1 “EVALUACIÓN ENERGÉTICA Y VALIDACIÓN MATEMÁTICA DE UN SISTEMA DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA POR ROZAMIENTO” Autor: SANTIAGO XAVIER BARONA DÍAZ Director : MSc.Diplo.Ing. José Guasumba Sangolquí-Ecuador Diciembre 2, 2015

2 DEDICATORIA A mi esposa, Johana Endara, quien me brindó su cariño, su estímulo y su apoyo constante. Comprensión y paciente espera para que pudiera culminar con éxito mi formación académica . ¡Gracias gordita! A mis adoradas hijitas Michelle y Brittany quienes me prestaron el tiempo que les pertenecía y me motivaron siempre para culminar mi proyecto. ¡Gracias mi motita preciosa y mi chinita linda! A mis padres, Jorge y Rosario quienes me enseñaron desde pequeño a luchar para alcanzar mis metas. Mi triunfo es el de ustedes. A mis queridos hermanos Mauricio, Diego y David. Quienes siempre me motivan para seguir adelante. A los que nunca dudaron que lograría este triunfo: mi tía María y mi tío Ton.

3 AGRADECIMIENTO A mi DIOS, quien me dio la fe, la fortaleza, la salud y la esperanza para terminar este trabajo de investigación. A todos mis familiares que con su apoyo incondicional me supieron transmitir fortaleza para alcanzar la meta propuesta. Al Sr. Director de Tesis, MSc.Diplo.Ing José Guasumba por su orientación y apoyo para la culminación exitosa de este proyecto. A la Universidad de las Fuerzas Armadas por ofertar esté tipo de maestrías que contribuye a la formación académica de profesionales con conocimientos sólidos, aplicables y útiles para el desarrollo del país.

4 El porque de la búsqueda de procesos de conversión de las energías renovables?

5 Proceso de conversión de energía mecánica en térmica utilizando un caldero de fricciónEl presente trabajo, consiste en la evaluación energética y validación matemática de un nuevo dispositivo de calentamiento, que aprovecha la alta energía calórica producida por la fricción y el aplastamiento de un anillo cilíndrico de aleación Cu-Sn

6 Bancada de torno y caldero de fricción vista frontal

7 Características que intervienen en el proceso de transformación mecánico - térmicaÁrea de la pared conductiva Torque Velocidad rotacional Fuerza axial de compresión Tipo de material

8 Funcionamiento Se utiliza un torno de 6 Hp, que suministra el par intercambiador, y empuje axial de 2500 N máximo. El acero con superficie endurecida se ensambla a un volante que le transmite la energía mecánica a 800 RPM. Luego de 45 minutos con este modelo se consigue vaporizar 1.75 litros de agua completamente.

9 Principio de RozamientoFuerza de rozamiento Área aparente de rozamiento Se opone al movimiento de un bloque que se desliza en un plano. Es proporcional a la fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque. No depende del área aparente de contacto Es independiente de la velocidad, una vez iniciado el movimiento.

10 Par de fricción bronce-aceroGeometría de contacto circunferencial. Paredes planas. Dos cavidades concéntricas en el interior para el alivio de tensiones internas. Material blando en este caso el bronce, siendo este una aleación de cobre y estaño. Material duro como el acero K-100, con tratamiento superficial.

11 Modelo experimental de fricción

12 Coeficiente de fricciónDe acuerdo con los datos, el coeficiente de fricción entre el acero y el latón es de 0,5 para rozamiento estático, y 0,4 para rozamiento dinámico.

13 EVALUACION ENERGETICA DEL SISTEMA

14 Levantamiento técnico

15 Determinación de los parámetros energéticos

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26 Procedimiento de pruebasPreparación del torno paralelo con capacidad de 6Hp Determinación del peso del caldero con carga y sin carga Montaje y alineación del caldero en dos puntos de sujeción Arranque del torno Acercamiento del caldero horizontal hacia el mandril del torno Fricción y calentamiento de la sustancia

27 Toma de datos de temperatura y presión en un tiempo determinado de 10 minutosVerificación de parámetros Descarga del vapor Realimentación del experimento

28 Toma de datos

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33 Validación Matemática del Experimento

34 Elaboración de curvas y análisis estadístico de datosVelocidad de rotación del eje motriz ( mandril) Intensidad de corriente del motor eléctrico Voltaje de suministro Potencia de accionamiento Temperatura de salida del fluido Presión a la salida del cilindro Temperatura y presión del caldero Temperaturas del par de fricción Parámetros ambientales como temperatura y velocidad de aire

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38 Correlaciones matemáticas y cálculosCoeficiente global de transferencia de calor Calor necesario para calentar y evaporar el agua Calor perdido por el caldero Calor generado por el par de fricción Temperatura de contacto

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53 Análisis de resultados

54 Conclusiones El experimento de generación de calor por fricción consiste en convertir la energía mecánica de rotación en energía térmica para lo cual se utiliza un par de rozamiento compuesto por bronce y acero cuya geometría de contacto debe ser tal que las paredes exteriores del material blando sean diseñadas como cilindro de pared gruesa, evitando de esta manera la deformación en forma de campana del material. Además, se debe practicar un agujero concéntrico para absorber las tensiones internas producidas por el aplastamiento.

55 Los parámetros recomendados para este tipo de ensayos son los siguientes: RPM de 200 a 1100 a menores velocidades se produce desgaste por fricción en frio es decir existe un deterioro prematuro de la superficie de contacto, a mayor velocidad de rotación sobre los 2100 se produce el deslizamiento del par de fricción y la generación de calor es mínima

56 La fuerza de aplastamiento tiene un rango recomendado de 1500 a Newtons, a muy altas presiones, y dependiendo de la capacidad del elemento motriz lo que puede ocurrir es el frenamiento del eje de rotación. En las temperaturas de proceso para el par de fricción no deben sobrepasar los 900 °C porque se llegaría a la temperatura de fusión del bronce. Mientras que para el cilindro o caldero horizontal la temperatura máxima recomendada del proceso sería de 400 °C. En cuanto al volumen de cámara de vaporización se pueden utilizar desde 0,5 Litros a 25 Litros, para mayores volúmenes se tendría que utilizar bancos de ensayo de gran capacidad.

57 El sistema electromecánico utilizado para los ensayos tiene una capacidad de 6 HpLa fricción es uno de los procesos en los cuales se puede obtener un tercer cuerpo (fluido térmico) que inhibe el desgaste por rozamiento y puede representar un método adecuado para generar calor sin emisión de sustancias contaminantes.

58 Recomendaciones Una de las recomendaciones sería la implementación de un sistema de toma de datos en tiempo real con registro para generar historiales de datos válidos a ser analizados a posterior. La implementación adicional de una celda de carga para medir la fuerza de aplastamiento como variable importante del sistema. La eficiencia energética del caldero de fricción puede mejorarse sustancialmente cuando en el funcionamiento del sistema se logre generar el tercer cuerpo es decir el fluido térmico que aparte de inhibir el desgaste por rozamiento, permita alcanzar una temperatura de contacto sobre los 320°C que se considera como un punto de estabilidad térmica.

59 Es recomendable utilizar recursos energéticos renovables, eólica, hidráulica, corrientes de rio y de mar para que el funcionamiento del caldero de fricción sea sustentable desde el punto de vista económico, técnico y ambiental. Para una futura investigación se recomienda realizar la caracterización energética del tercer cuerpo (fluido térmico), teniendo en cuenta las siguientes variables: Conductividad térmica de la película Densidad Viscosidad cinemática Coeficiente de convección Emisividad Con las que se podría encontrar un sin número de aplicaciones energéticas a partir de la conversión de la energía mecánica en térmica por el principio de rozamiento.

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