales
pueden aumentar o disminuir el rango de consumo. Dentro de estas variables se cuenta
con: el tiempo de uso del A/C, las condiciones internas y externas del habitáculo del
vehículo, el tipo de compresor y gas refrigerante a utilizar, las horas de manejo, la velocidad
del carro, entre otras cosas.
Por lo general, los vehículos vienen equipados con dos posibles tipos de aire
acondicionado. El primero, al que se le denomina mecánico, esta accionado principalmente
por el motor del auto con ayuda de la correa de repartición. El segundo, denominado
eléctrico, funciona con la corriente que le llega bien sea del alternador del carro o de la
batería [2]. Es posible intuir, que ambos mecanismos en algún punto necesitan de la
potencia del motor para su funcionamiento. Con el fin de aprovechar las diferentes fuentes
energéticas que se desperdician en un auto, se han desarrollado e investigado diferentes
prototipos los cuales permiten generar o recuperar energía proveniente desde otras partes
del carro como lo son los frenos o el escape. Estos desarrollos han permitido la creación de
los automóviles híbridos, los cuales, en la mayoría de los casos, para su funcionamiento
utilizan la mezcla motor de combustión y motor eléctrico. Estos vehículos han permitido
reducir el consumo de combustible, bajar los niveles de contaminación y aprovechar el
trabajo desperdiciado del carro, sin necesidad de perder potencia en el mismo.
En la Universidad de los Andes se están desarrollando diferentes sistemas que permiten
recuperar la energía proveniente de los gases de escape del automóvil con el fin de
aprovechar esa energía en los diferentes componentes del carro. Hoy en día, se estima el
potencial eléctrico que generarían estos sistemas de regeneración, sin embargo, es
necesario comenzar a buscar en que componentes del vehículo es posible reutilizar la
energía. Por tal motivo, este trabajo analiza la potencia consumida en un sistema de aire
acondicionado automotriz con el fin de conocer el impacto que pueda llegar a tener el hecho
de colocar una nueva fuente de energía que permita operar este tipo de sistemas de manera
óptima. Este trabajo sigue un estricto proceso investigativo con el fin de obtener desde el
prototipo más óptimo de sistema A/C, teniendo en cuenta las limitaciones, hasta un
estimativo de consumo energético para condiciones específicas. Dentro de las variables
que permiten analizar la cantidad de potencia consumida en este trabajo se tuvieron en
cuenta variables como: la capacidad de refrigeración, la potencia al eje y al compresor, el
coeficiente de rendimiento del sistema y, finalmente, un análisis simple de eficiencias que
permitió estimar la potencia consumida al motor del carro, el cual es la principal fuente de
energía de este tipo de sistemas de refrigeración.
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1. Objetivos
1.1. Objetivo general
Caracterizar un sistema de aire acondicionado para automóvil con el fin de estimar la
cantidad de potencia que debe entregar un motor de combustión interna para lograr el
adecuado funcionamiento de este tipo de máquinas de refrigeración automotriz.
1.2. Objetivos específicos
1) Desarrollar un modelo de ecuaciones que permita caracterizar bajo ciertas
condiciones los sistemas de aire acondicionado automotriz y, a su vez, estimar el
desempeño energético.
2) Diseñar y construir un banco de pruebas para evaluar los diferentes parámetros que
se establecen en el modelo y permiten conocer las características de
funcionamiento de un sistema de aire acondicionado automotriz.
3) Realizar pruebas de funcionamiento del banco de pruebas bajo una metodología
establecida con el fin de que la prueba pueda ser reproducida posteriormente sujeta
a los mismos parámetros.
4) Cuantificar la cantidad de potencia que consumen los principales componentes de
un sistema de aire acondicionado automotriz.
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2. Metodología
Figura 1. Estructura de la metodología utilizada para el desarrollo del proyecto.
La Figura 1 muestra el procedimiento macro que se utilizó durante el desarrollo del
proyecto con la finalidad de cumplir los objetivos propuestos. El esquema es un bosquejo y
durante el trabajo se explica y desarrolla cada capítulo de la estructura con mayor detalle.
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3. Estado del arte
3.1. Sistemas de aire acondicionado automotriz
Los sistemas de aire acondicionado automotriz (A/C) tienen como función básica la de
controlar la temperatura, la humedad, el flujo y limpieza del aire dentro de un espacio
específico [1]. Para el caso del A/C automotriz el espacio refrigerado es en la cabina de
pasajeros en donde se debe mantener una temperatura agradable para los ocupantes de
la misma. A parte de controlar la temperatura en los automóviles, el A/C controla la
humedad, la circulación del aire, permite mantener desempañados los vidrios, mantiene el
aire de la cabina libre de contaminantes, entre otras cosas [1].
Un A/C automotriz tiene como base el mismo funcionamiento y los mismos
componentes de un sistema de refrigeración domestico convencional. La principal
diferencia entre el A/C automotriz y un sistema de refrigeración domestico radica en la forma
de poner en marcha el compresor, el cual es el encargado de que fluya el refrigerante en el
sistema. En los automóviles el compresor es accionado mediante un embrague eléctrico
que está en constante movimiento rotatorio a través de la correa de repartición del carro.
Cuando el compresor de A/C entra en funcionamiento este genera una carga adicional al
motor, el cual, a su vez, para suplir esta carga demanda el consumo de mayor combustible
y por lo tanto mayor emisiones de contaminantes al ambiente.
3.1.1. Consumo de un sistema de A/C automotriz
Uno de los grandes retos de un sistema de A/C automotriz radica en la variabilidad de
sus condiciones de funcionamiento ya que no siempre se encuentra en un ambiente
cuantificable, como el de la cocina de una casa, y, además, sufre constantes movimientos
que pueden afectar su funcionamiento. Todas estas variables hacen que un sistema de A/C
automotriz no tenga un buen rendimiento en su relación de consumo energético contra la
capacidad de refrigeración generada. Se han realizado un gran número de estudios que
permiten cuantificar que tanto consume un sistema de A/C automotriz en condiciones de
manejo normales, dentro las cuales se incluyen diferentes tipos de sistemas de
refrigeración, diferentes condiciones de manejo y condiciones ambientales.
Según Rugh et al. [1], un compresor de aire acondicionado automotriz en
funcionamiento es la carga auxiliar más grande que debe soportar el motor, seguido por la
carga del alternador y la de la dirección hidráulica. Además, se menciona que un compresor
de A/C automotriz puede alcanzar una carga consumida de alrededor de 5kW a 6 kW en el
motor del vehículo, lo que sería igual al consumo de un A/C para una casa familiar pequeña.
En este mismo estudio realizado en 2002 se estimó que en Estados Unidos si todos los
vehículos tuvieran A/C, se alcanza un consumo de combustible equivalente al 5.5% del
consumo nacional anual de combustible solo en el funcionamiento del A/C vehicular. Para
la Unión Europea se estimó que se alcanzaría el 3.2% del consumo de combustibles y en
Japón el 3.2% de consumo por año [1].
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3.2. Componentes utilizados en A/C automotriz
Figura 2. Sistemas de aire acondicionado más usados. (a) Con válvula de expansión, (b) Con tubo de orificio.
Los componentes principales de un sistema de A/C automotriz son: compresor,
condensador, válvula de expansión o tubo de orificio, evaporador, filtro secador o
acumulador y los respectivos ventiladores que permiten el flujo de aire para el
funcionamiento del sistema. La Figura 2a y 2b muestran un esquema de la distribución de
los componentes más utilizados para el A/C automotriz. En el sistema con válvula de
expansión (Figura 2a) se observa que el filtro, que en este caso se conoce como secador,
se encuentra ubicado luego del condensador y con el cual se evita que pase hacia la válvula
de expansión refrigerante en estado gaseoso. El sistema con tubo de orificio (Figura 2b) el
filtro, que en este caso se conoce como acumulador, está ubicado después del evaporador
y evita que pase refrigerante líquido hacia la entrada del compresor. Ambos sistemas tienen
en el mismo principio de funcionamiento, y son los más populares en los sistemas de aire
acondicionado automotriz.
Por otro lado, se puede observar en la Figura 2 que para ambos sistemas de
refrigeración el flujo del gas se divide en las mismas etapas. La etapa 1, salida compresor
- entrada condensador, el flujo de refrigerante es gaseoso a alta presión y temperatura, al
pasar el refrigerante por el condensador este cambia de fase de gas a líquido gracias al
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flujo de aire ambiente que genera el ventilador y que por lo tanto baja la temperatura del
refrigerante. La etapa 2, salida condensador – entrada válvula de expansión/tubo de orificio,
el refrigerante va en estado líquido a alta presión y con la temperatura que obtuvo al salir
del condensador. En la válvula de expansión/tubo de orificio ocurre una reducción de área
que permite que el gas baje su presión y su temperatura. La etapa 3, salida válvula de
expansión/tubo de orificio – entrada evaporador, el gas fluye en estado líquido a baja
presión y temperaturas, generalmente la distancia entre la válvula de expansión/tubo de
orificio y el evaporador es muy corta con el fin de evitar pérdidas por fricción o transferencia
de calor. Finalmente, la etapa 4, salida evaporador – entrada compresor, el gas fluye en
estado gaseoso a baja presión y temperatura. El gas cambia de líquido a gaseoso en el
evaporador gracias a la transferencia de aire entre un ambiente caliente y uno frio.
3.2.1. Compresores
Dispositivo mecánico que permite comprimir el gas refrigerante hasta llegar a alta
presión y temperatura para de esta manera permitir que el fluido recorra todo el sistema.
Por lo general, el rendimiento de un compresor se evalúa dependiendo de la energía que
utilice para mover el fluido y de la cantidad de refrigerante que logre entregar. Dentro de la
industria automotriz los tipos de compresores más utilizados son: Los de desplazamiento
fijo, desplazamiento variable, los de tornillo rotativo y el tipo scroll [3].
3.2.1.1. Tipos de compresores
Tabla 1 Características de los tipos de compresores para A/C automotriz. Fuente: [2]. Infografía y traducción: autor del informe.
Tipos de compresorDesplazamiento
(cm3)
Potencia
compresor a 1800
rpm, (kW)
Capacidad de
refrigeración a 1800
rpm, (kW)
Eficiencie
isentrópica
(rango %)
Eficiencia
volumétrica
(rango %)
Ventajas DesventajasPorcentaje en
el mercado
Desplazamiento fijo 80 - 200 1.48 - 3.6 2.94 - 7.2 45 - 70 50 - 69
Mecanismo
simple y
fiable
Baja eficiencia
volumétrica, alto
ruido en los ciclos
de encedido y
apagado
66%
Disminuye
Desplazamiento Variable 120 - 170 Aprox. 2.8 Aprox. 6 45 - 70 60 -74
Mejor COP
y confort
humano
Altos costos y
mecanismos
complejos
14%
aumentando
Scroll 60 - 115 Aprox. 1.71 Aprox. 2.33 60 - 80 85 - 95
Mejor
eficiencia
volumétrica
y tamaño
compacto
Altos costos y
problemas de
funcionamiento
12%
aumentando
Tornillo rotativo 70 - 142 1.6 - 2.85 3 - 6.4 50 - 70 75 - 85
Bajo costo,
tamaño
compacto y
peso ideal
Rendimiento bajo
a altas
velocidades y
inadecuado para
cargas grandes
8%
aumentando
10
3.2.2. Condensadores
El condensador es un intercambiador de calor el cual se encarga de que el refrigerante
cambie su estado de gas a líquido por medio de la transferencia de calor con el ambiente.
Con ayuda del ventilador, el cual hace fluir aire a través de las aletas del condensador, el
refrigerante cambia de estado y baja su temperatura.
3.2.3. Evaporadores
Los evaporadores son de igual forma intercambiadores de calor, los cuales hacen que
el fluido pase de su estado líquido a gaseoso permitiendo que el aire que pasa a través del
sistema sea enfriado y por lo tanto mejore las condiciones de temperatura y comodidad de
la cabina de pasajeros. Estos dispositivos generalmente están ubicados dentro del panel
de control del carro y posee dentro de sus componentes para funcionar, un ventilador,
conocido como blower, el cual permite que el aire ambiente fluya a través del evaporador.
Además, los paneles de control de los automóviles vienen equipados con diferentes
sistemas que permiten controlar funciones como hacia dónde dirigir el aire frio en la cabina
de los pasajeros permitiendo de esta manera un mayor confort en el uso del sistema A/C.
3.2.4. Dispositivos de expansión
Los dos dispositivos que más se utilizan para la expansión del refrigerante son las
válvulas de expansión y los tubos de orificio. La función principal de estos dispositivos está
en permitir que el fluido cambie de alta a baja presión con la finalidad de que las
propiedades del mismo cambien y pueda ocurrir la transferencia de calor deseada. Las
válvulas de expansión tienen un mejor rendimiento en el sistema, sin embargo, son más
costosas que los tubos de orificio.
3.2.5. Refrigerante
El gas refrigerante más utilizado en la actualidad en los sistemas A/C automotriz es el
R134a el cual pertenece a la familia de los hidrofluorcarbono (HFC). En la actualidad es el
refrigerante más utilizado en los sistemas A/C de todo tipo, sin embargo, en los últimos años
se han venido desarrollando otro tipo de refrigerantes que son más eficientes y menos
contaminantes con el ambiente.
3.2.6. Componentes complementarios
Aceite sintético: El aceite se utiliza para lubricar ciertos tipos de compresores y de
esta manera reducir las pérdidas por fricción. Por lo general, este fluye a través del
sistema con el gas refrigerante.
Filtros secador y acumulador: Estos filtros permiten de cierta manera hacer una
limpieza del fluido que pasa por los diferentes componentes, para de esta manera
reducir pérdidas por mezclas líquido-vapor del refrigerante.
Tuberías: En la mayoría de los automóviles las tuberías de aire acondicionado
vienen hechas en material de aluminio flexible principalmente debido a los costos
11
de esta material, comparado con el cobre que también se utiliza mucho para los
sistemas de refrigeración y aire acondicionado doméstico.
Sensores de temperatura: En la actualidad los automóviles traen dentro de la cabina
diferentes tipos de sensores los cuales permiten controlar el tiempo de encendido
del sistema para de esta manera evitar consumos innecesarios de combustible.
3.3. Trabajos preliminares
Revisando la teoría sobre el desarrollo de experimentos similares se encuentra:
En el año 2002, Rugh et al. [1] realizó en Estados Unidos un análisis del aumento
en el consumo de combustible cuando se utiliza aire acondicionado en los vehículos.
Para este análisis se tuvieron en cuenta datos proporcionados por el laboratorio
nacional de energía renovables (NREL), en los que se tenían variables como, la
cantidad de horas de viaje promedio de un auto en Estados Unidos, el clima del día,
la cantidad de nubes, cantidad de pasajeros en el auto, entre otras cosas. Con estas
variables se construyeron un modelo de confort térmico que les permitió conocer
cuánto es el consumo promedio de combustible por año en Estados Unidos debido
a la utilización del A/C.
Zulkarnain et al. [4] construyó un banco de pruebas que permitía analizar un sistema
A/C automotriz sin la cabina del auto pero analizando con profundidad cada uno de
los componentes que conforman el sistema. En este análisis ellos se observaron
situaciones como la influencia de los ventiladores en los intercambiadores de calor
sobre el coeficiente de rendimiento (C.O.P) y la capacidad de refrigeración del
sistema. Como conclusión pudieron observar que a mayor velocidad de flujo de aire
se mejora el C.O.P y por consiguiente hay un menor consumo de energía en el
sistema.
En el año 2007, en la Universidad de los Andes, Caldas [5] construyó un sistema de
refrigeración el cual le permitía conocer la cantidad de energía necesaria para mover
una turbina eólica, con el fin de hacer funcionar un sistema de refrigeración con esta
energía. En este trabajo se logró cuantificar la energía que consume el compresor,
siempre y cuando, se le colocara un sistema de movimiento como por ejemplo, un
motor que hace las veces de turbina. Se evaluó el consumo en el arranque y hasta
la estabilización de las temperaturas en el espacio refrigerado.
En base a la información recolectada respecto al funcionamiento de un sistema A/C
automotriz, y los trabajos similares que se han desarrollado, se establecieron los
parámetros de entrada y salida del sistema, con lo cual, se estableció el modelo, se
desarrollaron los prototipos, se construyó el diseño escogido y se evaluaron las
características del sistema deseadas.
3.4. Definición de entradas y salidas
Desarrollar un modelo que permita evaluar todos los objetivos planteados implica que
se deba realizar un análisis de modelos preliminares el cual permita definir los parámetros
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que se deben tener en cuenta a la hora de evaluar un sistema, en este caso un sistema A/C
automotriz. A continuación en la Figura 3 se representan los parámetros que se deben tener
en cuenta para el desarrollo del modelo, estos se presentan en un mapa conceptual ya que
este permite mostrar de una manera más simple lo que se busca. Por otro lado, en esta
parte no se especifica en detalle cada punto ya que este es un esquema de ayuda preliminar
para la construcción del modelo como se observará más adelante.
Figura 3. Entradas y salidas del modelo desarrollado.
Las entradas y salidas del modelo construido están evaluadas por medio de los estados
del ciclo de refrigeración, por los cuales pasa un fluido refrigerante. Dentro de cada estado
se exponen dos aspectos, el primero, evalúa las respectivas propiedades del fluido que
circula por el sistema, y, el segundo, tiene en cuenta cada uno de los componentes que
hace parte del ciclo de refrigeración. Cada variable de entrada no necesariamente conlleva
a una salida ya que las salidas pueden ser la combinación de dos o más variables de
entrada.
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4. Desarrollo del modelo
Para el desarrollo del modelo se tiene en cuenta cada una de las variables de entrada
y salida representadas en la Figura 3. Además, se utiliza un ciclo de refrigeración ideal para
la construcción del modelo, ya que este se considera como la base del ciclo real. Al
comenzar por un ciclo ideal se evita tener en cuenta errores que pueden estar asociados a
un comportamiento real y que por lo tanto pueden afectar los datos. A continuación se
evalúa el ciclo ideal de refrigeración.
4.1. Ciclos de refrigeración
Figura 4. Diagrama T-s para un ciclo de refrigeración ideal.
Figura 5. Diagrama P-h para un ciclo de refrigeración ideal.
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En la Figura 4 se puede observar el diagrama temperatura contra entropía para un
ciclo de refrigeración ideal. Este diagrama es utilizado para analizar las irreversibilidades
del sistema con el fin de mejorar la eficiencia del mismo al optimizar los puntos donde más
ocurran factores que afecten el rendimiento del sistema. Al ser ideal, se pueden observar
puntos que están sobre la línea de líquido y vapor saturado, en un diagrama real estas
líneas no necesariamente están en esos puntos debido a lo complicado que sería garantizar
que el refrigerante este en ese estado. Este diagrama nos permite analizar las eficiencias
politrópicas o isentrópicas por medio de las ecuaciones que se detallaran más adelante.
La Figura 5 representa el diagrama de presión contra entalpía de un ciclo de
refrigeración ideal. En este ciclo ideal se puede observar que durante el recorrido del
sistema existen dos presiones de trabajo, una de alta presión y otra de baja, sin embargo,
cuando el ciclo se comporta de manera real existen algunas variaciones debido a la caída
de presiones por las tubería lo que hace el grafico cambie. El grafico P-h es una herramienta
muy útil que permite realizar un análisis del calor y el trabajo transferido, para de esta
manera analizar el rendimiento del sistema. Con el análisis de entalpias y el flujo másico de
refrigerante en el sistema es posible hallar, la capacidad de refrigeración, la capacidad de
condensación y el trabajo realizado del compresor hacia el gas, permitiendo con estos
valores encontrar el punto de óptimo rendimiento (C.O.P) de un sistema de refrigeración. A
continuación se presentan las ecuaciones que permiten realizar el análisis adecuado al
sistema A/C del automóvil, y las cuales se utilizaran como base del modelo.
4.2. Ecuaciones para caracterizar el sistema A/C
Del estado 1-2 en el diagrama P-h (Figura 5), la potencia que realiza el compresor sobre
el gas para que este fluya a través del sistema se calcula como:
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡 = �̇�(ℎ2 − ℎ1)
Ecuación 1. Potencia entregada por el compresor al refrigerante.
Donde 𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡 es la potencia que realiza el compresor sobre el vapor refrigerante en kW,
�̇� es el flujo másico en kg/s, y, las h (kJ/kg-K) representan las entalpías en su respectiva
posición en el diagrama P-h. Para conocer las entalpías es necesario encontrar las
presiones y temperaturas en cada punto a analizar, por tal razón, la entalpía no es una
entrada al sistema, sino que, las entradas son la presión y temperatura en el punto.
Por otro lado, es necesario calcular la potencia al eje, que para los carros es el eje
del motor, ya que esta es diferente de la potencia de la Ecuación 1, debido a las pérdidas
por fricción del motor. Esta potencia se calcula así:
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛 = 𝑀𝜔
Ecuación 2. Potencia de consumo en el eje.
Donde 𝜔 representa la velocidad de giro del compresor y 𝑀 el torque que realiza el
compresor para poner en funcionamiento el sistema.
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Eficiencia mecánica: es la relación entre la potencia indicada al eje del compresor y
la potencia al eje. Esta eficiencia permite conocer la cantidad de pérdidas que se generan
debido a la fricción entre los componentes de unión entre los ejes [3]. Para el cálculo de
esta eficiencia, en primer lugar, se calcula la potencia indicada al eje del compresor
(𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛𝑑) de la siguiente manera:
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛𝑑 = �̇� (𝑛
𝑛 − 1)𝑅𝑇𝑠𝑢𝑐 [(
𝑃𝑑𝑒𝑠𝑃𝑠𝑢𝑐
)
𝑛−1𝑛
− 1]
Ecuación 3. Potencia indicada al eje del compresor [6].
Donde la R representa la constante ideal de los gases que para el caso del refrigerante
R134a es de 𝑅 = 0.08149𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾, La n representa el coeficiente politrópico del sistema que
para este caso se considera como 1.2 [3]. Con esta potencia indicada al eje del compresor
es posible obtener la eficiencia mecánica del sistema.
𝜂𝑚𝑒𝑐 = 𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛𝑑
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛
Ecuación 4. Eficiencia mecánica.
El flujo másico en el sistema para este tipo de compresores puede ser calculado
como:
�̇� = 𝜌𝑠𝑢𝑐𝐷𝜔
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Ecuación 5. Flujo másico para compresores de desplazamiento positivo [6].
Donde 𝜌𝑠𝑢𝑐 es la densidad del refrigerante en la zona de succión del compresor, 𝐷 es el
desplazamiento en 𝑚3/𝑟𝑒𝑣 el cual depende del compresor utilizado y 𝜔 es la velocidad del
compresor en 𝑟𝑒𝑣/𝑠. Es importante resaltar que el flujo másico para este caso es en el
punto de succión o entrada del compresor, esto con el fin de calcular las variables con más
facilidad.
Eficiencia de compresión: es la relación entre la potencia isentrópica, que representa
el mínimo trabajo que realiza el sistema para comprimir el gas, y la potencia indicada al eje
del compresor. En el caso de un comportamiento de un ciclo de refrigeración ideal la entrada
del compresor y la salida del mismo no tienen un cambio de entropía, como se puede
observar en el diagrama T-s de la Figura 4, lo que hace que el ciclo se considere como
isentrópico. Sin embargo, esta situación no ocurre en un ciclo real ya que estos son
procesos irreversibles politrópicos debido a las pérdidas que ocurren en el ambiente [3]. En
base a esto la potencia isentrópica que se utiliza para el cálculo de la eficiencia de
compresión se remplaza por la potencia entregada al vapor refrigerante con el fin de
acercarse a un ciclo real. La ecuación se representa de la siguiente manera:
𝜂𝑐𝑝 = 𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛𝑑
Ecuación 6. Eficiencia de compresión [3].
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Finalmente, la eficiencia del compresor sería:
𝜂𝑐𝑜𝑚 = 𝜂𝑐𝑝𝜂𝑚𝑒𝑐
Ecuación 7. Eficiencia del compresor [3].
Del estado 2-3 se calcula la capacidad de condensación del sistema:
𝑄𝑐𝑜𝑛 = �̇�(ℎ2 − ℎ3)
Ecuación 8. Capacidad de condensación del sistema.
En el estado 3-4 ocurre la expansión del gas y entre estos puntos la entalpia es igual
ya que no se realiza trabajo alguno en el gas refrigerante.
ℎ3 = ℎ4
Ecuación 9. Relación entre las entalpías del estado 3-4.
En el estado 4-1 el sistema vuelve al compresor pero antes pasando por el
evaporador y desde este punto se conoce la capacidad de refrigeración del sistema:
𝑄𝑒𝑣𝑎 = �̇�(ℎ1 − ℎ4)
Ecuación 10. Capacidad de refrigeración del sistema.
Para conocer la coeficiente de desempeño (C.O.P) del sistema de refrigeración, se
tiene en cuenta, la evaluación del sistema entre la entrada y la salida con el fin de evaluar
que tanta energía, que estoy generando, logro aprovechar de manera efectiva para cumplir
la finalidad de enfriar un recinto.
𝐶𝑂𝑃 =𝑄𝑒𝑣𝑎
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛
Ecuación 11. Coeficiente de rendimiento del sistema.
Por un lado los coeficientes de rendimiento pueden ser evaluados con la potencia al
eje del carro o con la potencia que el refrigerante le hace al eje del compresor, esto depende
principalmente del tipo de análisis que se requiera realizar, para este experimento se
analizaron los dos casos. Por otro lado, las temperaturas cumplen un papel fundamental en
cada uno de los estados del sistema, aparte de complementar el cálculo de entalpías,
también permiten obtener un comportamiento específico contra el tiempo, el cual muestra
si el sistema funciona y de esta manera caracteriza el sistema de acuerdo a las condiciones
de funcionamiento.
Con las ecuaciones listadas anteriormente (Ecuación 1 - Ecuación 11), es posible
construir una serie de gráficas que permitan obtener las propiedades únicas de un sistema
de aire acondicionado automotriz específico. Dentro de las gráficas de caracterización que
se construyeron en este experimento se encuentra: gráfica que evalúa la potencia
consumida al eje o la potencia entregada al vapor refrigerante, incluyendo, además, la
capacidad de refrigeración y el coeficiente de rendimiento con respecto a la velocidad del
compresor, gráfica de temperatura contra tiempo para cada estado, gráfica de presión-
entalpía y temperatura-entropía para cada velocidad de compresor y gráficas del
comportamiento de las eficiencias.
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4.3. Ecuación para estimar el consumo del sistema A/C
Según lo establecido en el modelo, en base a la teoría, los compresores de aire
acondicionado automotriz funcionan mediante la correa de repartición del carro, la cual, a
su vez, va conectada al eje del motor. Para el caso de este experimento se estimó el
consumo energético de este tipo de sistemas igualando la potencia al eje del motor eléctrico
medida con la potencia que necesitaría el eje del motor del carro para mover el sistema, es
válido aclarar que no se tuvieron en cuenta perdidas por fricción de la correa ya que para
el caso experimental no se utilizó este tipo de conexión entre ejes. Ya con las potencias al
eje se necesitó de un análisis de eficiencias que permitieran conocer en un motor de
combustión interna a gasolina real, cuanto es el consumo por utilizar los sistemas A/C del
carro. La eficiencia de combustión de un motor a gasolina se puede asumir en un 30%,
aunque puede variar de acuerdo a las condiciones. Con la eficiencia y la potencia al eje del
motor se calculó la potencia consumida del sistema mediante:
𝑊𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 =𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛
𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 (30%)
Ecuación 12. Potencia consumida del sistema.
5. Diseño del banco de pruebas
5.1. Requerimientos
Se requiere construir un montaje que permita evaluar el modelo de ecuaciones
desarrollado, con el fin de conocer que tanta energía consume un sistema de aire
acondicionado automotriz, teniendo en cuenta, que el consumo puede ser evaluado en
términos de potencia energética o consumo de combustible. Además, el montaje debe
permitir conocer las características principales de un compresor de A/C automotriz, con el
fin de establecer las propiedades de cada tipo de sistema de refrigeración evaluado.
5.2. Restricciones
El montaje debe ser construido con el presupuesto designado para el proyecto (1
SMLV colombiano para compras y 1 SMLV colombiano para manufactura) y con los
componentes con los que ya disponga la Universidad de los Andes.
Se debe recrear el entorno de funcionamiento del sistema A/C automotriz, con el fin
de mantener la distribución y la cantidad de componentes originales de este tipo de
sistema, con la intención de diferenciar la evaluación del A/C automotriz con la de
un sistema de refrigeración doméstico o similar.
Se debe obtener un valor de consumo energético, ya sea en la cantidad de
combustible que consume el funcionamiento del sistema A/C o cuanta potencia
requiere el compresor para funcionar.
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5.3. Diseño de prototipos para el montaje
En base a la teoría consultada y a los requerimientos y restricciones establecidas se
construyeron tres prototipos que permiten evaluar el modelo establecido.
Prototipo 1: La Figura 6 muestra el diagrama del primer prototipo diseñado el cual basa
su funcionamiento en el análisis de consumo de combustible de un carro con sistema de
aire acondicionado sometido a diferentes pruebas de ruta mientras es utilizado el sistema
de refrigeración. El automóvil a utilizar es un Chevrolet Spark modelo 2005 equipado con
un sistema de aire acondicionado el cual según el fabricante tiene una capacidad de
refrigeración de aproximadamente 6.6 kW, bajo ciertas condiciones establecidas. El
prototipo permite conocer el funcionamiento del sistema A/C cuando es utilizado en
automóviles, ya que este recrea las condiciones reales de funcionamiento, y, además, mide
el consumo de combustible que se utiliza cuando funcionan estos equipos de refrigeración.
A continuación se presentan las características principales del prototipo:
Ventajas:
o Mantener la distribución y las condiciones de los componentes del sistema
A/C permite que el prototipo muestre resultados más cercanos a lo que
ocurre con las condiciones cambiantes.
o La construcción del prototipo se limita a colocar los instrumentos de medición
ya que el sistema como tal ya está disponible para su uso.
o Existen procedimientos y estándares establecidos internacionalmente para
realizar pruebas de consumo debido al uso de aire acondicionado, lo que
facilita al análisis de los resultados.
Desventajas:
o Debido a que se realiza una prueba de ruta en carreteras donde existe tráfico
y además, las condiciones ambientales no son las mismas todo el tiempo,
se dificulta mantener unas condiciones estables que permitan comparar los
datos.
o Es necesario contar con una persona experta para el manejo del automóvil
el cual mantenga la forma de manejo estable durante todas las pruebas.
o Se complica la caracterización del sistema A/C, ya que no se mide la
operación del equipo, sino que solo se mira su funcionamiento externo.
Componentes: Cada uno de los prototipos requiere de diferentes componentes o
equipos de un sistema de aire acondicionado para su funcionamiento, en esta parte
se explican cuales son. Para el caso de este prototipo se requiere de un automóvil
con sistema A/C incorporado.
Variables medidas: Las variables que se puedan medir en cada prototipo indican
que tan detallado es el estudio del sistema, entre más variables medidas mayor
puede ser la efectividad del modelo planteado. Para este prototipo se tienen
contempladas la medición de 11 variables las cuales son: Velocidad en carretera,
presiones indicadas en el sistema A/C, consumo de combustible, velocidad de
ventiladores, radiación solar, tiempo de manejo, cantidad de pasajeros, área a
enfriar, temperatura interna, temperatura externa y humedad del ambiente.
19
Figura 6. Diagrama del primer prototipo.
Prototipo 2: La Figura 7 muestra un esquema de un banco de pruebas en el cual se
utiliza el automóvil Chevrolet Spark y un banco exterior para la medición especifica del
componente compresor del sistema A/C, el cual es el encargado de hacer funcionar el
sistema de refrigeración. En resumen, el prototipo se divide en dos zonas, la primera zona,
se establece como zona automóvil, y, en esta parte se ubican la mayoría de los
componentes de un sistema de refrigeración para carros, con la excepción del compresor
el cual se ubica en la zona dos. La segunda zona mencionada, permite evaluar el compresor
del sistema en más detalle, además de permitir hacer que funcione el sistema, teniendo en
cuenta que el automóvil para este caso estará dentro de un laboratorio, con el fin de tener
condiciones más estables. En este banco de pruebas se tiene en cuenta el consumo
energético del compresor desde el eje que lo impulsa hasta su comportamiento con el
refrigerante. A continuación se presentan las características principales del prototipo:
Ventajas:
o Las condiciones ambientales dentro de un laboratorio son más estables que
las de cualquier zona exterior.
o Es posible analizar con mayor detalle cada uno de los componentes que
hacen parte del sistema A/C del carro, lo que permite obtener una
caracterización más adecuada del sistema.
o Las pruebas se pueden repetir ya que las condiciones son más estables y
no se requiere de mayor habilidad del operario o investigador para poner a
funcionar el banco de pruebas.
Desventajas:
o Se debe diseñar y construir un sistema que permita conectar la zona
automóvil y la zona exterior sin afectar la originalidad y los componentes ya
existentes del carro.
o Se debe mantener cada uno de los componentes del carro y no alterar su
funcionamiento lo que complica la toma de datos importantes para la
caracterización del sistema.
o No es posible utilizar el manual del sistema A/C del carro ya que se alteran
algunas zonas lo que hace que los resultados no sean similares a lo
establecido por el fabricante.
Componentes: Este prototipo requiere de un automóvil con sistema de A/C
incorporado, un compresor de A/C adicional, un motor que haga las veces de motor
20
del carro para el funcionamiento del sistema A/C y un variador de velocidad para el
motor eléctrico.
Variables medidas: Para el caso de este prototipo es posible obtener 12 variables
para analizar el sistema, las cuales son: Torque y velocidad del compresor,
temperaturas en 5 puntos diferentes (habitáculo de pasajeros, entrada y salida
compresor, salida evaporador y condensador), presiones del gas refrigerante en 4
puntos (entrada y salida compresor, salida evaporador y válvula de expansión),
Velocidad ventilador evaporador.
Figura 7. Diagrama del segundo prototipo.
Prototipo 3: La Figura 8 Muestra un prototipo del sistema de refrigeración con todos los
componentes más utilizados en un banco de pruebas. Este banco de pruebas está basado
en bancos de pruebas encontrados en la teoría en donde se utilizan los componentes más
importantes de un sistema de refrigeración y se colocan en un banco de pruebas para su
análisis detallado de cada componente. Con este tipo de banco es posible obtener las
características tanto de cada componente del sistema como las características del sistema
como uno solo. Además, es posible controlar y, a la vez, variar las condiciones de
evaluación gracias a la versatilidad que se tienen con este tipo de diseños. En resumen,
este prototipo permite conocer las características de los componentes y del sistema como
tal, estimando el consumo energético como la potencia consumida al eje del compresor. A
continuación se presentan las características principales del prototipo:
Ventajas:
o La versatilidad del sistema puede ser ilimitada, en donde incluso se pueden
cambiar ciertos componentes con el fin de evaluar el modelo para otro tipo
de sistemas de A/C, ampliando las posibilidades a diferentes tipos de
compresores para sistemas automotrices o diferentes tipos de sistemas
como lo pueden ser los domésticos o industriales.
21
o Por su condición de banco de pruebas es posible controlar e incluso variar
las condiciones ambientales a las que se evalúa el sistema.
o Colocar en funcionamiento el sistema para realizar las pruebas es sencillo e
incluso se puede estandarizar.
Desventajas:
o Es posible utilizar los mismos componentes que se utilizan en un sistema
A/C para carro, sin embargo, es difícil recrear con exactitud las condiciones
de distribución de los componentes.
o Para su construcción es necesario conocer en detalle los componentes que
se van a utilizar ya que se deben mantener ciertos parámetros para que el
sistema funcione de manera óptima.
o Debido a la complejidad en su construcción el costo puede ser muy elevado.
Componentes: Este prototipo requiere de todo el sistema de aire acondicionado
automotriz que incluye, compresor, evaporador, válvula de expansión, condensador,
filtros. Además, es necesario un motor eléctrico con su respectivo variador de
velocidad.
Variables medidas: La cantidad de variables medidas para este prototipo son 15,
aunque vale la pena resaltar que este número puede variar de según sean las
condiciones que se quieran evaluar, las variables son: Torque y velocidad
compresor, temperaturas en 6 puntos (entrada y salida del compresor, salida
condensador, entrada evaporador, temperatura del aire que fluye por el ventilador
del condensador y el del evaporador), presiones en cuatro puntos (entrada y salida
compresor, salda condensador, entrada evaporador), velocidad del aire que fluye a
través de los ventiladores del condensador y el evaporador y el flujo másico del
refrigerante.
Figura 8. Diagrama del tercer prototipo.
22
5.4. Indicadores de evaluación
Con el fin de evaluar los tres prototipos diseñados se establecen cinco indicadores de
evaluación, los cuales están basados en los requerimientos y las restricciones establecidas.
Indicador 1: Cantidad de variables medidas.
Este indicador representa la cantidad de variables medidas en cada prototipo. Dependiendo
de la cantidad de variables medidas, se obtienen datos que permiten caracterizar con mayor
detalle, bien sea, cada componente del sistema o el sistema A/C como tal. Cada prototipo
ya tiene asignado un número de variables a medir de acuerdo a su diseño. Es importante
resaltar, que este indicador asigna un puntaje a cada prototipo de acuerdo a la cantidad de
variables que se pueden obtener. Por ejemplo, si un prototipo permite medir 6 variables a
este prototipo se le asigna un puntaje de 6 puntos.
Indicador 2: Factibilidad de la manufactura.
Este indicador representa que tan factible es la manufactura de los bancos de prueba. Es
difícil cuantificar una variable como la factibilidad, sin embargo, es posible asegurar que
entre más variables medidas es más complejo realizar el montaje del banco, ya que implica
mayor número de instrumentos de medición, computadores más avanzados para la toma
de datos, entre otras cosas. Este indicador asigna un puntaje de acuerdo a la cantidad de
prototipos a evaluar, el cual deberá sumarse al puntaje asignado en el indicador anterior.
Por ejemplo, si se están evaluando dos prototipos el que menor cantidad de variables mida
obtiene 2 puntos debido a que es más fácil manufacturar este prototipo en comparación con
el de mayor variables, que para este caso se le asignaría un puntaje de 1.
Indicador 3: Cantidad disponible de los componentes del sistema.
Como se estableció en las restricciones que era necesario utilizar componentes ya
existentes en la Universidad de los Andes. Entonces, se estableció este indicador que
evalúa la cantidad de componentes disponibles de un sistema de aire acondicionado para
carro en la Universidad. Este indicador asigna un porcentaje el cual depende de la cantidad
de componentes disponibles. Por ejemplo, el prototipo a evaluar necesita de 3 componentes
y hay disponibles en inventario solamente uno, entonces, el porcentaje asignado es del
33%. Los demás componentes deben ser comprados con el presupuesto asignado el cual
se analiza más adelante. El porcentaje obtenido multiplica el puntaje obtenido previamente
en los indicadores 1 y 2.
23
Indicador 4: Cantidad disponible de los instrumentos de medición.
Similar al caso anterior pero esta vez evaluando la cantidad de instrumentos de medición
disponibles en inventario y la cantidad que deberá ser conseguida para realizar las
mediciones apropiadas. La cantidad de instrumentos necesarios se establece de acuerdo
a la cantidad de variables que se miden por prototipo. Este indicador asigna un porcentaje
que se evalúa de manera similar al indicador 3.
Indicador 5: Costo del prototipo.
Este indicador permite evaluar el costo de construcción de cada prototipo. Este costo
depende de la cantidad de componentes e instrumentos que se deben adquirir para el
funcionamiento de cada prototipo. Como se estableció en los requerimientos se cuenta con
un presupuesto asignado (1 SMLV = $781.242). El puntaje se asigna basado en las
cotizaciones comerciales de los componentes necesarios y el presupuesto asignado. Por
ejemplo, la construcción del prototipo x requiere una inversión de $1.000.000 (Un millón de
pesos colombianos), este dinero equivale a 1.3 SMLV, ese valor divide los puntajes
previamente obtenidos. En caso de superar el presupuesto asignado es necesario
conseguir los recursos por otros medios.
A continuación se asignaran los puntajes y porcentajes para cada prototipo diseñado
de acuerdo a los diseños previamente establecidos y a la evaluación de cada indicador.
Indicador 1:
Prototipo 1: Cantidad de variables: 11.
Prototipo 2: Cantidad de variables: 12.
Prototipo 3: Cantidad de variables: 15.
Indicador 2:
Prototipo 1: Factibilidad de la manufactura: 3.
Prototipo 2: Factibilidad de la manufactura: 2.
Prototipo 3: Factibilidad de la manufactura: 1.
Indicador 3:
Prototipo 1: Dentro del inventario se cuenta con el automóvil equipado con sistema
de refrigeración por lo tanto, el indicador se cumple en un 100%.
Prototipo 2: Dentro del inventario realizado se cuenta con el motor, el variador y el
automóvil con sistema A/C incorporado, por lo que se le asigna un porcentaje al
indicador del 75%.
Prototipo 3: En total para este prototipo se requieren 7 componentes del cual solo
se cuenta en inventario con 2, que es el motor eléctrico y el variador de velocidad.
Por lo tanto, se le asigna al indicador un porcentaje del 29%.
24
Indicador 4:
Prototipo 1: Este prototipo tiene algunos parámetros los cuales no se logra
establecer de una manera apropiada como serán adquiridos, por tal razón solo se
tienen en cuenta los que con seguridad pueden ser tomados. De las 8 variables a
medir se cuenta con el 60% de los equipos.
Prototipo 2: Este prototipo cuenta con todos los instrumentos necesarios para su
medición por lo tanto se le asigna un porcentaje del 100%.
Prototipo 3: Para este prototipo no se encuentran dispositivos que permitan evaluar
de manera acertada el caudal, por tal razón, se le asigna un porcentaje del 94%.
Indicador 5: este indicador se basa en cotizaciones comerciales de acuerdo a la cantidad
de componentes e instrumentos que se deban adquirir para cada prototipo. La Tabla 2
muestra un resumen de las cotizaciones realizadas para cada prototipo.
Tabla 2. Cotización de componentes necesarios para la construcción de los prototipos.
Para evaluar los indicadores en cada prototipo se sumaron los puntos obtenidos de
cada prototipo en los indicadores 1 y 2. Posteriormente, se multiplicó este puntaje por los
porcentajes obtenidos en los indicadores 3 y 4, y, finalmente, se dividió el resultado entre
la cantidad de SMLV necesarios para construir el prototipo. El prototipo con el mayor puntaje
será el diseño escogido para realizar las pruebas. A continuación se muestra la ecuación
resumen para evaluar los prototipos y la tabla que resume los indicadores evaluados.
𝑃𝑢𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜 =(𝑖1+𝑖2)∗𝑖3∗𝑖4
𝑖5
Ecuación 13. Evaluación de los prototipos.
Tabla 3. Puntajes obtenidos según los indicadores de evaluación para cada prototipo.
Con los indicadores ya evaluados se puede observar que según los resultados de la
Tabla 3 el prototipo a desarrollar es el número 2.
1 SMLV =
$781.242
Componentes
A/C
Componenetes
complementarios
(Refrigerante,
Aceite, Tubería,
Acoples, permisos)
Instrumentos
de medición Total
Cantidad
de SMLV
Prototipo 1 -$ 750.000$ -$ 750.000$ 1
Prototipo 2 400.000$ 350.000$ -$ 750.000$ 1
Prototipo 3 1.500.000$ -$ -$ 1.500.000$ 1.9
Prototipo 1 Prototipo 2 Prototipo 3
Indicador 1 11 12 15
Indicador 2 3 2 1
Indicador 3 1,0 0,75 0,29
Indicador 4 0,6 1,0 0,94
Indicador 5 1 1 1,9
Puntaje Prototipo 8 11 2
25
6. Diseño experimental
En la Figura 7 se puede observar el diseño del montaje realizado. Del prototipo se
resaltan tres zonas a diseñar, zona automóvil, zona exterior y zona de conexión. A
continuación se establecen los parámetros, rangos de funcionamiento, componentes
utilizados, instrumentos utilizados, entre otras cosas, de cada una de las zonas del
prototipo.
6.1. Zona automóvil En esta zona se cuenta con 4 de los 5 componentes que hacen parte del sistema A/C
del automóvil, a falta del compresor que se ubica en la zona externa. Específicamente, el
carro es un Daewoo Matiz modelo 2005 que en ese año fue adquirido por la marca
Chevrolet que comenzó a denominar el auto como Chevrolet Spark. Este modelo fue uno
de los primeros en utilizar sistema de aire acondicionado y por lo tanto su sistema es
pequeño considerando los que existen en la actualidad. Conociendo el modelo del carro fue
posible establecer las especificaciones de funcionamiento las cuales se encontraron en el
respectivo manual del auto. Para verificar que todos los componentes del sistema del auto
estuvieran en funcionamiento se realizaron dos pruebas al sistema. En primer lugar, se
verificaron fugas mediante una prueba de vacío al sistema, y, posteriormente se cargó el
mismo con gas refrigerante R134a en las cantidades establecidas en el manual con el fin
de verificar que los componentes a utilizar funcionaran de manera óptima.
6.1.1. Pruebas de funcionamiento
En la Figura 9 se pueden observar las dos pruebas realizadas para verificar el
funcionamiento de los componentes del auto a utilizar. La Figura 9(a) muestra la prueba de
vacío la cual consistía en realizar vaciado al sistema durante 30 minutos para
posteriormente verificar si las agujas de presión subían debido a alguna fuga en el sistema.
Esta prueba fue exitosa ya que no se encontró fuga alguna en los componentes. La Figura
9(b) muestra la prueba de carga al sistema. Se cargaron 330 g de refrigerante R134a, según
dice el manual del carro, para posteriormente verificar si lograba enfriar el habitáculo de
pasajeros. Esta prueba fue exitosa ya que se verificaron todos los componentes en pleno
funcionamiento.
Figura 9. Pruebas de funcionamiento del sistema A/C del Chevrolet Spark. (a) Prueba de vacío al sistema para verificar fugas. (b) Prueba funcionamiento del sistema con carga de refrigerante.
26
6.1.2. Componentes e instrumentación
Manómetros de presión:
Figura 10. Manómetros de presión utilizados.
La Figura 10 muestra los manómetros utilizados para medir la presión en los puntos
establecidos. Para la presión alta el manómetro permitía una lectura cada 5 psi para el de
presión baja permitía cada 1 psi, estas diferencias tienen una influencia importante en el
error asociado al experimento. De igual forma se cuenta con una línea para la carga del
refrigerante al sistema. De acuerdo al manual de operación los manómetros de presión
manejan un rango de exactitud que se calcula como la mitad de la resolución de cada
visualizador. Los manómetros utilizados son de marca Uniweld los cuales son reconocidos
en el mercado de refrigeración para este tipo de mediciones. Estos instrumentos son
utilizados de igual forma en dos puntos de la zona de conexión.
Sensores de temperatura:
Figura 11. Sensores de temperatura utilizados.
La Figura 11 muestra los tres sensores de temperatura utilizados durante el
experimento. El primero, es un termopar tipo J el cual se encarga de medir la temperatura
dentro del habitáculo del carro, y con el cual se conoce cuando la temperatura llega a su
tope de acuerdo a las condiciones ambientales. El segundo termopar es tipo K marca
Omega, y se encarga de medir la temperatura del gas refrigerante dentro de la tubería por
27
donde fluye, en la zona de conexión, se utilizaron cuatro sensores de este tipo para los
diferentes puntos donde se requiere medir la temperatura del gas. Debido a que se
necesitaban medir las temperaturas durante todo el tiempo de la prueba, se escogieron
estos sensores de temperaturas ya que permiten conocer en tiempo real la temperatura
siempre y cuando estén bien ubicados y con un buen sistema de adquisición de datos.
Según los manuales de operación de estos instrumentos, la precisión del valor medido se
evalúa como el 0,75% de la lectura.
6.2. Zona exterior
Debido al difícil acceso hacia el compresor en la parte frontal del carro, se decidió
conseguir un compresor con las mismas características del original para poder analizarlo
en un banco de pruebas aparte y, a su vez, replicar los demás componentes del sistema en
su ubicación original en el automóvil (zona automóvil). Este banco de pruebas es el que se
conoce como zona exterior. Principalmente, esta zona se compone de: un compresor que
funcione para los demás componentes ya instalados en la zona automóvil, un motor
eléctrico el cual haga funcionar el compresor de acuerdo a los rangos establecidos, un
variador de velocidad que permita recrear los cambios en la velocidad del compresor para
carro y los instrumentos de medición necesarios para obtener las propiedades deseadas.
Esta zona tiene la particularidad de analizar con gran detalle el compresor, ya que se
estableció que es el componente principal del sistema y además es posible medir su
consumo energético necesario para su funcionamiento.
6.2.1. Rangos de funcionamiento
Con el fin de conocer que parámetros y rangos de evaluación se van a realizar para la
prueba, se evalúan teóricamente las diferentes variables a medir para además escoger de
manera apropiada los instrumentos de medición. En primer lugar para estimar los rangos
de velocidad en los que opera el compresor se realiza la siguiente relación entre los
diámetros de las poleas compresor y motor-carro y las velocidades del eje compresor y eje
motor.
𝐷𝑚𝑉𝑚 = 𝐷𝑐𝑜𝑚𝑉𝑐𝑜𝑚
Ecuación 14. Relación entre velocidades y diámetros de los ejes.
Donde 𝐷𝑚 es el diámetro de la polea motor, 68.5 mm, y 𝑉𝑚 es la velocidad del eje del motor
del carro. 𝐷𝑐𝑜𝑚, 𝑉𝑐𝑜𝑚 son los diámetros de la polea del compresor y la velocidad del
compresor respectivamente. Midiendo el diámetro de la polea del compresor se tienen 110
mm. Además, se establece que las velocidades de operación del carro normalmente son:
En ralentí: 1000 rpm
Punto del cambio: 3000 rpm
Rango de cambio: 2000 rpm-3500 rpm
28
Realizando el cálculo con la Ecuación 14, se obtienen los rangos de velocidad para el
compresor:
En ralentí: 623 rpm
Punto del cambio: 1868 rpm
Rango de cambio: 1245 rpm-2179 rpm
Con las velocidades ya conocidas y con la información de la Tabla 1 es posible
establecer que aproximadamente para 1800 rpm el compresor tiene un consumo de 1.48
kW. Despejando la Ecuación 2 es posible encontrar el torque para esta velocidad, por lo
tanto se obtiene que:
𝑀 =1.48 𝑘𝑊
1800 𝑟𝑝𝑚 ∗2𝜋60
= 7.8 𝑁𝑚
En conclusión, se establece que el motor que va a mover el compresor debe tener una
capacidad superior a los 1.48 kW y alcanzar velocidades cercanas a los 2000 rpm. Además,
se establece que el instrumento de medición de torque debe tener un rango superior a los
8 Nm.
6.2.2. Componentes e instrumentación
Compresor:
En la Figura 12 se puede observar el compresor a utilizar el cual es un Delphi SP08,
compresor de desplazamiento positivo fijo con un desplazamiento de 80 𝑐𝑚3/𝑟𝑒𝑣. Este
compresor es el original que acompaña los demás componentes que se encuentran en la
zona automóvil. Este tipo de compresor fue escogido para la prueba, ya que según lo que
se puede observar en la Tabla 1 los compresores de desplazamiento fijo tienen el 66% del
mercado de sistemas de aire acondicionado para auto [2]. Dentro de las recomendaciones
del fabricante para este tipo de compresores, el componente debe ser lubricado, antes de
ponerlo en funcionamiento, con 100 gramos de lubricante sintético para compresores, esto
con la finalidad de reducir perdidas por fricción o aumento de temperaturas. Con el fin de
no utilizar correas para el funcionamiento del sistema, el embrague original del compresor
fue suspendido ya que no se utilizó.
Figura 12. Compresor Delphi SP08.
29
Motor eléctrico:
Figura 13. Motor utilizado en el banco de pruebas.
Según los rangos de funcionamiento del sistema se van a tener pruebas que
alcanzan velocidades de 2200 rpm con una potencia requerida de 1.48 kW. Según esas
condiciones se escogió el motor de la Figura 13 el cual es de marca ASEA con 2.2 kW de
potencia y 3470 rpm de velocidad máxima. Estos parámetros superan los establecidos en
el diseño por lo cual no se entra a analizar las posibles pérdidas del motor.
Variador de velocidad:
Figura 14. Variador de velocidad utilizado.
En la Figura 14 se observa el variador de velocidad Altivar 71 para motores de 4 kW
de potencia o menos y con voltaje de alimentación de 220 V. Este variador permite simular
las diferentes velocidades a las que funciona el compresor y sus rengos de funcionamiento
son superiores a los establecidos para el experimento.
Sensores de temperatura:
En Figura 11 se observan los sensores de temperatura utilizados con su respectiva
descripción. Para el caso de la zona exterior se tiene en cuenta la ubicación de los sensores
dentro de la tubería como se puede observar en la Figura 15. Esta ubicación fue escogida
30
para medir la temperatura del gas con mayor exactitud. Al colocar el sensor en la mitad de
la tubería se evitan contactos con la parte superior o inferior del ducto, en donde incluso
existen capas de aceite que afectarían la medición de la temperatura. Estando ubicado en
la mitad el sensor es posible asegurar que la temperatura corresponde netamente al gas.
Figura 15. Ubicación de los termopares dentro de la tubería por donde fluye el gas refrigerante
Tacómetro:
Figura 16. Tacómetro utilizado para medir la velocidad de giro del compresor.
El tacómetro marca Extech de la Figura 16 permite medir la velocidad de giro del
compresor. Este instrumento de medición permite medir la velocidad por contacto o por foto
sensor, para este experimento se utiliza el método de foto sensor debido a la distribución
de los componentes del banco de pruebas. Este tipo de instrumento fue escogido ya que
se cuenta con un eje giratorio a la vista, en el cual es posible ubicar el instrumento para
medir la velocidad. En el manual de operación se establece un rango de exactitud del 0.05%
de la lectura más un dígito adicional.
Sensor de torque:
Figura 17. Sensor de torque conectado al compresor.
31
En la Figura 17 se observa el sensor de torque marca Omega. En el diseño del
banco de pruebas se establecieron los rangos en los que opera el compresor y en base a
esto se escogió el sensor apropiado para la prueba. El sensor escogido tiene un rango de
funcionamiento de 23 Nm y 6000 rpm, rango que está por encima de los parámetro de
diseño (7.8 Nm y 2200 rpm). Este sensor es apropiado para medir el torque giratorio, el cual
es el caso de este experimento. En el anexo 2 se muestra el procedimiento para la
calibración del instrumento.
Multímetro:
Figura 18. Multímetro utilizado para la lectura del voltaje que proviene del medidor de torque.
La Figura 18 muestra el multímetro marca Fluke utilizado durante la prueba para
conocer el voltaje que representaba la cantidad de torque que ejerce el compresor al eje
del motor. El valor de voltaje se compara con la curva de calibración para conocer el torque
que se está ejerciendo. Dentro del manual de operación del instrumento se estable un rango
de exactitud de 0.05% de la lectura más un dígito.
6.2.3. Ensamble
La Figura 19 muestra el ensamble de los componentes e instrumentos principales de la
zona exterior (compresor, sensor de torque y motor eléctrico). Este ensamble se hizo sobre
una base metálica que asegura los componentes mediante tornillos con tuerca de
seguridad. La conexión entre ejes se realizó utilizando acoples tipo araña, los cuales se
compraron de acuerdo a los diámetros de los ejes de cada parte y el torque al que iban a
ser sometidos.
Figura 19. Ensamble de los principales componentes e instrumentos de la zona exterior.
32
6.3. Conexión zona automóvil y zona exterior
Uno de los desafíos que presenta este banco de pruebas es la conexión que se debe
realizar entre las dos zonas establecidas. Para encontrar el acople óptimo, se sigue un
proceso de selección riguroso con el fin de evitar daños en la zona automóvil la cual debe
mantener sus configuraciones de origen.
6.3.1. Requerimientos
Diseñar un sistema de acople para las tuberías del sistema de A/C del carro Spark, por
las cuales fluye refrigerante R134a, el cual permita unir las tuberías de extensión para la
zona exterior y las tuberías de la zona del automóvil ya existentes.
6.3.2. Restricciones
Operacionales
Las uniones de los acoples deben soportar presiones mayores a 1500 kPa.
La temperatura de dilatación entre los materiales acoplados no debe ser superior
a 71 °C.
Los acoples deben ser del mismo material que la tubería ya existente.
Las tuberías del carro no pueden perder su geometría original.
Geométricas
Los acoples deben tener un ajuste que permita soportar las presiones y
temperaturas de requerimiento.
Las dimensiones deben permitir similitud con los acoples ya existentes.
Las dimensiones externas deben estar diseñadas de tal forma de que no
generen ningún riesgo al operador.
6.3.3. Ubicación del acople
Se requieren realizar dos acoples:
Hembra presión alta (HPA): Es la salida del compresor por donde pasa el
refrigerante a alta presión y alta temperatura. Este se dirige hacia el
condensador.
Hembra presión baja (HPB): Es la entrada del refrigerante al compresor por
donde pasa el refrigerante a baja presión y baja temperatura. Este viene desde
la salida del evaporador.
Con las posiciones de la tubería establecidas se procede a realizar una observación
detallada de los posibles puntos por donde se pueden extender las tuberías. Los puntos
más factibles visualmente se muestran en la Figura 20.
33
Figura 20. Ubicaciones factibles para realizar el acople.
Visualmente se identifican dos puntos de acople. Para evaluar correctamente los puntos
de acople se realiza una evaluación con indicadores subjetivos de diseño que permitan
escoger el mejor punto. Los indicadores subjetivos se establecen en base a los
requerimientos y las restricciones de diseño, estos son:
1. Integridad del sistema: Este indicador permite tener en cuenta que el sistema
original del automóvil no se vea afectado con modificaciones que afecten su
estructura.
2. Ensamble: Este indicador permite evaluar la facilidad de ensamble en los puntos.
3. Resistencia a fugas: Este indicador permite evaluar la tendencia del punto a
quedar con fugas en el sistema.
Cada uno de los indicadores se evalúa subjetivamente con el fin de escoger un punto
en donde los acoples puedan ser utilizados de una manera correcta. Los indicadores se
evalúan bajo un parámetro de si cumple o no cumple, permitiendo escoger el punto donde
más se cumplan los requerimientos.
Punto 1: Unión entre las dos tuberías ya existentes por medio de un corte.
Indicador 1: Visualmente es claro que la integridad del sistema se ve afectada si se
decide realizar la unión en este punto, ya que la unión debe ser de tipo roscado o
soldado, afectando la estructura del sistema original. No cumple.
Indicador 2: La unión que se debe colocar en este punto implica una manufactura
avanzada (como soldadura o roscado), y por lo tanto su posición en el carro no
permite un fácil acceso a las partes involucradas. No cumple.
Indicador 3: Si la unión entre las dos partes se realiza soldada, se asegura una
buena resistencia a fugas. Si la unión se realiza mediante roscado se puede ver
comprometido el sistema a fugas por vibraciones o mal ensamble. No cumple.
Punto 2: Unión entre la entrada y salida originales del compresor.
Indicador 1: Las uniones entre las tuberías y el compresor originales son por medio
de ajuste con juego y tornillos. Por lo tanto, realizar un acople en este punto me
permite asegurar que la integridad del vehículo no se vea afectada. Si cumple.
Indicador 2: La entrada y salida de las tuberías al compresor no requieren más que
un ajuste con tornillos lo cual implica una manufactura más sencilla y por lo tanto
apta para el espacio que se tiene de ensamble. Si cumple.
34
Indicador 3: La unión entre las dos partes debe ser un acople con ajuste y tornillo.
Este ajuste puede generar problemas de fugas debido a malos ajustes en el sistema.
No cumple.
El punto 2 es el que más muestra subjetivamente que es el más adecuado para hacer
el acople. Sin embargo, se evalúa el último indicador con el fin de conocer que parámetros
de diseño se deben cumplir para minimizar fugas o demás situaciones que afecten el
sistema.
Cálculos:
Pieza presión alta (1500 kPa):
Figura 21. Medidas importantes de la geometría de los acoples para presión alta.
Figura 22. Puntos de presión de la pieza para presión alta.
Las flechas rojas en la Figura 22 hacen referencia a la fuerza que se ejerce sobre el
ajuste entre la tubería y el acople a la salida del compresor. La fuerza está dada debido a
la presión del gas que sale del compresor el cual según especificaciones es de 1500 kPa.
El cálculo de la fuerza se realiza de la siguiente manera:
𝐹 = 𝑃𝐴
Ecuación 15. Fuerza ejercida por el gas a la tubería.
Donde la presión (P) es de 1500 kPa, y el área (A) está dada por:
𝐴 = 𝐴𝑒 − 𝐴𝑖 = 𝜋𝑟𝑒2 − 𝜋𝑟𝑖2
Ecuación 16. Área de contacto entre el gas y la tubería.
35
Donde el radio externo se observa en la Figura 21 (15,5mm), y el radio interno es de
13,9mm según las medidas tomadas en la tubería. Por lo tanto la fuerza es:
𝐹 = (1500 𝑘𝑃𝑎)(𝜋(7,75𝑥10−3)2 − 𝜋(6,95𝑥10−3)2) = 𝟓𝟓, 𝟒 𝑵
Ahora se debe escoger un ajuste entre las dos piezas, la tubería y el acople, el cual
permita mantener el ajuste y que las piezas no se separen.
Tabla 4. Descripción y aplicación de los ajustes preferentes [7].
De la Tabla 4 se escoge el ajuste con base en el eje D9/h9. Se escoge debido a sus
aplicaciones en las cuales se permiten presiones elevadas en el macho y además de su
ajuste con juego movimiento libre el cual permite que la pieza se pueda desensamblar de
una manera más sencilla. Según las tablas de calidad y desviaciones para agujero y eje se
tiene que los diámetros y los aprietes para las piezas calculadas son:
𝐷𝐸𝑗𝑒 = 15,5+0,000+0,043 𝑚𝑚 𝐷𝐴𝑔𝑢𝑗𝑒𝑟𝑜 = 15,5+ 0,050
+ 0,093 𝑚𝑚
𝐴𝑝𝑚𝑎𝑥 = 0,093 𝑚𝑚 𝐴𝑝𝑚𝑖𝑛 = 0,007 𝑚𝑚
𝑃𝑐𝑚𝑖𝑛 =𝐴𝑝𝑚𝑖𝑛∗𝐸∗(𝑑𝑐
2−𝑑𝑖2)(𝑑𝑜
2−𝑑𝑐2)
2𝑑𝑐3(𝑑𝑜
2−𝑑𝑐2)
= 2836 𝑘𝑃𝑎
Ecuación 17. Presión mínima y máxima que soporta el ajuste.
Con una presión de contacto analizada por medio del apriete mínimo (0,007 mm) ya
que es donde va a existir menor presión de contacto y por lo tanto es posible que el ajuste
falle. Además de un módulo de elasticidad de 72 GPa para el caso del aluminio. La presión
de contacto que se obtiene es de 2836 kPa.
36
𝑃𝑐𝑚𝑖𝑛 = 2836 𝑘𝑃𝑎 > 1500 𝑘𝑃𝑎
Como la presión de contacto mínima es mayor que la presión que le hace el fluido al ajuste
entonces el acople para la presión alta funciona de manera correcta.
Pieza presión baja (200 kPa):
Figura 23. Medidas importantes de la geometría de los acoples para presión baja.
Figura 24. Puntos de presión de la pieza para presión baja.
Se repite el mismo procedimiento que se utilizó para el caso de presión alta variando
las respectivas medidas. Donde el radio externo se observa en la Figura 23 (11,7 mm), y el
radio interno es de 10,1 mm según las medidas tomadas en la tubería. Por lo tanto la fuerza
es:
𝐹 = (200 𝑘𝑃𝑎)(2,74𝑥10−5𝑚2) = 𝟓, 𝟒𝟕 𝑵
Se escoge el mismo ajuste que el caso anterior D9/h9:
𝐷𝐸𝑗𝑒 = 11,7+0,000+0,043 𝑚𝑚 𝐷𝐴𝑔𝑢𝑗𝑒𝑟𝑜 = 11,7+ 0,050
+ 0,093 𝑚𝑚
𝐴𝑝𝑚𝑎𝑥 = 0,093 𝑚𝑚 𝐴𝑝𝑚𝑖𝑛 = 0,007 𝑚𝑚
𝑃𝑐𝑚𝑖𝑛 =𝐴𝑝𝑚𝑖𝑛 ∗ 𝐸 ∗ (𝑑𝑐
2 − 𝑑𝑖2)(𝑑𝑜
2 − 𝑑𝑐2)
2𝑑𝑐3(𝑑𝑜
2 − 𝑑𝑐2)
= 5122 𝑘𝑃𝑎
Con una presión de contacto analizada por medio del apriete mínimo (0,007 mm) ya que es
donde va a existir menor presión de contacto y por lo tanto es posible que el ajuste falle.
Además de un módulo de elasticidad de 72 GPa para el caso del aluminio. La presión de
contacto que se obtiene es de 5122 kPa.
37
𝑃𝑐𝑚𝑖𝑛 = 5122 𝑘𝑃𝑎 > 200 𝑘𝑃𝑎
Como la presión de contacto mínima es mayor que la presión que le hace el fluido al ajuste
entonces el acople para la presión baja funciona de manera correcta.
6.3.4. Ensamble
Los planos de las piezas hembra tanto para la presión alta y baja se muestran en el
anexo 3. En la Figura 25 se muestra el ensamble de la pieza hembra a diseñar con la pieza
macho que se encuentra en la tubería del carro. No se adiciona en el ensamble las
mangueras que entran soldadas en las partes posteriores de los acoples. Sin embargo, se
conoce que son medidas comerciales. Para el caso de la presión alta se maneja tubería en
aluminio de 5/8 de pulgada (15,87 mm) con 0,8 mm de espesor, y para el caso de la presión
baja es de 1/2 pulgada (12,70 mm) con 0,8 mm de espesor. Estas mangueras vienen unidas
a los acoples macho del carro y se van a soldar en los acoples hembra a construir. En la
Figura 21 y la Figura 23 se pueden observar unos espacios especiales para que las
mangueras encajen y puedan ser soldadas con sus respectivos ajustes.
Figura 25. Ensamble piezas de la zona automóvil y piezas diseñadas.
La Figura 26 muestra las extensiones de tuberías utilizadas con la finalidad de
conectar las dos zonas. Los acoples diseñados no se alcanzan a ver en la imagen ya que
su ubicación es de difícil acceso. Para las conexiones se utilizaron tuberías en cobre y
aluminio, muy utilizadas en el mercado de refrigeración. No se tuvieron en cuenta perdidas
por las nuevas tuberías ya que se analiza un sistema diferente al del carro y por lo tanto no
existen datos teóricos exactos contra que comparar.
Figura 26. Zona exterior con tuberías de extensión para la conexión zonal.
38
6.4. Prueba Debido al diseño del montaje no era posible tomar los datos de temperatura y presión
en la zona del automóvil al mismo tiempo, por tal razón, el experimento se dividió en dos
pruebas, la primera midiendo las presiones y la segunda las temperaturas. Para cada
prueba se siguió el procedimiento establecido en la Figura 27. En el anexo 1 se especifica
con mayor detalle cada paso del proceso y algunas recomendaciones encontradas durante
el procedimiento para el funcionamiento adecuado de este tipo de banco de pruebas.
Figura 27. Diagrama del procedimiento realizado para la toma de datos.
39
6.5. Procesamiento de datos
La Figura 28 muestra la tarjeta de adquisición de datos para los sensores de
temperatura y torque. Se utilizaron las tarjetas NI 9211 para temperatura y NI 9205 para el
voltaje del torque. Ambas señales se adquirieron mediante el software Labview que permitió
tener la interfaz adecuada para la adquisición de los datos. Posteriormente, estos datos
fueron llevados al programa Matlab con el fin de filtrar la señal obtenida de una manera
apropiada y de esta manera conocer las variables. Los datos que no fueron adquiridos con
la tarjeta de adquisición se tomaron de manera manual y se procesaron de igual forma en
Matlab.
Figura 28. Tarjeta de adquisición de datos.
6.5.1. Incertidumbres
Para el cálculo de las incertidumbres se tienen en cuenta tanto las incertidumbres
sistemáticas como las aleatorias. La Tabla 5 muestra un resumen de cómo se realizó el
cálculo de cada una de las fuentes de error. Es importante resaltar que, el error sistemático
se asocia a la precisión con la que es calibrada cada uno de los instrumentos y la cual
detalla su cálculo en cada uno de los manuales de operación de los equipos utilizados.
Por otro lado, para el cálculo del error aleatorio se utilizó un intervalo de confianza del
95% para una distribución t-student. A continuación se presentan las ecuaciones utilizadas
para el cálculo del error aleatorio y, además, la ecuación de propagación para las variables
que lo requieren, las cuales se muestran en la Tabla 5.
�̅� − 𝑡𝛼2,𝑣
𝑆𝑥
√𝑛< 𝜇 < �̅� + 𝑡𝛼
2,𝑣
𝑆𝑥
√𝑛
Ecuación 18. Distribución t-student con intervalo de confianza del 95% [8].
40
Donde �̅� es el promedio de los datos, 𝑡𝛼2 es el intervalo de confianza, 𝑣 son los grados de
libertad, 𝑆𝑥 es la desviación estándar y n es la cantidad de datos. Ecuación 19 muestra la
ecuación típica utilizada para la propagación de error de más de dos variables.
𝜎𝑦 = √(𝛿𝑦
𝛿𝑥1𝜎1)
2+ (
𝛿𝑦
𝛿𝑥2𝜎2)
2+⋯+ (
𝛿𝑦
𝛿𝑥𝑛𝜎𝑛)
2
Ecuación 19. Propagación del error [8].
Tabla 5. Fuentes de error de las variables a medir o calcular.
Sistemático Aleatorio Propagado
Nombre de la variable x
Resolución del
instrumento,
calibración, no
linealidad, etc.
Ruido, irregularidades en la
geometría, etc.
Variables con
incertidumbre que la
afectan.
Velocidad± (0,05%*(Lectura)+
1 dígito
Distr-t-student-intervalo de
confianza del 95%-
Presión P ± (Resolución / 2)Distr-t-student-intervalo de
confianza del 95%-
Voltaje V ± (0,05%*(Lectura)+1Distr-t-student-intervalo de
confianza del 95%-
Temperatura T ± (0,75%*Lectura)Distr-t-student-intervalo de
confianza del 95%-
Torque M - - Propagado de V
Entalpía h - - Propagado de T y P
Flujo másico - -Propagado de T, P y
𝜔Capacidad de refrigeración - - Propagado de h y
Potencia al eje - - Propagado de M y
Potencia Indicada - - Propagado de T, P y
Potencia compresor - - Propagado de h y
Potencia al carro - - Propagado de
COP al eje - -Propagado de
COP compresor - -Propagado de
Eficiencia mecánica - -Propagado de
Eficiencia de compresión - -Propagado de
Eficiencia del compresor - -Propagado de
Variable SímboloFuentes de error
𝜔
�̇�
𝑄𝑒𝑣𝑎
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡
𝑊𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑝𝑖𝑐𝑜
𝑊𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
𝐶𝑂𝑃𝑖𝑛
𝐶𝑂𝑃𝑜𝑢𝑡
𝜂𝑚𝑒𝑐
𝜂𝑐𝑝
𝜂𝑐𝑜𝑚
𝜔
�̇�
𝜔
�̇�
�̇�
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛 y 𝑊𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑝𝑖𝑐𝑜
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡 y 𝑊𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑝𝑖𝑐𝑜
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛 y 𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡 y 𝑊𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑝𝑖𝑐𝑜
𝜂𝑚𝑒𝑐 y 𝜂𝑐𝑝
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡
41
7. Resultados y discusión
7.1. Prueba 1
Figura 29. Montaje de la primera prueba.
La Figura 29 muestra el montaje realizado para la primera prueba del sistema A/C.
Esta prueba consiste en analizar todo el sistema pero con la diferencia de que en la zona
del automóvil solo se toman las presiones y no las temperaturas. Además, En la prueba se
asume que la temperatura a la salida del condensador es igual a la temperatura de
saturación del refrigerante para la presión de alta, y, se asume que la temperatura
permanece constante entre la salida del evaporador y la entrada del compresor. Se
realizaron en total el análisis de 4 velocidades diferentes para el compresor, y, cada
velocidad fue registrada tres veces para analizar la repetitividad de los datos y el error
aleatorio asociado. Ejecutando el modelo de ecuaciones para caracterizar el sistema, se
obtuvieron graficas de: potencia necesaria del compresor en el eje, potencia entregada al
refrigerante por el compresor, capacidad de refrigeración del sistema, coeficiente de
operación para el consumo al eje y el interno, graficas de presión contra entalpia con el
análisis de caída de presión, tiempo de encendido del compresor para diferentes
velocidades, comportamiento de las temperaturas y el análisis de eficiencias.
Con el modelo de ecuaciones para estimar la potencia consumida se obtuvo la
gráfica de potencia consumida por el motor de combustión interna (eficiencia 30%) contra
la velocidad del compresor. Además, con la finalidad de complementar la caracterización
del sistema, en esta prueba se incluyeron gráficas que evalúan la potencia consumida
contra la velocidad del compresor y gráfica del tiempo de encendido del sistema comprado
con el valor de potencia consumida. Estas graficas complementarias ayudan a tener una
mejor comprensión de la caracterización del sistema de refrigeración.
42
Resultados del modelo de ecuaciones para caracterizar el sistema A/C:
Figura 30. Consumo, capacidad de refrigeración y COP para el sistema analizado con presiones.
Figura 31. Consumo, capacidad de refrigeración y COP para el sistema analizado con presiones y trabajo del compresor.
La Figura 30 y Figura 31 muestran los diagramas de caracterización principales para
un sistema de A/C automotriz, el cual, muchas veces es utilizado por las compañías
fabricantes de compresores para mostrar las propiedades de su sistema. La Figura 30 es
la más utilizada por los fabricantes ya que muestra el consumo de potencia al eje del
compresor y el coeficiente de operación del sistema, el cual, es la división entre la capacidad
de refrigeración y el consumo al eje. La Figura 31 muestra la potencia consumida y el C.O.P,
pero esta vez, es la potencia que el compresor entrega al refrigerante. En ambas figuras,
se puede observar que los comportamientos de las variables analizadas son los mismos.
Se puede observar que a medida que aumenta la velocidad del compresor la potencia
consumida y la capacidad de refrigeración aumentan, sin embargo, el C.O.P disminuye,
43
estos eran los comportamientos que se esperaban. Es válido anotar que la Figura 31 tiene
un error más alto en su comportamiento del C.O.P y de la potencia consumida ya que se
asume que la temperatura de salida del condensador es la temperatura de saturación de
acuerdo a las tablas.
Figura 32. Potencia consumida vs velocidad compresor analizado con presiones.
Figura 33. Torque analizado con presiones.
La Figura 32 muestra en detalle la potencia consumida al eje del compresor donde
se puede observar el aumento a medida que la velocidad del compresor aumenta. Por otro
lado y a manera de comparación, en la Figura 33 se presenta el resultado entre el torque
medido con el multímetro y el medido mediante la tarjeta de adquisición de datos,
observando el mismo comportamiento en ambas pruebas, teniendo en cuenta, que el de la
tarjeta de adquisición es una señal filtrada de forma manual. Por otro lado, La Figura 34
muestra el tiempo que se demora en estabilizar el sistema para cada una de las velocidades
evaluadas comparada contra la potencia consumida durante el tiempo; esta figura permite
observar que a mayor velocidad más rápido se estabiliza la temperatura del habitáculo, sin
embargo, el consumo energético es mayor.
44
Figura 34. Potencia consumida a diferentes velocidades.
Figura 35. Comportamiento de las temperaturas del sistema a 583 rpm.
Figura 36. Comportamiento de las temperaturas del sistema a 1007 rpm.
45
Figura 37. Comportamiento de las temperaturas del sistema a 1377 rpm.
Figura 38. Comportamiento de las temperaturas del sistema a 1801 rpm.
La lista de figuras de la Figura 35 a la Figura 38 muestran el comportamiento de las
temperaturas para cada una de las velocidades evaluadas. Para la prueba 1 solo se
registraron tres temperaturas (en el habitáculo del carro, en la entrada y salida del
compresor), estas graficas comparan la temperatura contra el tiempo y de ellas se puede
obtener el comportamiento de la temperatura para este tipo de sistemas. Las cuatro graficas
muestran comportamientos similares, sin embargo, sus rangos de operación son diferentes.
Por ejemplo, a 583 rpm la temperatura del habitáculo es cercana a los 18°C y toma un
tiempo de aproximadamente 800 segundos para estabilizarse, mientras, que a 1801 rpm la
temperatura es cercana a los 15°C y el tiempo de estabilización es de poco más de 200
segundos. Lo que permite deducir que, a mayor velocidad los rangos de variación de la
temperatura son mayores pero su tiempo de estabilización es menor.
46
Figura 39. Diagramas P-h para diferentes velocidades.
Por otro lado, La Figura 39 muestra los diferentes diagramas de P-h para las cuatro
velocidades analizadas. En estos diagramas se puede ver el comportamiento real del gas
en este tipo de sistemas el cuál varía del teórico debido a las pérdidas de presión por
fricción. El rango de valores es diferente para cada una de las velocidades analizadas, sin
embargo, el comportamiento es similar. Para esta prueba no es posible obtener las gráficas
de temperatura-entropía ya que la temperatura en algunos puntos se basa en las tablas del
gas y no mostraría variación alguna respecto a la del ciclo ideal.
Figura 40. Eficiencia mecánica prueba 1.
47
Figura 41. Eficiencia de compresión prueba 1.
Figura 42. Eficiencia del compresor prueba 1.
La Figura 40, Figura 41 y Figura 42 muestran el comportamiento de las eficiencias
analizadas gracias al modelo de ecuaciones. El comportamiento de las tres eficiencias
analizadas es similar, bajan a medida que la velocidad del compresor aumenta. Sin
embargo, los rangos de los valores son diferentes, ya que cada una evalúa estados
diferentes como se estableció en el modelo. La eficiencia mecánica (Figura 40) presenta un
rango entre el 70% y el 85%, estos valores son adecuados para este tipo de sistemas
teniendo en cuenta el tamaño y las propiedades del mismo. Una de las situaciones que
mejoran esta eficiencia es lubricar de manera correcta el compresor, por lo tanto, se
comprueba que la cantidad de lubricante utilizado fue el óptimo para este sistema y que es
importante evaluar la influencia del refrigerante como una variable adicional. La eficiencia
del compresor (Figura 42) tiene un rango entre el 30% y 40%, el cual depende de la
velocidad del compresor. Este rango es el esperado ya que el compresor utilizado tiene
unas perdidas muy grandes cuando este debe entregarle la potencia al refrigerante.
Además, los resultados de la eficiencia del compresor se ven muy afectados debido a lo
complejo que es asegurar la calidad del refrigerante en el sistema, algunas veces se pueden
filtrar partículas en el estado de la materia incorrecto lo que afecta la eficiencia de
funcionamiento del compresor.
48
Resultados del modelo de ecuaciones para estimar el consumo:
Figura 43. Potencia consumida por un automóvil al encender el sistema A/C para la prueba 1.
La Figura 43 es el resultado de aplicar la ecuación planteada en el modelo para estimar
la potencia consumida por el sistema. Teniendo en cuenta, que este caso es evaluado con
un motor de combustión interna, con una eficiencia del 30%, y que esta eficiencia es
comparada con la potencia al eje calculada con el otro modelo de ecuaciones, es posible
estimar que el rango de consumo para este tipo de sistema analizado está entre 1 kW y 3
kW. Los valores analizados representan un consumo igual al de un sistema de aire
acondicionado para una casa de familia pequeña. Esta estimación ratifica la hipótesis de
que este tipo de sistemas tienen un consumo alto respecto a otros sistemas con condiciones
más controladas. Además, se comprueba que el modelo diseñado es capaz de estimar el
consumo con unos valores de incertidumbre asociados bastante aceptables, teniendo en
cuenta las limitaciones del prototipo.
7.2. Prueba 2
Figura 44. Montaje de la segunda prueba.
49
Resultados del modelo de ecuaciones para caracterizar el sistema A/C:
La Figura 44 muestra el montaje para la prueba 2, en esta prueba se consideran las
temperaturas de la zona del automóvil. De igual forma que la prueba 1 se tomaron los datos
para 4 velocidades diferentes cada una con tres tomas para el análisis de datos. En esta
prueba a diferencia de la anterior se tiene en cuenta la gráfica de temperatura contra
entropía, y, además, se asume que las presiones permanecen constantes y no hay pérdidas
por fricción.
Figura 45. Consumo, capacidad de refrigeración y COP para el sistema analizado con temperaturas.
Figura 46. Consumo, capacidad de refrigeración y COP para el sistema analizado con temperaturas y trabajo del compresor.
De manera similar a la prueba 1 el comportamiento de las principales variables a
medir es el esperado para el caso de la prueba 2, como se puede observar en la Figura 45.
De otro lado, se observan comportamientos similares entre las dos pruebas para el caso de
50
la Figura 47, donde a mayor velocidad del compresor más rápido se llega a la temperatura
deseada pero con un mayor consumo de potencia. Finalmente, la Figura 52 muestra el
comportamiento real del sistema A/C para un diagrama de T-s, donde se tienen en cuenta
los cambios en la temperatura debido a las interacciones con el ambiente circundante y las
pérdidas por fricción, entre otras cosas.
Figura 47. Potencia consumida a diferentes velocidades analizado con temperaturas.
Figura 48. Comportamiento de las temperaturas a una velocidad de 579 rpm.
Figura 49. Comportamiento de las temperaturas a una velocidad de 1012 rpm.
51
Figura 50. Comportamiento de las temperaturas a una velocidad de 1378 rpm.
Figura 51. Comportamiento de las temperaturas a una velocidad de 1799 rpm.
La lista de figuras de la Figura 48 a la Figura 51representa, al igual que el caso
anterior el comportamiento de las temperaturas para la prueba. A diferencia del caso
anterior, en esta prueba se tomaron datos de 5 temperaturas diferentes en las que se
adicionan a las del caso anterior la de salida condensador y salida evaporador. Los
comportamientos de todas las temperaturas son los esperados y se estabilizan en tiempos
similares a la prueba 1. La velocidad del compresor afecta el rango de las temperaturas, a
mayor velocidad la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo del punto donde
se estén midiendo. Este análisis de temperatura completo hace parte de la caracterización
adecuada del sistema. Los comportamientos de las temperaturas se ven reflejados de igual
manera en las gráficas de temperatura-entropía de la Figura 52, conocer todas las
temperaturas permite construir los diagramas t-s con detalle absoluto teniendo en cuenta
las perdidas asociadas. Es importante resaltar, que el hecho de que la entropía sea menor
a la salida que a la entrada para todos los casos de la Figura 52, es un caso particular y se
debe a la interacción que tiene las tuberías del sistema con el aire caliente que sale del
motor. Al existir este cambio de temperatura el gas sube su temperatura más rápido y por
lo tanto el compresor hace un menor trabajo, también pueden existir otras interacciones,
que permitan este comportamiento, como lo es la extensión de las tuberías o la cantidad de
aceite lubricante en el sistema.
52
Figura 52. Diagrama de T-s para diferentes velocidades.
Figura 53. Eficiencia mecánica prueba 2.
53
Figura 54. Eficiencia de compresión prueba 2.
Figura 55. Eficiencia del compresor prueba 2.
La Figura 53, Figura 54 y Figura 55 muestran el comportamiento de las eficiencias
para el caso de la prueba 2. En estas tres graficas es posible ver que las incertidumbres de
esta prueba fueron más altas lo que implica una variación en el comportamiento de las
gráficas asociado a este error. Sin embargo, es posible detallar que a medida que la
velocidad del compresor aumenta la eficiencia disminuye. La eficiencia del compresor
(Figura 55) se encuentra en un rango entre el 30% y 45%, valores esperados aunque un
poco diferentes al primer caso, pero que de igual forma mantiene los rangos para este tipo
de compresores. Es importante añadir, que el rango de la eficiencia mecánica para esta
prueba (72% a 76%) es levemente inferior que el de la prueba 1, y, esto se debe a la falta
de lubricación en el sistema. Al cambiar de prueba es necesario vaciar el sistema, tanto de
gas refrigerante como de aceite, lo que complica aún más la comparación de los datos, sin
embargo, se reafirma la importancia de establecer unos métodos de medición para la
cantidad de aceite y de refrigerante que utiliza el sistema, ya que una mala lubricación o
bajos niveles de refrigerante pueden afectar de manera sustancial el rendimiento del
sistema de refrigeración.
54
Resultados del modelo de ecuaciones para estimar el consumo:
Figura 56. Potencia consumida por un automóvil al encender el sistema A/C para la prueba 2.
La Figura 56 es el resultado de aplicar el modelo de ecuaciones para estimar el consumo
del sistema A/C. Se observa que el comportamiento es miliar al del caso anterior, en donde
a medida que aumenta la velocidad del compresor la potencia consumida aumenta. De
igual forma a la prueba 1 el rango de consumo está entre 1kW y 3 kW. Para este caso se
tienen unas incertidumbres asociadas más altas lo que hace que el consumo sea un poco
diferente al caso 1.
7.3. Incertidumbres
La Tabla 6 muestra los rangos de incertidumbres para cada variable y cada prueba. Es
posible observar que la medición más crítica para las variables medidas ocurre en el voltaje
y para las propagadas en le eficiencia del compresor. Para el caso de las variables medidas
esta incertidumbre alta ocurre debido al tipo de instrumento utilizado ya que para bajas
lecturas de voltaje (menos de 20 mV en los experimentos) la incertidumbre asociada puede
ser muy alta. Por otro lado, en las variables propagadas el más alto se debe a que es uno
de los últimos valores que se calculan según el modelo, lo que hace que esa incertidumbre
propague las de todo el experimento. Además, es importante resaltar en los resultados de
la Tabla 6 que la prueba 2 tiene unos rangos de incertidumbres mayores que los de la
prueba 1, lo que claramente afecta el comportamiento y los rangos de los resultados
obtenidos.
55
Tabla 6. Rangos de incertidumbres promedio para cada una de las variables medidas y propagadas.
Nombre de la variable x Prueba 1 (%) Prueba 2 (%)
Velocidad 0,28 0,2
Presión P 3,73 8,07
Voltaje V 19,7 23,2
Temperatura T 3,49 5,00
Torque M 2,89 3,47
Entalpía h 0,65 0,92
Flujo másico 6,81 11,3
Capacidad de refrigeración 6,87 11,4
Potencia al eje 2,92 3,48
Potencia Indicada 8,76 9,45
Potencia compresor 10,1 13,1
Potencia al carro 8,76 9,45
COP al eje 7,53 12,2
COP compresor 12,4 17,5
Eficiencia mecánica 9,32 10,3
Eficiencia de compresión 13,4 16,5
Eficiencia del compresor 16,4 19,6
Variable Símbolo Rango de incertidumbres
𝜔
�̇�𝑄𝑒𝑣𝑎
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛
𝑊𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡
𝑊𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑝𝑖𝑐𝑜
𝑊𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
𝐶𝑂𝑃𝑖𝑛𝐶𝑂𝑃𝑜𝑢𝑡𝜂𝑚𝑒𝑐
𝜂𝑐𝑝
𝜂𝑐𝑜𝑚
56
8. Conclusiones
En conclusión, se logra desarrollar un modelo de ecuaciones que permite caracterizar
cada una de las propiedades principales de cualquier sistema de refrigeración, y, además,
es capaz de estimar la potencia requerida para que funcione un sistema de aire
acondicionado automotriz. El modelo fue construido mediante las referencias consultadas
y basado en que el principio de funcionamiento del sistema A/C del auto es similar al de un
ciclo de refrigeración ideal. El hecho de asumir esta hipótesis hace que sea necesario
evaluar el modelo experimental de tal forma que se pueda validar si es viable o no usar el
modelo. Por tal razón, se planteó una metodología que permitiera, en base al modelo,
diseñar y construir un banco de pruebas con la única finalidad de evaluar las ecuaciones
planteadas. El resultado de esta evaluación permitió conocer que el modelo si permite
caracterizar las propiedades del sistema A/C de carro, y, además, estima la potencia que
consume. Dentro de los resultados que se obtuvieron para la estimación del consumo se
conoció que para el caso de un compresor de aire acondicionado de desplazamiento
positivo, se tiene un consumo en un rango de 1kW a 3kW, dependiendo de la velocidad del
compresor. Este consumo encontrado se valida con la teoría y se encuentra que está en el
rango de valores apropiados dando de esta manera validez a una parte del modelo. Con la
otra parte del modelo se lograron obtener propiedades y comportamientos propios de un
sistema de aire acondicionado, para así verificar la funcionalidad del sistema de acuerdo a
la finalidad que es bajar la temperatura de un habitáculo. Dentro de las propiedades y
comportamientos que se obtuvieron gracias al modelo se encuentra:
El comportamiento del coeficiente de rendimiento (C.O.P), el cual disminuía a
medida que la velocidad del compresor aumentaba.
La potencia de consumo al eje y la potencia que le entrega el compresor al
refrigerante, los cuales aumentan cuando la velocidad del compresor aumenta.
La capacidad de refrigeración del sistema en donde la misma aumenta a media
que la velocidad del compresor aumenta.
El comportamiento del torque ejercido en el eje del motor, el cual se mantiene
relativamente constante durante toda la prueba.
Las temperaturas del gas y del habitáculo las cuales se estabilizan después de
un tiempo de encendido del sistema. Además, a mayor velocidad del compresor
las temperaturas manejan rangos de valores más altos y el tiempo de
estabilización es más corto.
Los diagramas de presión – entalpía y temperatura – entropía, en donde se
observa que no son similares a los de un ciclo ideal ya que las perdidas afectan
el comportamiento. Sin embargo, esta tendencia de cambio permite evaluar las
eficiencias del sistema.
Las eficiencias (mecánica, compresión y compresor), las cuales disminuyen a
medida que la velocidad del compresor aumenta. Para el caso del prototipo
construido se obtuvo un valor de eficiencia del compresor en un rango entre 30%
y 45%, demostrando de esta manera que la eficiencia es baja para este tipo de
sistemas. Es válido resaltar que se logró encontrar que, la cantidad de refrigerante
y lubricante en el sistema afectan el rendimiento del compresor, y, a su vez, el
rendimiento del sistema.
57
Si bien los rangos de datos obtenidos en el experimento son muy cercanos a los que se
pueden encontrar en la literatura, es válido resaltar que el experimento tiene un error
asociado el cual fue analizado y calculado con el mayor detalle posible de acuerdo a los
criterios establecidos. Los resultados de estas incertidumbres muestran que el error
asociada a la precisión de los instrumentos de medición fue un factor clave en el desarrollo
de este experimento. Esto se debe a que ciertos instrumentos de medición no fueron los
más apropiados para la medición de las variables, y, por lo tanto, aumentaron el error
propagado. En algunos resultados del experimento se puede observar que la incertidumbre
tiene efectos importantes sobre el comportamiento de las variables, especialmente en la
prueba 2. Sin embargo, un análisis detallado permite concluir que con el banco de pruebas
se obtienen valores y comportamientos reales, que, a su vez, son comparables y por lo
tanto validan el modelo de ecuaciones de forma acertada, dando de esta manera, el visto
bueno para que el modelo pueda ser utilizado en otro banco de pruebas con un sistema de
refrigeración diferente.
9. Recomendaciones y trabajo futuro
Se recomienda que este tipo de sistemas estén totalmente asegurados a una base que
puede soportar las velocidades superiores, ya que trabajar el sistema a velocidades altas
genera cierto riesgo para el experimentador y las vibraciones ocasionadas pueden generar
problemas en los datos.
Se recomienda construir un banco de pruebas para el análisis único de un sistema A/C.
un banco de este tipo sería de gran ayuda para conocer el comportamiento con otro tipo de
componentes y con otras condiciones.
Es importante resaltar que el modelo de ecuaciones planteado está basado en el de un
ciclo de refrigeración ideal en donde no se tienen en cuenta diferentes aspectos que pueden
influir en los resultados, tanto de los valores como de los comportamientos encontrados.
Por tal razón, es necesario ajustar el modelo de tal forma que tenga en cuenta las demás
variables que puede tener este tipo de sistema de refrigeración.
Es importante hacer un análisis cuantitativo que permita conocer cuánto es el consumo
en combustible en Colombia debido al gasto por usar el sistema A/C. Este análisis puede
permitir generar conciencia ya que como se vio en este informe el consumo de estos
sistemas es alto y puede ser mejorado de muchas otras formas.
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10. Referencias
[1] J. P. Rugh, V. Hovland y S. O. Andersen, «Significant Fuel Savings and Emission
Reductions by Improving Vehicle Air Conditioning,» de 15th Annual Earth
Technologies Forum and Mobile Air Conditioning Summit., 2002.
[2] S. K. Ramesh, «Automotive Air-Conditioning Systems-Historical Developments, the
State of Technology, and Future Trends,» Heat Transfer Engineering, vol. 9, nº 30, pp.
720-735, 2009.
[3] S. K. Wang, Handbook of air conditioning and refrigeration, vol. 2, New York: McGraw-
Hill, 2001.
[4] A. L. Zulkarnain, H. Nasution, M. R. Mohal, Z. A. Ahmad, M. J. Hishammudin y N. M.
Mohd, «Development and evaluation of an automotive air-conditioning test rig,» Jurnal
Teknologi, nº 78, pp. 55-60, 2 Octubre 2016.
[5] M. A. Caldas , «Caracteristicas de un sistema de refrigeración para ser operado por
energía eólica,» Universidad de los Andes, Bogotá, 2007.
[6] R. G. Beltran Pulido, «Refrigeración,» de Conversión térmica de energía, Bogotá,
Universidad de los Andes, 2008, pp. 267-341.
[7] L. V. Vanegas Useche, «Capitulo 10: Ajustes y tolerancias,» de Diseño de elementos
de máquinas, vol. 1, L. M. Vargas Valencia, Ed., Pereira, Risaralda: Universidad
tecnológica de Pereira, 2018, pp. 456 - 486.
[8] T. G. Beckwith, R. D. Marangoni y J. H. Lienhard, «Assessing and presenting
experimental data,» de Mechanical measurements, Sexta ed., Pearson Prentice Hall,
2007, pp. 34-97.
[9] D. E. Aristides , «GUÍA CALIBRACIÓN DE MÁQUINAS DE ENSAYO UNIAXIALES,»
Instituto Nacional de Metrología de Colombia, Bogotá, 2007.
[10] G. Abdalla, «Performance Characteristics of Automotive Air Conditioning System with
Refrigerant R134a and Its Alternatives,» International Journal of Energy and Power
Engineering, vol. 4, nº 3, pp. 168-177, 2015.
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Anexos
A.1. Procedimiento detallado En este anexo se encuentra el detalle paso a paso del procedimiento para realizar
la prueba de toma de datos con algunas recomendaciones para tener en cuenta en este
tipo de pruebas que fueron observadas durante el procedimiento.
Procedimiento:
I. Se colocaba las rejillas de ventilación del carro de tal forma que el aire exterior
ingresara al habitáculo y de esta manera lograr subir la temperatura hasta un grado
por debajo de la temperatura ambiente.
II. Se cambiaban las rejillas del auto a la posición de circulación del aire con el fin de
que el aire que pasara a través del sistema de A/C fuera el aire del habitáculo y el
del ambiente exterior, ya que esto afectaría el rendimiento óptimo del sistema. Es
importante aclarar que tanto para el procedimiento 1 y 2 la velocidad de los
ventiladores del blower se encontraba a máxima velocidad, con el fin de obtener el
mejor punto de operación del sistema.
III. Se enciende el sistema de A/C y se empiezan a adquirir los datos de torque y
temperatura a través de la tarjeta de adquisición de datos.
IV. Se miden las velocidades en el eje del motor durante tres tomas para asegurar
exactitud en los datos.
V. Se registra el torque con el multímetro, esto con el fin de verificar que la señal filtrada
se tome de manera adecuada. Es válido aclarar que la adquisición de datos
mediante la tarjeta y el torque con el multímetro se toman simultáneamente.
VI. Se registran las presiones de la zona exterior en las dos pruebas y de la zona del
automóvil solo en la primera prueba.
VII. Se espera a que la temperatura del habitáculo se estabilice.
VIII. Una vez estabilizada la temperatura se procede a tomar nuevamente la velocidad
en el eje, el torque del multímetro y las presiones según la prueba.
IX. Se apaga el sistema.
X. Se registran las presiones y el torque.
XI. Se espera hasta que las temperaturas del gas se estabilicen con el fin de evitar que
el motor tenga que hacer un mayor trabajo.
XII. El mismo procedimiento se repite durante tres veces para misma la velocidad para
asegurar exactitud en los datos. Las velocidades del compresor durante toda la
prueba son constantes y se hacen variaciones de aproximadamente 400 rpm para
obtener varios datos.
Es importante hacer algunas recomendaciones para el procedimiento. 1) el compresor
se debe encender por lo menos a la velocidad de arranque mínima, para este compresor
550 rpm, y de igual forma debe ser apagado de manera súbita a esa velocidad, es
importante nunca llevarlo a velocidades inferiores ya que las presiones pueden hacer que
se desequilibre el sistema. 2) es importante esperar un tiempo entre pruebas con el fin de
asegurar la repetitividad de los datos ya que se debe asegurar que el gas este a la misma
temperatura siempre al iniciar las pruebas para no afectar las otras variables, como el
consumo.
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A.2. Calibración sensor de torque
Este anexo muestra el procedimiento utilizado para obtener la curva de calibración
del sensor de medición del torque.
Este procedimiento está basado en la Norma NTC ISO 7500-1 (2007-07-25). La cual
da cumplimiento al numeral 6 de la norma NTC ISO IEC 17025. En donde se describen los
lineamientos que se deben seguir para la calibración de máquinas de ensayo de materiales
Uniaxiales [9]. El proceso y procedimiento se pueden encontrar en el documento
referenciado o en los archivos del Instituto Nacional de Metrología de Colombia. Este anexo
solo mostrará los resultados obtenidos de aplicar el procedimiento.
Figura 57. Montaje para calibrar el sensor de torque.
La Figura 57 Muestra el montaje para la calibración del instrumento. Esta prueba se
realizó aplicando cargas estáticas conocidas al instrumento de medición y registrando cada
valor de voltaje en el multímetro. La incertidumbre asociada se ve reflejada en las tablas
del numeral de incertidumbres, ya que sigue el mismo procedimiento y hace parte del
experimento.
Figura 58. Curva de calibración para sentido de giro con las manecillas del reloj.
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Figura 59. Curva de calibración para sentido de giro contra las manecillas del reloj.
La Figura 58 y Figura 59 muestran la curva de calibración para el sentido de giro
con las manecillas y en contra de las manecillas del reloj respectivamente. Ambas muestran
un comportamiento lineal similar con alguna variación en la pendiente lo que obliga a que
la curva de calibración cambie dependiendo del giro del compresor. Para el caso del
experimento este funciona en el sentido de en contra de las manecilla del reloj. El otro giro
no se utiliza ya que cambiaría el punto de succión y descarga del compresor.
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A.3. Planos de piezas de unión
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