revista cientifica cedit - 2006

Centro de Desarrollo e Investigacin en Termofluidos CEDIT Pgina 2

REVISTA CIENTIFICA CEDIT

CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACIN EN TERMOFLUIDOS CEDIT

Nmero 1 2006

Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Universidad del Per , Decana de Amrica)


UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS

EAP INGENIERA MECNICA DE FLUIDOS

CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION EN TERMOFLUIDOS - CEDIT


Dr. Luis Izquierdo Vsquez Rector

Dr. Vctor Pea Rodrguez Vicerrector Acadmico

Dra. Aurora Marrou Roldn Vicerrectora de Investigacin

Dr. ngel Bustamante Domnguez Decano de la Facultad de Ciencias Fsicas

Ing. Guido Amrico Rozas Olivera Director de E.A.P Ingeniera Mecnica de Fluidos

COMITE EDITOR 2006

ASESORES

Ing. Ormeo Valeriano Miguel ngel Ph. D. Ing. Jos Guillermo Navarro Ing. Henry Manuel Pala Reyes Ing. Andrs Valderrama Romero Ph. D. Ing. Csar Alejandro Quispe Gonzlez MSc. Ing. Csar J. Quispe Apaclla

La Revista de Investigacin del Centro de Desarrollo e Investigacin en Termofluidos CEDIT de la E.A.P Ingeniera Mecnica de Fluidos publica trabajos realizados por los docentes, estudiantes y egresados investigadores de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Para solicitar informacin, dirigirse a: E.A.P Ingeniera Mecnica de Fluidos UNMSM Ciudad Universitaria Av. Venezuela Cdra. 34 s/n Lima 1 Per Apartado postal 14-0149 Lima 14- Per Telfono (51-1) 6197000 anexo 3819 / 3810 /3806 Email: [email protected]

AO 2006 Edicin N1



2006 NUMERO 1

INDICE

CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACIN EN TERMOFLUIDOS C.E.D.I.T. .................................. Pg. 5

TRATAMIENTO ACUSTICO EN VENTILADORES CENTRIFUGOS ............................................................ Pg. 6 ACOUSTIC TREATMENT FOR CENTRIFUGAL FANS .................................................................................. Pg. 6 Ing. Ormeo Valeriano Miguel ngel Ph. Dr.

SIMULACIN NUMRICA DE UN PERFIL NACA 0012 ........................................................................... Pg. 11 NUMERICAL SIMULATION OF A FLOW AROUND NACA 0012 AIRFOIL ........................................... Pg. 11 Ing. Jos Guillermo Navarro.

ANLISIS DE LA INVERSIN EN LA ACTIVIDAD DE ENERACIN DE ENERGA ELECTRICA EN EL PER ................................................................................................................................................................. Pg. 14 INVESTMENT ANALYSIS IN POWER GENERATION IN PERU ............................................................... .Pg. 14 Ing. Henry Manuel Pala Reyes

EMPLEO DE ACEITES VEGETALES (SOYA, MAZ Y OLIVA) EN MEZCLA CON PETRLEO DIESEL, EN LOS MOTORES DIESEL ................................................................................................................................... Pg. 18 VEGETABLES OILS (SOY, CORN AND OLIVE) IN MIXTURES WITH DIESEL PETROLEUM, USED IN DIESEL ENGINE ............................................................................................................................................... Pg. 18 Ing. Andrs Valderrama Romero Ph. Dr.

ONDA DE CHOQUE TRMICA ....................................................................................................................... Pg. 26 SHOCKWAVE THERMAL ............................................................................................................................... Pg. 26 Ing. Csar Alejandro Quispe Gonzlez

ESTUDIO Y ANLISIS FLUIDODINAMICO EN REGIMEN SUPERSONICO DEL SOPORTE ANTENA TIPO: SPIKE-RO PARA SU UTILIZACIN EN UN COHETE SONDA ................................................................... Pg. 29 FLUID DYNAMIC STUDY AND ANALYSIS IN SUPERSONIC REGIMEN OF SUPPORT OF ANTENNA TYPE: SPIKE-RO FOR USE IN A ROCKET PROBE ...................................................................................... Pg. 29 Msc. Ing. Csar J. Quispe Apaclla; Universidad de Valladolid-Espaa ................................................................ Pg. 29


CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACIN EN TERMOFLUIDOS C.E.D.I.T.

La Universidad tiene como fin fundamental la investigacin, tanto cientfica como tecnolgica, la cual debera darse en todos los niveles universitarios, desde las propias aulas hasta los laboratorios.

La Universidad Nacional Mayor de San Marcos posee el Consejo Superior de Investigacin que canaliza las iniciativas y proyectos a nivel universitario, adems de Institutos de Investigacin dentro de cada facultad.

Es as que en el ao 2002 algunos estudiantes de ltimos ciclos, especialmente ingresantes del ao 1997, tomaron la iniciativa de formar el Centro de Desarrollo e Investigacin de Termofluidos - CEDIT, teniendo entre otros los siguientes objetivos:

1. Fomentar, Incentivar y Desarrollar Investigacin, principalmente en el rea de Termofluidos. 2. Contribuir a la Mejora de la Formacin Acadmica, promoviendo y realizando eventos

acadmicos de todo tipo y participando activamente con razones y planteamientos en los diferen-tes espacios de debate acadmico dentro de nuestra facultad y Universidad.

3. Contribuir a dar una mejor visin y conocimiento de nuestra especialidad dentro de la escuela, universidad y sociedad, sin distorsionar nuestra realidad.

El CEDIT no solamente es el ncleo de estudiantes de un gran nivel acadmico y capacidad crtica, sino tambin egresados que con su experiencia y compromiso constituyen uno de los pilares fundamentales de nuestra organizacin. Para cumplir a cabalidad los objetivos planteados, se cuenta con el apoyo de excelentes docentes de la especialidad (Mquinas Trmicas, Energa no Convencional, Modelamiento Numrico, Refrigeracin y Aire Acondicionado), dentro y fuera de la universidad que son elementos de consulta y gua indispensables, para quienes nuestro agradecimiento y respeto es el mayor.

En sus casi tres aos de formacin, y muy a pesar de las diferentes trabas administrativas, econmicas y acadmicas que nos impone la Universidad, el CEDIT ha tratado de ejecutar los objetivos para los que fue creado, realizando para ello Proyectos de Investigacin como son: Prototipo de un Motor Stirling, Diseo de una Aerogenerador de 10KW y Desalinizador Solar, los cuales han sido presentados a eventos de carcter nacional como el CONEIMERA en sus dos versiones pasadas; rompiendo con ello una vieja tara de participacin en eventos solamente como espectadores.

Aprovechamos este espacio para dar un saludo fraterno a los diferentes compaeros que conforman el Centro de Desarrollo e Investigacin de Ingeniera Mecnica de Fluidos CIDIMF y la Rama Estudiantil ACI-UNMSM los cuales, somos consientes que realizan una labor similar en otros campos de aplicacin de nuestra especialidad y que contribuyen en igual medida al desarrollo de la misma; y tambin para comprometerlos en seguir bregando juntos por esa visin y objetivos comunes en bien de nuestra especialidad, en bien de nuestra cuatricentenaria universidad y en pos de un verdadero Desarrollo Nacional.


TRATAMIENTO ACUSTICO EN VENTILADORES CENTRIFUGOS ACOUSTIC TREATMENT FOR CENTRIFUGAL FANS

Miguel A. Ormeo V. _____________________________________________________________________________________

RESUMEN

El presente artculo muestra los principales mtodos de tratamiento acstico en ventiladores centrfugos, para la disminucin de este ruido nocivo, que afecta de manera considerable a la salud humana, manifestndose a travs de problemas cardiovasculares, incremento de la agresividad y en el cansancio mental. El principio fundamental de tratamiento acstico en turbo mquinas es similar y el objetivo principal es optimizar el flujo en el ducto del ventilador, el presente artculo incluye resultados experimentales utilizando un equipo instrumental acstico en tiempo real

ABSTRACT

The present article shows the most important methods of acoustic treatment for centrifugal fans to decrease this harmful noise that affects human health in a dangerous way, generating cardiovascular problems, increasing the level of aggressiveness and mental weariness too. The main principle of acoustic treatment in turbomachines is quite similar and the main objective is to optimize the flow inside the duct of the fan.. Also the present article includes experimental results obtained by using an acoustic equipment at real time. _______________________________________________________________________________________

INTRODUCCIN

La mayora de las investigaciones en el campo del control del ruido en los ventiladores centrfugos son orientados primordialmente a la disminucin del nivel de tono en la frecuencia de paso de los alabes, y el inters a esta componente es obvia. Desde el punto de vista objetivo, esta componente es la ms nociva, por ello es tarea primordial la disminucin de esa componente. Es conocido la localizacin de este fenmeno, que se encuentra en la zona perifrica entre el impulsor y la lengeta del ventilador. Esto motiva la posibilidad de influir en la formacin del tono directamente en la fuente de origen. Este tono se forma como interaccin del flujo de aire en la salida de la rueda mvil con la lengeta del caracol. La disminucin de otras componentes en el ventilador centrfugo es una tarea ms difcil, ya que est relacionada con la accin sobre el flujo turbulento dentro de la rueda mvil como en el interior del ducto del ventilador.

METODOS DE REDUCCIN DEL RUIDO EN VENTILADORES CENTRFUGOS

A continuacin se observa una serie de mtodos orientados a la disminucin del nivel de tono: Incremento de la distancia perifrica de la rueda

mvil y la lengeta del caracol. Incremento del radio de la curvatura del filo de la

lengeta. La aplicacin de ngulos entre los alabes de la

rueda mvil y el filo de la lengeta.

Desplazamiento de alabes en los ventiladores de doble entrada o doble hilera de alabes.

Mallas turbulizadoras en la entrada y en la salida de los filos de los alabes.

Paso irregular de los alabes de la rueda mvil. Descoordinacin de la resistencia acstica del

ventilador en los sistemas de los ductos de entrada y salida.

Faja direccional alrededor de la rueda mvil. Ventilador con carcaza rectangular. Tratamiento acstico de la carcaza del ventilador. Holgura radial entre la tobera del ducto de entrada

y entrada a la rueda mvil. Ventilador con carcaza cilndrica. Resonadores en la lengeta de los ventiladores centrfugos. En vista de la gran diversidad de los mtodos de tratamiento acstico me dedicare a algunos representativos.

INCREMENTO DE LA DISTANCIA ENTRE LA PERIFERIA DE LA RUEDA MVIL Y LA LENGETA DEL CARACOL.

Muy cerca de la rueda mvil el perfil de velocidades posee mximos y mnimos fluctuantes originados por la accin del flujo a su paso entre alabes. La lengeta que se encuentra en esta zona es sometida a fuertes pulsaciones de presin, que conlleva a emanacin de ruido en la frecuencia de paso de los alabes y sus armnicas. A medida que se aleja la rueda mvil, el perfil de velocidades decrece al igual que la amplitud de las pulsaciones en la lengeta.


De esta manera existe el otro efecto cuando la lengeta se ubica muy cerca de la rueda mvil, lo que origina un atascamiento del flujo entre alabes y como es conocido es una de las causas de ruido en rotores. Es obvio que al alejarse la lengeta de la rueda mvil el estancamiento del flujo tiende a decrecer.

Grafico1.Influencia del Incremento de la holgura de la lengeta

En el grfico 1 se muestran diversos resultados experimentales de la disminucin de ruido a causa de la holgura de la lengeta. Obteniendo por un lado la dependencia de la diferencia de nivel de tono en la frecuencia de paso de alabes y el cociente de la holgura de la lengeta con el radio de la rueda mvil. /R = 0.06 que es el rango en donde se realizaron las investigaciones, en las abcisas se puede observar valores absolutos de , en el cual no se muestran los dimetros de los ventiladores. Como se aprecia el nivel de tono en la frecuencia de paso de alabes en forma montona disminuye a medida que se incrementa la holgura de la lengeta con excepcin del trabajo (3) que presenta un mnimo con una definida holgura que al parecer se debi a efectos secundarios de los trabajos (4) y (5) son similares en los cuales se utiliz ventiladores con paletas flexionada hacia atrs y caracoles tpicos con la diferencia que la holgura radial en el trabajo (4) se hizo incrementando las medidas del ventilador y en (5) vario slo la posicin de la lengeta en un mismo caracol. La disposicin del nivel de tono en ambos trabajos fue idntica.

En el trabajo (4) se apreci una disminucin del rango de banda ancha que se asume que fue originado por la disminucin de la velocidad del flujo e incremento de las medidas del ventilador, en el trabajo (5) no se observ estos cambios. En estos trabajos el incremento de la holgura no se acompa con el decrecimiento de la eficiencia. Constatndose por otro lado que el mnimo nivel de ruido corresponde a la mxima eficiencia (La eficiencia fue el de 82% con una holgura /R = 0,25 y radio de redondeo del filo de la lengeta r/R=0.2). De esta manera la forma y ubicacin de la lengeta, son dos parmetros constructivos esenciales con lo que respecta al ruido en los ventiladores centrfugos. El nico defecto del mtodo es la necesidad de incrementar las medidas del ventilador hasta el lmite de sus medidas. El trabajo (6) observa la aplicacin de ngulos en la arista de la lengeta

INCREMENTO DEL RADIO DE CURVATURA DEL FILO DE LA LENGETA

La influencia de este factor en el nivel de tono del paso de los alabes es mucho menos apreciable con respecto al anterior factor. Por ejemplo el incremento de r/R de 0,01 a 0,2 obtiene una disminucin mxima de 6 dB, obteniendo este resultado aplicando /R = 0,06; 0,1 y 0,25, conservndose la eficiencia del ventilador.

APLICACIN DE NGULOS ENTRE LOS ALABES DE LA RUEDA MVIL Y EL FILO DE LA LENGETA.

En los ventiladores centrfugos el filo de la lengeta es paralelo a los filos de salida de los alabes. Encontrndose las pulsaciones de presin en una fase. El aplicar un ngulo tanto en los alabes como en la lengeta nos lleva a crear un desfase que traer una compensacin de pulsaciones y por consiguiente la disminucin del ruido. Pero la aplicacin de ngulos en los alabes tiene el defecto de ser difciles de construir. El estudio de estos ngulos con un buen nmero de alabes flexionadas hacia atrs y hacia delante mostr que en el primer caso se obtuvo una pequea reduccin de 2 - 3 dB del nivel de tono, en cambio en el segundo caso se registr una disminucin


de hasta 12 dB en el mismo nivel de tono, pero con esta rueda modificada se increment un ruido casual y a su vez el ruido total, en ambos casos el ngulo fue de 12 observndose una pequea disminucin del salto de presin en el ventilador. En cambio la lengeta con ngulo es ms fcil de fabricar, siendo un mtodo ms efectivo para disminuir el ruido. Como lo demuestran las investigaciones, el ngulo de estas lengetas debern tocar por lo menos dos alabes. Obtenindose una disminucin que depender mucho de la distancia entre la rueda mvil y la lengeta, en el grfico 2 se muestra la dependencia del nivel de tono con diferentes perfiles con ngulos con relacin a la holgura 8 de la lengeta, obteniendo por un lado la dependencia de la diferencia de tono en la frecuencia de paso de alabes y el cociente de la holgura de la lengeta 8 con el radio de la rueda mvil. 8 /R = 0.06 que es el rango en que se realizaron las investigaciones, en las abscisas se observan los valores absolutos de 8 , en el cual no se muestran los dimetros de los ventiladores. El nivel de tono en la frecuencia de paso de alabes en forma montona disminuye a medida que se incrementa la holgura de la lengeta con excepcin del trabajo (3) que presenta un mnimo con una holgura definida que al parecer se debi a efectos secundarios de los tra-bajos (4) y (5) y son similares a los que utiliz ventiladores con paletas flexionada hacia atrs y caracoles tpicos con la diferencia que la holgura radial; en el trabajo (4) se hizo incrementando las medidas del ventilador y en (5) vario slo la posicin de la lengeta en un mismo caracol. La disposicin del nivel de tono en ambos trabajos fueron idnticos. Por otro lado en el trabajo (4) se descubri una disminucin del rango de banda ancha que se asume que fue originado por la disminucin de la velocidad del fujo e incremento de las medidas del ventilador, en el trabajo (5) no se observ estos cambios.

En estos el incremento de la holgura no se acompa con el decrecimiento de la eficiencia. Constatndose por otro lado que el mnimo nivel de ruido corresponde a la mxima eficiencia (La eficiencia fue el de 82% con una holgura 8 /R = 0,25 y radio de redondeo del filo de la lengeta r/R=0.2).

De esta manera la forma y ubicacin de la lengeta, son dos parmetros constructivos esenciales con lo que respecta a la generacin del ruido en los ventiladores centrfugos. El nico defecto del mtodo es la necesidad de incrementar las medidas del venti-lador hasta condiciones de medida lmite. En el trabajo (6) se observa la aplicacin de ngulos en la arista de la lengeta

INCREMENTO DEL RADIO DE CURVATURA DEL FILO DE LA LENGETA

La influencia de este factor en el nivel de tono del paso de los alabes es mucho menos apreciable con

respecto al anterior factor. Por ejemplo el incremento de r/R de 0,01 a 0,2 obtuvo una disminucin mxima de 6 dB obteniendo este resultado aplicando 8 /R = 0,06; 0,1 y 0,25, conservndose la eficiencia del ventilador.

APLICACIN DE NGULOS ENTRE LOS ALABES DE LA RUEDA MVIL Y EL FILO DE LA LENGETA

En los ventiladores centrfugos el flo de la lengeta es paralelo a los filos de salida de los alabes. Encontrndose las pulsaciones de presin en una fase. El aplicar un ngulo tanto en los alabes como en la lengeta nos lleva a crear un desfase que traer una compensacin de pulsaciones y por consiguiente la disminucin del ruido. Pero la aplicacin de ngulos en los alabes tiene el defecto de ser difciles de construir. El estudio de estos ngulos con un buen nmero de alabes flexionadas hacia atrs y hacia delante mostr que en el primer caso se obtuvo una pequea reduccin de 2 3 dB del nivel de tono, en cambio en el segundo caso se registr una disminucin de hasta 12 dB en el mismo nivel de tono, pero con esta rueda modificada se increment un ruido casual y a su vez En el ruido total, en ambos casos el ngulo fue de 12 observndose una pequea disminucin del salto de presin en el ventilador.

En cambio la lengeta con ngulo es ms fcil de fabricar, siendo un mtodo ms efectivo para disminuir el ruido. Como lo demuestran las investigaciones, el ngulo de estas lengetas debern tocar por lo menos dos alabes. Obtenindose una disminucin que depender mucho de la distancia entre la rueda mvil y la lengeta, en el grfico 2 se muestra la dependencia del nivel de tono con diferentes perfiles con ngulos con relacin a la holgura de la lengeta.

Grfico 2. Dependencia del nivel de presin del sonido en la frecuencia de paso de alabes con relacin a la holgura, D = 430 mm, n = 2,500 RPM


DESPLAZAMIENTO DE ALABES EN LOS VENTILADORES DE DOBLE ENTRADA O DE DOBLE HILERA DE ALABES

Los ventiladores de doble admisin son fabricados de dos partes (son unidos en el montaje); si los alabes de una mitad son ubicados a la mitad entre alabes de la otra mitad se observa que las pulsaciones de presin se encontrarn en fases contrarias, obteniendo una reduccin del nivel de ruido en la frecuencia de paso en 8 10 dB, vindose la posibilidad que el uso de ruedas mviles con doble hilera de alabes tendran el mismo efecto. El efecto de desfase est basado en la compensacin de pulsaciones locales, muy parecido a los ngulos de la lengeta con lo cual se debe suponer que esta dis-minucin depende a su vez de la holgura. Este desfase es simple de realizar en ventiladores no muy grandes, en ventiladores de mayor tamao tal asimetra nos conlleva a problemas con temperaturas, tensiones y deformaciones de la base del ventilador.

VENTILADOR CON CARCAZA RECTANGULAR

El cambiar la carcaza espiral y suprimirse la lengeta; el nivel de tono disminuye, de otro lado se presume que las caractersticas aerodinmicas empeoraran.

TRATAMIENTO ACSTICO DEL CARCAS DEL VENTILADOR

La aplicacin de cubiertas acsticas en el ducto interno de la carcaza del ventilador nos proporciona una efectiva reduccin de la intensidad de tono y nivel de ruido casual.

En la grafico 3 se muestra el modelo del ventilador fabricado con una plancha perforada cubierta de un material poroso, como se observa el caracol est montado dentro de una carcaza cerrada.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

El estudio presentado nos lleva a la optimizacin de los parmetros de flujo en el ducto del ventilador, que es el componente que define el nivel de ruido final y su variacin en el tono de all su importancia (primero se estima y se localiza para luego realizar los tratamientos respectivos). La causa de esta ruido es de tipo aerodinmico, y como ya antes se menciono se encuentra en la regin perifrica entre el rodete y la lengeta del ventilador. En un intento de disminuir esta componente se procedi a optimizar y amortiguar el flujo en esta zona, llevando a cabo una serie de cambios estructurales especficamente en la lengeta como, el de implantar en la zona, lengetas de un material aislante, llegando a un resultado ptimo de reduccin del nivel de tono. El estudio se hizo en un ventilador con dimetro de 400 mm. y

doce paletas en el rodete, dirigidas hacia atrs, en los espectrogramas (grficos 4 y 5) se puede visualizar el efecto antes del tratamiento.

Grfco3. Esquema del ventilador con tratamiento acstico

Grafico 4. Espectrograma del ventilador centrifugo antes del tratamiento Acstico


Grafico 5. Pectrograma del ventilador centrifugo despus del tratamiento Acstico

CONCLUSIONES

1. El tratamiento acstico de las turbo maquinas radica en la optimizacin del flujo en el ducto del dispositivo por donde circula el fluido.

2. Los ndices de contaminacin acstica han llegado a un lmite en el cual deben ser normados, y para ello debern ser reconocidos los niveles de ruido de cada turbo maquina, analizar la causa que origina este exceso de ruido y tratar de reducirlos, eligiendo un mtodo de reduccin eficiente.

3. El ndice de ruido, por estudios ya realizados, est ligado al termino ms conocido como rendimiento, tenindose que a menor ndice de ruido, la efectividad de la turbo maquina es mxima y como consecuencia se reducen los costos en el consumo de energa elctrica.

BIBLIOGRAFA

1. Schegliaiev, A; Turbinas de vapor; editorial MIR, Mosc 1985, dos tomos

2. Marks; Manual del Ingeniero Mecnico, editorial Mc Graw Hill, Mxico 1988.

3. Organizacin de Aviacin Civil Internacional (OACI), volumen 59-Nmero 2- abril mayo 2004.

4. Eroglu et al, 2001.Vortex Gen-erators in Lean-Premix Combustion, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Jan., vol 123, pp.41-49.


SIMULACIN NUMRICA DE UN PERFIL NACA 0012

NUMERICAL SIMULATION OF A FLOW AROUND NACA 0012 AIRFOIL

Jos G. Navarro _____________________________________________________________________________________

RESUMEN

Este trabajo tiene como objetivo el anlisis del flujo aerodinmico sobre un perfil NACA-0012 (a un ngulo de ataque nulo) utilizando simulacin numrica, especficamente la tcnica de los volmenes finitos, la implementacin de este mtodo se realiza mediante el software comercial PHOENICS. Se busca determinar las caractersticas, como el campo de velocidad, presin y temperatura. Para validar estos resultados son comparados con los valores tericos.

ABSTRACT

This study have as an objective to analyze the aerodynamic flow around NACA-0012 airfoil (with an angle of attack equal to zero) using numerical simulation, specifically the volume finite method. The employment of this method is done in the commercial software "PHOENICS". It is expected to determine the main characteristics such as the field of velocity, pressure and temperature. To validate these results they are compared with the theoretical values. _____________________________________________________________________________________________

INTRODUCCIN

Un perfil aerodinmico, es un cuerpo que tiene un diseo determinado para aprovechar al mximo las fuerzas que se originan por la variacin de velocidad y presin cuando este perfil se sita en una corriente de aire. Un ala es un ejemplo de diseo avanzado de perfil aerodinmico.

OBJETIVO

El objetivo de presentar los resultados obtenidos en la etapa anterior, en forma grafica, es facilitar por medio de imgenes, el entendimiento de los procesos que ocurren en el flujo.

METODOLOGA

El trabajo fue dividido en tres etapas: Pre- proceso, Proceso y Post proceso, a saber:

a. Pre- Proceso. Se genera la malla as como tambin se identifica el modelo, se establece las propiedades del fenmeno, las condiciones inciales, de borde y los parmetros numricos. Generacin de la Malla, representacin discreta de un dominio geomtrico en formas menores y ms simples, como tringulos o cuadrilteros en dos dimensiones, y tetraedros y hexaedros en tres dimensiones.

Clasificacin de las Mallas Malla Estructurada, el volumen elemental est conectado con el mismo nmero de elementos vecinos. Dentro de esta clasificacin tenemos: a- Malla Uniforme.

b- Malla No Uniforme. No Estructurada (MNE), es aquella malla en la cual sus vrtices pueden presentar vecinos locales arbitrariamente variados. Para nuestro caso, se opto por una malla estructurada, debido a la simetra del problema y a la facilidad de concentrar los puntos de la malla en regiones de mayor inters.

Figura.1.0. Malla uniforme.


Figura 2.0 Malla No Estructurada

b.- Proceso. En esta etapa se lleva a cabo la solucin de la ecuacin de Navier Stokes (NS), ecuacin que gobierna el fenmeno. La resolucin numrica de la ecuacin de NS es resuelta mediante la tcnica de los Volmenes Finitos, aplicada sobre la malla generada anteriormente.

Ecuacin de Navier Stokes, en la figura 3 podemos apreciar el Mdulo Earth del programa PHOENIX, en donde el computador realiza el clculo numrico.

c.- Post-Proceso. Se presenta los campos de presin, temperatura y velocidad de forma grafica, tal como lo muestran las figuras 4, 5 y 6.


CONCLUSIONES

1. Los resultados numricos obtenidos en el clculo del flujo sobre perfiles se muestran coherentes con el modelo terico adoptado en su concepcin, se muestra en las figuras 4,5 y 6; de manera general las soluciones numricas y tericas estuvieron bien prximas.

2. Se debe tener en cuenta las pequeas imprecisiones en la regin del borde de fuga, donde alteraciones sutiles provocan grandes desvos numricos, este problema ser solucionado en la medida que se de continuidad a este primer trabajo.

3. Los datos tericos con los cuales fueron comparados los resultados numricos de este trabajo se basan en la teora de flujo potencial, que se aproxima al flujo real. La teora de flujo potencial supone un flujo no viscoso e incompresible lo que no ocurre exactamente, en un flujo real.

4. Se ha optado utilizar esos valores tericos como parmetro, ya que nuestro modelo actual no tiene en consideracin los efectos de la viscosidad y por lo tanto no sera razonable comparar los valores numricos obtenidos con los valores exactos

BIBLIOGRAFA

1. Software comercial PHOENICS

2. Abbot Ira H. Dover, Theory of Wing Sections, P. 693. Publications INC. 1959, New York.

3. Peyret, R. ; Taylor, T ; Computational Methods for Fluid Flow, Univer-sity of Nice and Johns Hopkins University, 1982


ANLISIS DE LA INVERSIN EN LA ACTIVIDAD DE GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA EN EL PER

INVESTMENT ANALYSIS IN POWER GENERATION IN PERU

Henry M. Pala R. _____________________________________________________________________________________

RESUMEN

Se han iniciado una serie de preocupaciones sobre el nivel de competencia en el mercado libre, los mecanismos para el crecimiento de la oferta de transmisin, las implicancias de los procesos de integracin vertical y horizontal, y el nivel de competencia en la generacin de energa. El servicio elctrico, donde la generacin representa un 58% de las tarifas finales, es un bien bsico por lo que cualquier distorsin afecta a toda la poblacin. En el caso de muchas industrias intensivas en el uso de energa, donde este representa una proporcin importante de sus costos, seales alteradas en los precios pueden reducir la competitividad y la inversin, con el consiguiente impacto macroeconmico. En este contexto, es imprescindible buscar mecanismos que fomenten la eficiencia y a la vez den los incentivos adecuados para una reduccin de costos

ABSTRACT

Today in Per, a series of worries has emerged about the level of competition on the free market of power generation, the mechanisms for the growth of the electricity transmisin offer, the implications from the processes of vertical and horizontal integration and the level of competition in the electricity generation.

On the electricity service, the power generation represents 58% of the tariffs and is a basic good therefore any distortion would affect the whole population. For many intensive industries of energy use this represents an important proportion of their costs so that some altered signs could reduce the competitiveness and the investment, coming to us a consequent macroeconomic impact. In this context, it is so important to look for mechanisms that support the efficiency and give the appropriate incentives for a cost reduction at the same time. ______________________________________________________________________________________

INTRODUCCIN

En el sector elctrico se transan una serie de servicios, capacidad de suministro potencia, la energa, los servicios de transmisin y distribucin por mencionar algunos; pero son los dos primeros los que recibe el usuario y producen las generadoras. La energa tiene como principal particularidad que no es almacenable es decir que tanto oferta como demanda deben coincidir en cada momento, esta energa puede ser producida de diferentes tcnicas, agrupndose en hidrulicas y trmicas. As, las plantas hidroelctricas utilizan cadas de agua para generar electricidad, mientras que las centrales trmicas se basan en mquinas de combustin interna o turbinas a gas, que queman diferentes combustibles, generalmente derivados del petrleo. Adems, para que la energa llegue al usuario final es necesario el uso de redes de transmisin y distribucin; la primera de uso comn para todos los usuarios y la segunda es especfica para cada zona de suministro. La actividad de transmisin se refiere principalmente al transporte de la energa, en altos niveles de voltaje, desde los generadores hacia los centros de consumo. Para ello cuenta con un conjunto de redes de diferente tensin

y subestaciones de transformacin. La actividad de distribucin es la encargada de llevar la energa a menores niveles de voltaje desde las subestaciones hasta el consumidor. Comprende un conjunto de lneas de transmisin a bajo voltaje y de subestaciones donde funcionan los transformadores que reducen la tensin a niveles apropiados para el uso industrial o domstico. Aunque generalmente se asocia la actividad de distribucin con el abastecimiento directo a los usuarios, experiencias recientes han tratado de identificar mejor las actividades involucradas en la provisin de energa, ello con el fin de no establecer mayores restricciones en actividades donde se puede establecer competencia. Este es el caso de la comercializacin, que puede separarse de la distribucin y abarca principalmente la facturacin y cobranza al usuario final.

CAMISEA Y LA INVERSIN EN LA ACTIVIDAD DE GENERACIN ELCTRICA

Proyecto Camisea es considerado por muchos como el proyecto energtico ms importante de la historia energtica en el Per, basndose en la dimensin del


yacimiento y la importancia de sus reservas. Considerando que el gas natural seco de Camisea est compuesto bsicamente por Metano (CH4 = 90.5%) y Etano (C2H6 = 9.5%). Si el gas natural seco se empleara como fuente energtica, todos los 12711 Tera BTU no podran ser utilizados, ya que la combustin del gas natural seco con el oxgeno (O2) origina como productos de la combustin anhdrido carbnico (CO2) y vapor de agua (H2O), siendo til nicamente en los procesos trmicos el anhdrido carbnico. Aproximadamente el 10% de la energa del gas natural seco es absorbida por la formacin del vapor de agua quedando el restante 90% como utilizable. Normalmente el calor retenido en el vapor de agua queda reflejado en el Poder Calorfico Inferior (PCI) del gas natural seco. Por consiguiente, la energa utilizable del gas natural seco de Camisea como fuente energtica equivale a 11440 Tera BTU. Si consideramos que al ao 2002 la energa elctrica producida en el pas fue del orden de los 21 982 Giga Watt hora (GWh), con las reservas de energa de Camisea y tecnologa de centrales trmicas de ciclo combinado, con una ef-ciencia del 55%, podramos abastecer los requerimientos de energa elctrica (a niveles actuales) por aproximadamente 83 aos. Sin embargo, esta no es una conclusin totalmente cierta, si se toma en cuenta el crecimiento del sector elctrico (el crecimiento de la energa producida en el periodo 2001-2002 llego al 6%), podramos cubrir tan slo 30 aos de requerimientos energticos del pas. La implementacin del proyecto Camisea en el sector energtico ha introducido un conjunto de preguntas sobre la forma y los efectos de la entrada del gas natural como fuente de energa as como una serie de impactos en el sector elctrico, industrial, transporte y residencial. Si hablamos del sector elctrico nos preguntaremos Es un proyecto conveniente?; respecto a la tecnologa: Cul es el tipo de central conveniente, una central a ciclo simple o una central a ciclo combinado?, en cada uno de estos casos: Cul es la rentabilidad individual?, a nivel microeconmico: Cul es el impacto en las tarifas y el bienestar de los individuos?, a nivel macroeconmico: se trata de un shock de oferta significativo?, a nivel de la industria: Cmo se afectar la rentabilidad de las otras empresas?, a nivel de la inversin: Cmo se modificar la composicin del parque a futuro?. Estas son algunas de las preguntas que han surgido y cuyas respuestas probablemente requieren de la elaboracin de un documento aparte. Sin embargo, se analiza lo referente a la evolucin del parque generador y a los posibles efectos sobre la rentabilidad de las empresas. Asumiendo un esquema de planificacin centralizada y en presencia de slo dos tecnologas (Diesel (D) e hidrulica (H)), dejando de lado otros sistemas de generacin como la energa solar y otras energas no convencionales; un sistema econmicamente adaptado implica una mezcla de tecnologas de produccin que minimiza el costo medio de la

generacin de energa y que remunerado de acuerdo a los costos de inversin y operacin de las centrales marginales logra el equilibrio financiero de las empresas eficientes . Este resultado se fundamenta en la relacin inversa que suele existir entre el costo de inversin y operacin entre los diferentes tipos de centrales (ver Grfico N 2). Si se toma en cuenta los valores del costo fijo y el costo variable para diversas tecnologas, en un escenario simple donde slo hay centrales hidrulicas y trmicas que utilizan diesel, se tendra que las centrales hidroelctricas debieran representar aproximadamente el 88% del parque generador y el 12% debera estar conformado por centrales trmicas . Esta situacin sera similar a la que en algn momento enfrent el Per, pese al ingreso de algunas centrales a gas natural (Aguayta y EEPSA) y de la central a carbn de Enersur. La introduccin de una nueva tecnologa, como el gas natural, con un costo fijo mayor que el de una central diesel pero menor que el de una central hidroelctrica; as como un menor costo variable que el de una diesel, pero mayor que el de una hidrulica, genera una modificacin en el parque ptimo.

Figura N 2. Minimizacin de costos en un escenario sin gas natural. En una perspectiva de largo plazo, el efecto de dicha incorporacin sera una reduccin en la participacin en la potencia ptima que debera mantenerse en generadores diesel (D) e hidrulicos (H) y una mayor participacin del gas natural (CS y CC) de aproximadamente 40% (ver Grfco N 3). El resultado descrito se basa en un sistema que minimiza el costo total unitario en la situacin en la que se instala el nivel de potencia ptimo por tipo de tecnologa. En este esquema, es esperable que las centrales trmicas a ciclo combinado, y en menor medida a ciclo simple, tengan una participacin importante en la capacidad del sistema y en el despacho de energa, en particular en el bloque medio e incluso en la base de la


Figura N3. Maximizacin de costos en un escenario con gas natural Sin embargo, en el marco regulatorio peruano, si bien se basa en los principios marginalistas expuestos, los precios de energa se calculan minimizando el costo de operacin variable del sistema y tomando como dada la potencia efectiva de las centrales existentes por lo que existen diferencias con la solucin del planificador sealada anteriormente.

Un resultado en el sistema actual, donde se usan las potencias instaladas de las centrales existentes para el despacho, es que no deberan ingresar ms centrales hidrulicas y Diesel con costos estndares, ya que la nueva combinacin ptima (que tiene su correlato en trminos de equilibrio financiero) implicar que en el futuro entren slo centrales a gas natural hasta tener la participacin adecuada en el parque generador. Esta situacin podra llevar a que el sistema se tome un tiempo mayor en adaptarse debido a que la entrada de una nueva central, sea de ciclo combinado o ciclo simple, puede reducir significativamente los precios de energa en un contexto donde el precio de ca-pacidad se fija en base a los costos de una central con menores costos de inversin que difcilmente dejara de marginar en algn momento del ao. Este impacto sobre las tarifas se puede inferir de los actuales niveles de produccin de las centrales en el Sistema Elctrico Interconectado (SEIN), donde la energa generada con centrales hidrulicas super el 91% en el ao 2002 y cuya capacidad es mayor a la demanda de potencia promedio del SEIN, y donde centrales como la de carbn (125 MW de Enersur) y la de gas natural a ciclo simple (238 MW de Aguayta y EEPSA) vienen incrementando su participacin en el despacho y marginando ms tiempo. En el sistema actual, el pago por potencia de la central corresponder a los costos de inversin y fijos de la central definida como eficiente para abastecer la demanda de punta . Este costo de inversin es menor que el que tiene las dems centrales (hidrulicas, gas natural y carbn). La lgica del sistema marginalista implicar que esta diferencia en costos deba ser recuperada con los

excedentes que pueden lograr las centrales infra-marginales en los perodos donde el precio del sistema lo ponen centrales con costos variables ms altos (debe recordarse que en el corto plazo la curva de oferta de la industria en un mercado competitivo con restricciones de capacidad estar representada por el costo variable de la ltima empresa). Un caso extremo son las centrales hidroelctricas de pasada que tienen un costo variable unitario igual a cero. En este contexto, se puede analizar el potencial efecto de la puesta en operacin de una central de ciclo combinado que use el gas de Camisea en una fecha como agosto del 2004. Dados los actuales niveles de capacidad instalada de centrales hidrulicas y el moderado incremento esperado de la demanda, existira la posibilidad que al entrar una unidad de mediano tamao con ciclo combinado esta empiece a ser utilizada en perodos punta pudiendo inclusive marginar.

Sin embargo, el escenario planteado difcilmente sucedera en la realidad en tanto existe el riesgo hidrolgico y condiciones tcnicas que hacen ms efciente la entrada al despacho de centrales a ciclo simple (rpido arranque, mnimos operativos) en el sistema interconectado. A su vez, un escenario como el descrito no sera efciente socialmente pues la mini-mizacin de costos de abastecimiento implica usar centrales con costos de inversin bajos como las Diesel en los perodos punta. Por ende, la factibilidad de una central de ciclo combinado o ciclo simple depender de la magnitud de las ventas de energa y de la posibilidad de que estas ventas constituyan la demanda infra-mar-ginal (con el fn de recuperar por ventas de energa lo que perdera por el pago de potencia).

INVERSIN EFECTIVA EN GENERACIN ELCTRICA EN EL PER. A septiembre del 2003 la capacidad instalada del SEIN (Sistema Elctrico Interconectado Nacional) supera en 51% a la mxima demanda del sistema (4350 MW versus 2900 MW) existiendo un pre-dominio de centrales hidrulicas (59,4%) y Diesel (23,2%), aunque estas ltimas operan muy poco debido a sus altos costos variables. Este margen de reserva supera los requerimientos tcnicos necesarios para mantener la confiabilidad del servicio en el sistema peruano, que se han establecido en el indicador conocido como Margen de Reserva Firme Objetivo (MRFO), el cual actualmente es de 19,5%. Se observa que la configuracin eficiente del sistema ha enfrentado algunas distorsiones derivadas de los compromisos de privatizacin y la forma como se implement inicialmente el pago por potencia.

FACTORES DE LA DESADAPTACIN DE LA INVERSIN EN GENERACIN

Entre los factores que han generado distorsiones para


la adaptacin del parque generador se pueden mencionar: El establecimiento de un sistema de pagos por

capacidad que no estaba alineado con los criterios del modelo marginalista, ya que hasta 1999 las centrales trmicas eran remuneradas prioritari-amente.

Los compromisos de privatizacin que inducan a la inversin en determinadas tecnologas a travs del establecimiento de plazos (privatizacin de Egenor, Etevensa, Edegel y EEPSA).

Tratamientos tributarios diferenciados (ISC al carbn para generacin de electricidad desde 1999). Inversin pblica en centrales hidroelctricas

como San Gabn. La propia forma como los mecanismos de fijacin

de tarifas dan las seales a la inversin eficiente cuando existe un pago separado por potencia y donde las tarifas de energa se obtienen de minimizar el costo de operacin variable (despacho) utilizando la capacidad instalada exis-tente.

CONCLUSIONES

El realizar inversiones en tecnologas que puedan ser individualmente rentables sin considerar las inversiones establecidas en el sistema favorecen la inversin ineficiente. Un resultado en el sistema actual peruano, donde se usan las potencias instaladas de las centrales existentes para el despacho, es que no deberan ingresar ms centrales hidrulicas y Diesel con costos estndares, ya que la nueva combinacin ptima (que tiene su correlato en trminos de equilibrio financiero) implicar que en el futuro entren slo centrales a gas natural hasta tener la participacin adecuada en el parque generador. En el sistema actual, el pago por potencia de la central corresponder a los costos de inversin y fijos de la central definida como eficiente para abastecer la demanda de punta (Central Turbogas Al-stom GT11N2 de 114,22 MW ISO Diesel). Este costo de inversin es menor que el que tiene las dems centrales (hidrulicas, gas natural y carbn). La lgica del sistema marginalista implicar que esta diferencia en costos deba ser recuperada con los excedentes que pueden lograr las centrales infra-marginales en los perodos donde el precio del sistema lo ponen centrales con costos variables ms altos. - Los precios en barra y spot deberan dar una seal

de inversin a las tecnologas eficientes. La lgica del sistema marginalista indica que cuando se tiene acceso a una nueva tecnologa con costos eficientes, como el gas natural, el proceso de formacin de precios debera inducir a que este tenga una mayor participacin en la combinacin de tecnologas eficientes que deben abastecer la demanda. Por lo tanto, para evitar el desarrollo de brechas entre la inversin eficiente e inversin efectiva se debera:

a. Disear mecanismos que fomenten el incremento de capacidad eficiente que cubra los incrementos de la demanda, removiendo barreras a la entrada y reduciendo los riesgos comerciales de los generadores. Ello sin afectar los mecanismos de competencia diseados.

b. Crear incentivos adecuados y reduccin de rigideces institucionales para permitir que los mecanismos de mercado funcionen, en particular crear facilidades para el desarrollo de un mercado de contratos flexible. c. El esquema tarifario debe generar las seales correctas para que las inversiones eficientes tengan un lugar en el abastecimiento de electricidad. d. Debe analizarse la forma como el sistema tarifario considera otros riesgos como el hidrolgico y la subida de precios de los combustibles. Los generadores hidrulicos asumiran el riesgo de las condiciones hidrolgicas y los generadores trmicos asumen el riesgo de los incrementos en los precios de combustibles ms all de las expectativas previstas en la fijacin tarifara. Sobre este punto se puede mencionar la reciente controversia entre empresas generadores y empresas distribuidores de electricidad a raz del alza de combustibles en el mercado internacional. -Incentivar un mayor crecimiento de la demanda, por lo que dada la demanda actual y el mecanismo de despacho, en el corto plazo sera poco factible que entre una central de ciclo combinado como consecuencia de la llegada de Camisea en agosto del 2004. -As mismo la competencia entre las hidrulicas y las centrales trmicas a gas natural se dan en el largo plazo, si las centrales trmicas a gas natural son ms competitivas que las hidrulicas, el valor de oportunidad de las hidrulicas equivale a la central trmica con la que compite. -Si el sistema es mayormente hidrulico y el modelo de optimizacin predice que el costo del sistema es a base de gas natural, esto no quiere decir que deba eliminarse las hidrulicas, sino que la expansin ptima es a base de gas natural y por lo tanto el valor de costo de oportunidad de cualquier hidrulica es la trmica ingresante.

BIBLIOGRAFA

1. De la Cruz, R. & Garca, R. Mecanismos de Competencia en Generacin de Energa y su impacto en la Efciencia: El caso peruano. Gallardo, J. & Garca, R.; Diseo de Mercados Elctricos- Oficina de Estudios Econmicos OSINERG.

2. Ensuring Generation Adequacy in Competitive Electricity Markets Shmuel S. Oren University of California, Berkeley.


EMPLEO DE ACEITES VEGETALES (SOYA, MAZ Y OLIVA) EN MEZCLA CON PETRLEO DIESEL, EN LOS MOTORES DIESEL

VEGETABLES OILS (SOY, CORN AND OLIVE) IN MIXTURES WITH DIESEL PETROLEUM, USED IN DIESEL ENGINE

Andrs Valderrama R. _____________________________________________________________________________________

RESUMEN

En este artculo se presentan los resultados de los ensayos experimentales del empleo de mezclas de aceites vegetales (soya, maz y oliva) con petrleo Diesel 2; los ensayos se realizaron en el Instituto de Motores de Combustin Interna de la Universidad Nacional de Ingeniera-Lima, en un motor de un cilindro (S/D=111/87.3), demostrando que es factible el reemplazo; siendo el porcentaje ptimo del 6 al 8% en volumen, se demostr tambin que es necesario regular el motor para estas mezclas. Asimismo se encontr que el aceite vegetal ms adecuado para ser empleado como combustible en los motores Diesel, considerando los parmetros de potencia y economa es el aceite de soya.

PALABRAS CLAVES: Formacin de la mezcla, combustin, pulverizacin del dardo, aceite vegetal

ABSTRACT

The reservations of petroleum in Peru and in the world are draining; due to this problem there is a tendency to look for alternative fuels that substitute partially or totally the Diesel 2 petroleum. In this article the results of the experimental tests using mixtures of oils vegetables are presented as fuels (soya oil, corn and olive) with Diesel petroleum 2; the tests were carried out in the Institute of Internal Combustion Engine of the National University of Engineering-Lima, in a engine of one cilnder (S/D=111/87.3), demonstrating that it is feasible the substitution; being the good percentage from the 6 to 8% in volume, it was also demonstrated that it is necessary to regulate the engine for these mixtures. Also it was found that the most appropriate vegetable oil to be used as fuel in the motors Diesel, considering parameters of power and economy, is the soya oil. ______________________________________________________________________________________

INTRODUCCIN

Los motores Diesel son los emisores principales de holln (compuesto de partculas finas de carbono) debido a que la formacin de la mezcla aire-combustible dentro del cilindro no es uniforme, existen zonas con insuficiente aire (mezcla sobre enriquecida) y al producirse la combustin el combustible en dichas zonas se desintegra. Al usar en los motores Diesel, las mezclas de petrleo D -2 con aceites vegetales: aceite de maz, de oliva y de soya; se prev que mejorarn los procesos de formacin de la mezcla aire-combustible y de la combustin (no se formarn zonas con mezcla sobreenriquecida) ya que las mezclas actuarn mejorando la formacin de la mezcla aire-combustible, aumentando la efectividad de funcionamiento del motor Diesel y disminuyendo el nivel de humeado (holln), debido a que las mezclas como combustibles presentarn mejores caractersticas fsico-qumicas, las que permitirn elevar la eficiencia de operacin del motor Diesel. De lo antes mencionado, para conseguir una mezcla

de petrleo D-2 con aceites vegetales ptima, con la que se obtienen los mejores ndices de potencia, economa y ecologa (un menor nivel de holln), se deben efectuar el anlisis de distintas mezclas, en las que se variar el porcentaje en volumen de componentes, tanto del D-2 como de los aceites, respecto al volumen total a usar. Cada mezcla tendr sus caractersticas como combustible: Nmero de cetano, densidad, poder calorfico, viscosidad y otros cuyos efectos se revelan en los parmetros operativos y de explotacin del motor. El empleo de las mezclas no debe reducir las caractersticas operativas del motor, porque habra una disminucin significativa de funcionamiento de ste con respecto al empleo de combustible Diesel solo. Adems se necesitar mantener un rango de ndices de cetano para la mezcla Diesel 2 con los Aceites Vegetales que permite una corta duracin del perodo de retraso de la infamacin y funcionamiento suave del motor. Una mezcla es la unin fsica de dos o ms sustancias que cumplen con las siguientes condiciones:


1. Cada una de las sustancias componentes conserva sus propiedades.

2. Las sustancias componentes son separables por medios fsicos.

3. Las sustancias componentes pueden intervenir en cualquier proporcin.

4. En su formacin, las mezclas no presentan manifestaciones energticas. Una mezcla es un agregado de una o ms sustancias entre las que no produce reaccin qumica alguna.

Entonces se puede concluir que las mezclas de petrleo Diesel 2 con aceite de maz, de oliva y de soya son heterogneas.

ESTUDIO DE LAS CARACTERSTICAS DE LOS ACEITES VEGETALES

1. Aceite de Maz.- Se obtiene de los grmenes de la planta de maz zea mays. La pulpa del maz contiene solamente de 3-7 % de aceite, pero el contenido de aceite del germen es de alrededor del 50%. El germen de maz se separa de la semilla en las plantas de molturacin de este grano. El peso del germen representa alrededor del 4 al 6% del peso de la al-mendra. La composicin del germen en estado natural es:

Agua 35-40% Grasa 15-20% Sustancia nitrogenada y no nitrogenada

40-50%

Cenizas 2-3%

Si el germen no se diseca inmediatamente se producen fenmenos fermentativos y la acidez de la sustancia grasa aumenta sensiblemente; se muestra la composicin del germen disecado: El proceso para obtener el aceite de maz consiste en mojar la semilla limpia en agua caliente, luego estos granos suavizados se pasan por molinos extrusores, que son placas con salientes resaltados y estos al moverse rompen las almendras sin triturar los grmenes. Los grmenes que contiene aceite debido a un menor peso especfico, flotan en la parte superior. Estos pasan a travs de unos rodillos escamosos y se convierten en harina gruesa. El aceite se extrae en prensas de tornillo o por extraccin de solventes.

2. Aceite de Oliva.- El fruto del olivo es la aceituna; fruta de forma ovalada, dividida en dos partes principales: pericarpio y endocarpio. El pericarpio est compuesto por el epicarpio o piel y el mesocarpio o pulpa. El endocarpio, tambin llamado hueso, contiene la semilla. El pericarpio representa el (66-85)% en peso del fruto. El peso de la semilla no pasa de ser el 3% del total del fruto. El pericarpio contiene el 96 - 98% del total del aceite, mientras que el restante 2 - 4% es procedente del hueso. La

composicin qumica de las aceitunas se muestra a continuacin:

Componente % Agua 50,0 Aceite 22,0 Azcares 19,1 Celulosa 5,8 Protenas 1,6 Cenizas 1,5

El aceite de oliva se encuentra en forma de diminutas gotas contenidas en la pulpa. El molido (trituracin) de los frutos ayuda a efectuar mejor la separacin del aceite. Durante la molienda, las gotas microscpicas se unen para formar otras ms grandes. El batido que sigue a la trituracin, conduce a la formacin de gotas an mayores, hasta que produce la separacin de una fase aceitosa. El proceso de molienda afecta tanto el rendimiento como la calidad del aceite. Durante este proceso, se debe evitar exponer la superficie del aceite con el aire para evitar prdidas de aromas y limitar el deterioro de dicho aceite por oxidacin; se pueden incorporar trazas de metales al aceite, que pueden provocar cambios en sus caractersticas sensoriales, y actuar como catalizadores de la oxidacin del aceite durante su almacenamiento. El aceite de oliva est compuesto principalmente por triglicridos, conteniendo pequeas cantidades de cidos grasos libres, glicerol, fosftidos, pigmentos, hidratos de carbono, protenas, compuestos aromticos, esteroles y sustancias resino-sas sin identificar .

Los componentes del aceite de oliva se pueden dividir en dos categoras: Fraccin saponificable (triglicridos, cidos grasos libres, fosftidos y otros) y fraccin insaponificable (hidratos de carbono, alcoholes grasos y otros). 3. Aceite de Soya.- La semilla de soya se obtiene de las plantas G1ycine soya, Do1i-chos soya, variedades pertenecientes a la familia de las leguminosas y originales del asa oriental; esta planta crece en una gran variedad de condiciones climatolgicas, pero prefieren veranos con clima caliente y hmedo. Las semillas estn incluidas en una vaina y tienen forma achatada; existe un gran nmero de variedades, pero solo algunas son adecuadas para la extraccin de aceite.

El contenido de aceite oscila del (15,5 al 22,7)% en peso, segn la variedad; la ms apreciada como oleaginosa es la Glycine hispida cultivada sobre todo en China, que produce en promedio el 20,9% en

Agua 5-7% Grasa 30-35% Sustancia nitrogenada y no nitrogenada 55-60% Cenizas 3-5%


aceite. Tambin las mejores variedades norteam-ericanas contienen alrededor del 20% de aceite; de modo particular, es apreciado el tipo haba amarilla, la composicin media de la soya amarilla es: El aceite de soya crudo puede contener una cantidad variable pero relativamente pequea de protenas, cidos grasos libres y fosftidos que han de eliminarse del producto final.

Agua 8-10% Grasa 17-20% Sustancias Nitrogenadas

38-40% Sustancias no 26-29% Fibra bruta 5% Cenizas 5.5%

Durante el proceso de refinacin del aceite de soya se obtiene una importante cantidad de lecitina (fosftidos); del frijol se producen salsas de soya, harina, plsticos, adhesivos, papel y fibras textiles y el residuo de la extraccin del aceite es utilizado como alimento de ganado y como fertilizante.

TECNOLOGA PARA LA OBTENCIN DE LOS ACEITES VEGETALES La mayora de aceites en estado crudo obtenidos mediante prensado, extraccin por solventes, o por fusin; se someten a un tratamiento preliminar de limpieza y clarificacin por asentamiento, colado, filtracin o centrifugacin, para hacerlos ms resistentes a deteriorarse durante su almacenaje.

Las operaciones de pre-extraccin son similares a las utilizadas en el prensado, consisten en el limpiado, descascarado, separacin de las cscaras, cocido y triturado o escamado. Adems, para obtener un rendimiento ptimo, dndole a la sustancia un tratamiento de enfriado y en-crispado para mejorar las condiciones de la superficie.

Cuando se requieren para propsitos alimenticios casi siempre los aceites siguen un tratamiento posterior de refinacin; si se destinaran a propsitos tcnicos no alimenticios, necesitan algn tratamiento para eliminar impurezas, productos de degradacin o constituyentes indeseables que interferirn con su uso. La purificacin se realiza para eliminar los aceites constituyentes que se encuentran en los aceites crudos. Las impurezas pueden ser:

Partculas insolubles en grasa y se encuentran dispersadas en ella. Estas partculas se eliminan por medios mecnicos: asentamiento, filtracin y centrifugacin. Material en suspensin coloidal en la grasa. Se elimina mediante asentamiento, desgomado, lavado por cido. Sustancias solubles en grasa. cidos grasos libres, los que se someten al proceso

de neutralizacin. Color (blanqueo). Olor (desodorizacin). Glicridos saturados, conocidos como esterinas (invernacin).

Los compuestos solubles en las grasas son primariamente cidos grasos libres, que derivan junto con pequeas cantidades de monoglicridos y cantidades variables de estos de la hidrlisis de los triglicridos, materias colorantes tales como los carotenoides, clorofilas y otras sustancias, productos de oxidacin y descomposicin, cetonas y aldehdos que frecuentemente tienen sabor y olor desagradables, esteroles, hidrocarburos y resinas Muchas de estas sustancias deben eliminarse antes que la grasa sea apropiada para su uso. Cuantitativamente la impureza ms importante son los cidos grasos libres y aunque en pequeo porcentaje, cerca del 0,51% de los cidos grasos libres con 16 o ms tomos de carbono en las cadenas no afectan el sabor de las grasas animales preparadas cuidadosamente o de los aceites vegetales elaborados a bajas temperaturas a partir de frutos y semillas seleccionados, como las aceitunas y los cacahuates, pero su eliminacin es necesaria en muchas grasas y ayuda tambin

a reducir el costo de eliminacin de otros constituyentes indeseables. Los mtodos usados y el grado al cual los aceites deben refinarse dependen de la cantidad de aceite crudo y el uso al que se destinar el aceite tratado. El anlisis de las caractersticas fsico-qumicas de los aceites vegetales y de las caractersticas del petrleo D-2, permitir determinar si es posible el uso de los aceites vegetales solos como combustibles para los motores Diesel, a partir de la tabla siguiente:

PROPIEDADES MAIZ OLIVA SOYA % Contenido grasa 50 25 - 60 11 - 25 Gravedad especfica (15/15C)

0,925 0,918 0,922

ndice de refraccin (15C)

1,4767 1,4673 1,4770

Punto de fusin (C) -10 a -15 -6 a 10 -8 a -18 ndice de saponificacin

187 - 93 188 - 19 6189 - 195

ndice de Yodo 103 - 130 78 - 86 120 - 141 %No saponificables 1,3 - 2 0,5 - 1,5 0,2 - 1,5 Ttulo (C) 14 - 20 17 - 21 20 - 24

Aceite de Maz. No es posible usarlo como combustible porque presenta un nmero de cetano muy bajo; una densidad alta que provocara una gran disminucin en la potencia del motor, Tambin presenta una viscosidad muy alta, debido a esto no se podra pulverizar bien. Aceite de Oliva. Presenta una densidad ms alta que


el petrleo D-2, su nmero de cetano es bajo y para emplear el aceite de oliva como combustible se aumentar el ngulo de adelanto a la infamacin. Como todos los aceites vegetales, este tiene una viscosidad ms alta que el petrleo Diesel Aceite de Soya.- Slo no sirve como combustible porque tiene una viscosidad mayor que el lmite mximo para el petrleo Diesel 2, la viscosidad del aceite de soya es de 135,2 ssu. Su nmero de cetano es ms bajo con respecto al del petrleo D-2, pero su densidad es ms alta que la de este.

CARACTERSTICAS DE LOS ACEITES VEGETALES COMO COMBUSTIBLES

Se ha convenido en analizar la mxima proporcin de aceite de palma, de oliva o de maz que puede mezclarse con el petrleo D-2 sea del 10% del volumen total, debido a que las mezclas hasta esta proporcin presentan las especificaciones requeridas para los combustibles usados en los motores Diesel; para el caso especfico de estas mezclas sus caractersticas deben ser similares a las del petrleo D-2. Si los porcentajes de los aceites vegetales (soya, oliva y soya) son mayores del 10% en la mezcla; sus caractersticas difieren respecto al petrleo D-2; por lo tanto, no pueden emplearse como combustibles para los motores Diesel. Las caractersticas fsico-qumico de las mezclas con 10% de aceites vegetales (anlisis efectuados para mezclas de D-2 con aceite de soya, oliva y soya), permiten obtener los siguientes resultados: La gravedad API para las mezclas tiene valores

mayores con respecto al D-2. El punto de infamacin tiene valores ms altos

que el D-2, lo que permite trabajar con las mezclas a mayores temperaturas.

La viscosidad SSU a 100F, con respecto al D-2, tiene valores ms elevados, dependen de la viscosidad del aceite vegetal usado.

El punto de escurrimiento, para la mezcla es menor que el D-2, este valor para las mezclas permiten trabajar a menores temperaturas en el motor Diesel.

Azufre total, para las mezclas, el contenido de azufre es menor que en el D-2.

Cenizas, el contenido de cenizas en las mezclas es inexistente.

Agua y sedimentos es nulo tanto en las mezclas como en el D-2.

Corrosin, para las mezclas y para el D-2 tiene un mismo valor.

Poder calorfico, el valor del D-2 es mayor que las mezclas, lo que se requerir mayor cantidad de mezcla. Para obtener el mismo calor para la combustin.

ndice de cetano, la mezcla tiene menores valores que el D-2.

Destilacin, en el punto inicial de las mezclas es mayor que el D-2, este tiene mayor cantidad de

productos voltiles que las mezclas. En el punto final de ebullicin, los valores de las mezclas son menores que el D-2. Basndonos en el anlisis fsico - qumico de las mezclas de aceites vegetales y D-2 y en su empleo como combustibles en los motores Diesel influirn las siguientes caractersticas:

Viscosidad. Las mezclas, presentan un aumento de su viscosidad, debido a la alta viscosidad de los aceites vegetales, siendo una propiedad fsica del combustible influir sobre el proceso de formacin de la mezcla y combustin, ya que determinar la calidad de pulverizacin del combustible. Las fuerzas de friccin interna reducen las perturbaciones en flujo durante su movimiento en el pulverizador, en consecuencia, con el aumento de la viscosidad empeoran la finura y la uniformidad de la pulverizacin del combustible. Entonces al aumentar la viscosidad, la penetracin del dardo o chorro en el medio gaseoso de la cmara de combustin se incrementa, favoreciendo a la homogenizacin de la mezcla aire- combustible; pero existe una limitacin al respecto, ya que si la viscosidad es muy alta, las gotas del combustible pulverizado son ms grandes, por lo que necesitan ms tiempo en fraccionarse en gotas ms pequeas, incrementndose el perodo de retraso de la infamacin y la emisin de carbonilla en el motor Diesel. De lo mencionado se puede establecer que para las mezclas de petrleo D-2 con aceites vegetales existe un porcentaje de aceite vegetal ptimo para el volumen total de la mezcla, esta mezcla optima tendr una caracterstica fsica de viscosidad tal que la mezcla en la cmara de combustin ser ms homognea, mejorando as el consumo especifico efectivo de combustible (ge) y la emisin de car-bonilla (holln). Adems al aumentar la viscosidad del combustible ser necesario incrementar la presin de inyeccin, para mejorar la finura y la homogeneidad de la pulverizacin. Densidad. Las densidades de las mezclas de petrleo D-2 con aceites vegetales presentan mayores valores, comparadas con el petrleo D-2 solo. Los parmetros indicados del motor dependen de la densidad del combustible: Cuando la densidad aumenta, el mximo valor de potencia indicada (Pi) disminuye; esta disminucin ser ms evidente para un alto incremento en la densidad del combustible, adems el consumo especifico de combustible y la cantidad de emisin de humos se incrementan.

La presin mxima del ciclo (Pz) y la rigidez (Dp/D) a medianas y elevadas cargas disminuyen a medida que aumenta la densidad del combustible (Dc). A pequeas cargas, cuando la temperatura de las paredes que limitan la cmara de combustin consid-erablemente disminuye (Pi < 0,55 MPa), el mejor aprovechamiento de calor se logra cuando trabaja con combustible Diesel con Dc=0,82 g/cm3.


Entonces el porcentaje de aceite vegetal presente en el volumen de la mezcla es ptimo cuando al aumentar la densidad, el porcentaje de disminucin de la potencia es pequeo. Nmero de Cetano. La gravedad API de las mezclas es menor porque tienen una densidad mayor respecto al petrleo D-2; por lo tanto las mezclas presentarn bajo nmero de cetano. Al disminuir el nmero de cetano se reduce la capacidad del combustible a la auto inflamabilidad, lo que hace necesario incrementar el ngulo de adelanto de la inyeccin de las mezclas con respecto al ngulo para el Diesel 2. En caso contrario el periodo de retraso a la infamacin crece en duracin, en la fase de combustin rpida el valor de Dp/D D resulta elevado. Debido a esto la presin se eleva bruscamente y la presin mxima (Pz) es muy alta. Azufre. Al disminuir el nivel de azufre en las mezclas; con lo que se reduce el nivel de emisiones y el desgaste del motor.

Metodologa del Trabajo de Investigacin

ETAPA

CARACTERSTICAS

EN FUNCIN A: 1 Regulacin -% aceite vegetal en mezcla con D-2. - Presin de inyeccin. - ngulo de adelanto a la inyeccin -Posicin de la cremallera (suministro de combustible)

2 Velocidad - Velocidad de giro del eje cigeal

3 Carga - Potencia del motor Diesel (suministro de combustible).

Especificaciones Tcnicas del Motor Diesel

Marca Petter Modelo PHW Nmero de cilindros 1 Dimetro del cilindro 87,3 mm Cmara del embolo 111 mm Cilindrada 0. 659 litros Relacin de compresin 16.5 : 1 Potencia nominal 4,8 kW @2000 rpm Torque mximo 25,7 N-m @1400 rpm Angulo de avance a la inyeccin 28 Formulas Empleadas para los Clculos: Poder Calorfico de la Mezcla:

Nmero de cetano de la mezcla:

Donde: NCD2 :Nmero de cetanodeliJetrleoDiesel2 NCx : Nmero de cetano del aceite vegetal D2 : Viscosidad del petrole Diesel2 x : Viscosidad del aceite vegetal NCM : Numero de cetano de la mezcla


Clculo del consumo especfico de combustible (ge):

ge = 1000x Ge Ne (3)

Donde: Ge: Consumo especfico de combustible. Ge: Gasto de combustible (G/h). Ne: Potencia efectiva del motor (Ne).

ANLISIS DE RESULTADOS

Los valores del porcentaje en volumen ptimo de aceite, segn se observa en la figura 1, en los cuales se obtienen los mnimos consumos especficos de combustible (geMIN), son los siguientes:

Mezclas

geMIN (g/kW-h)

Para % aceite / Mezcla ge MIN Petrleo + Soya 323.14 6%

Petrleo + Maz 314.55 6% Petrleo + Oliva 271.74 5%

Fig. 1: Consumo especfco del motor Diesel en funcin al % en volumen de aceite vegetal en la mezcla Los valores del porcentaje de aceite en volumen para los cuales se obtiene el mnimo nivel de humo (B MIN), segn se observa en la figura 2, son los siguientes:

Mezclas BMIN (u.Bosch)

% aceite/ mezcla geMIN

Petrleo + Soya 4.03 5% Petrleo + Maz 3.68 6% Petrleo + Oliva 3.20 5%

Entonces con respecto al uso del petrleo

Fig.2: Nivel de carbonilla del motor Diesel en funcin del % en volumen de aceite vegetal en la mezcla D-2, las variaciones del consumo especifico de combustible (ge) empleando las mezclas de petrleo Diesel 2 con aceites vegetales, expresadas en porcentajes, para D= 27.5, son:

Dge MIN % Petrleo + Soya /Petrleo Diesel 2 -11.45 Petrleo + Maz /Petrleo Diesel 2 -13.95 Petrleo + Oliva /Petrleo Diesel 2 -15.31

Fig.3: Consumo especfco de combustible del motor Diesel en funcin al ngulo de adelanto de la inyeccin Entonces con respecto al uso del D-2, las variaciones del consumo especifico de combustible (ge) empleando las mezclas, expresadas en porcentajes, para PINY= 215lb/pulg2 son:


Las partculas de combustible muy finas, que son


caractersticas de la presin ptima (PINY >PINY OPT), se evaporan cerca de la boquilla del inyector, dificultando la llegada del combustible a las zonas alejadas de la cmara de combustin; formndose una mezcla con zonas sobre enriquecidas, producindose la disminucin de los parmetros efectivos del motor.

Fig.4. Consumo especfico de combustible del motor Diesel en funcin de la presin de inyeccin

Entonces con respecto al uso del petrleo Diesel 2, las variaciones del consumo especifico de combustible (ge) empleando las mezclas de petrleo Diesel 2 con aceites vegetales, expresadas en porcentajes, para Ne= 3.96 kW, son:


Al disminuir la carga, incrementndose D, el rendimiento indicado (Di) se eleva mientras que la presin mxima (Pz) disminuye, mejorando as el consumo especfico (ge). Despus de alcanzar el mnimo consumo especifico (ge MIN), este aumenta debido a que a las menores cargas, cercanas al vaco, se observa una disminucin de Di (eficiencia indicada) y la elevacin de gi (consumo especifico indicado), la temperatura dentro de la cmara de combustin baja por el aumento de Dv, siendo mayor el coeficiente de exceso del aire (D), por esto el perodo de retraso a la infamacin aumenta, y tambin el tamao de las gotas del combustible pulverizado. Tambin a consecuencia de esto la presin indicada del ciclo Pi disminuir, porque slo una parte del combustible se quemar en pequeas zonas de la cmara de combustin.

Fig.5: Variacin del consumo especifico de combustible en funcin de la potencia

ANLISIS DE COSTOS

Las caractersticas del costo especfico de combustible se obtiene a partir del consumo especfco de combustible mediante la siguiente ecuacin:

Ke = C*ge (4) 10900 *

Siendo Ke : Constituye el costo especfico de combustible ($/kW-h) Ge : constituye el consumo especfico de combustible (g/kW-h) C : Constituye el costo por galn del petrleo ($) : Constituye la densidad del petrleo (g/cm3)

Las densidades y los costos por galn de los combustibles se presentan a continuacin:

Combustible Costo por galn ($/gal)

Densidad (g/cm3)

Petrleo Diesel 2 Petrleo + soya Petrleo + maz Petrleo + oliva

4,00 4,69 6,65 6,30

0,84 0,8496 0,8499 0,8486

Las variaciones de costo especfico de combustible (Ke) al emplear las mezclas de petrleo Diesel 2 con los aceites vegetales, con respecto al empleo de petrleo D-2 solo, expresadas en porcentaje, son: Las mezclas de petrleo D-2 con aceite de oliva y de maz consiguen los mejores rendimientos en el motor Peter, pero sus costos especficos son mayores, siendo ms elevado el costo de la mezcla de D-2 con aceite de maz. Con la mezcla de petrleo Diesel 2 y aceite de soya se mejoran las prestaciones del motor en un menor porcentaje que las otras mezclas, pero su costo especifico es menor que el petrleo D-2.


Dge MIN % Petrleo + Soya /Petrleo Diesel 2 -1.34 Petrleo + Maz /Petrleo Diesel 2 +13.59 Petrleo + Oliva /Petrleo Diesel 2 +2.57

Fig. 6. Costo especfico de combustible vs velocidad.

CONCLUSIONES

1. Al mezclar petrleo D-2 con los aceites vegetales (maz, oliva y soya), varan las caractersticas fsico-qumicas; se eleva la viscosidad y la densidad y disminuye el Nmero de Cetano.

2. De los aceites vegetales que se ensayaron en el motor Petter monocilin-drico, el aceite vegetal ms apropiado a ser empleado en mezcla es el aceite de soya.

3. Durante el arranque y el apagado del motor Diesel, deber emplearse D-2 y luego de

alcanzar la temperatura ptima de funcionamiento: mnimo 70 grados se puede

introducir la mezcla. 4. Las regulaciones para emplear aceites vegetales

con el D-2 son los siguientes: -El ngulo de adelanto a la inyeccin es de 28. -La presin de inyeccin es de 220 lb/ pulg2

5. Los porcentajes ptimos en volumen de los aceites vegetales que se emplearon son:

-Aceite de soya y aceite de maz, con respecto al volumen de la mezcla es 6%.

-Aceite de oliva con respecto al volumen de la mezcla es 5%.

6. Las regulaciones necesarias para poder emplear la mezcla de petrleo D-2, con respecto al suministro de combustible son: - Con aceite soya y de oliva, cremallera de la bomba de inyeccin es de 15mm - Con aceite de maz, cremallera de la bomba de inyeccin es de 15,25 mm.

7. Para los motores Diesel se presenta como una

alternativa el empleo de mezclas de petrleo Diesel 2 con aceites de soya y de oliva, debido a la mejora de sus parmetros de economa y ecologa, a pesar de que se observa una pequea disminucin en los parmetros de potencia, y un ligero aumento del costo especifico en el caso del aceite de oliva y una ligera disminucin para el caso, de la mezcla con aceite de soya. La mezcla con aceite de maz no se recomienda debido a su alto costo especfico.

RECOMENDACIONES

1. Los ensayos del empleo de combustibles vegetales en mezcla con el petrleo

2. D-2, debern ser efectuados en motores Diesel de seis (06) u ocho (08) cilindros instalados en vehculos de transporte urbano o de otro uso, a efecto de poder corroborar estos resultados o verificar su validez en condiciones reales de operacin y funcionamiento.

3. Debido al bajo presupuesto no se pudo visualizar el estado tcnico de los componentes principales del motor: anillo, guas de vlvulas, inyector y otros, que deberan ser verificados

BIBLIOGRAFA

1. Patrakaltsev, Lira y otros; Toxicidad en los Motores de Combustin Interna; Instituto de Motores de Combustin Interna - U.N.I.; Lima, Per; 1993.2.

2. Jovaj M. S.; Motores de Automvil; Editorial MIR; Mosc; 1982.Walsh, M.; Gestin de los problemas Ambientales de la Motorizacin; 1991.

3. Lukanin; Motores de combustin interna Editorial Mir, 1988, Mosc.

4. IMCI UNI; Experimentacin y clculo de motores de combustin interna 1995, Lima.

5. Arias Paz; Manual de Automviles Editorial Dossat, 1974, Madrid.

6. Morosov; Soluciones a los problemas de desarrollo de los Motores de Combustin Interna, Editorial APEGUS, 1988, Lima.

7. Obert, Edward; Motores de Combustin Interna, editorial CECSA, 1996, Mxico


ONDA DE CHOQUE TRMICA SHOCKWAVE THERMAL

Csar A. Quispe G. _____________________________________________________________________________________

RESUMEN

En el presente anlisis terico, se describe la formacin de ondas de choque trmicas que son producidas por la entrega de calor localizada. Se efecta el anlisis general considerando que el flujo cambia de propiedades fsicas al atravesar esta onda. As tambin, para casos prcticos; se observa que estas propiedades varan levemente en un amplio intervalo de temperatura, por lo que tambin se analiza la formacin de esta onda sin variacin de las propiedades fsicas del flujo; demostrando que en el flujo no solamente pueden aparecer ondas de choque dinmicas, si no tambin ondas de choque trmicas.

ABSTRACT

In this theoretical analysis, it is described the formation of thermal shock waves that are produced for the delivery of localized heat. General analysis is made considering that the flow changes of physical properties when go through this wave. Also, for practical cases, it is observed that these properties vary slightly in a wide temperature range, so it is also analyzed the formation of this wave with no change in the physical properties of flow, demonstrating that in the flow can occur not only dynamic shock waves, but also thermal shock waves. _____________________________________________________________________________________

INTRODUCCIN

En la prctica, el carcter del movimiento del fluido a travs de conductos de forma cualesquiera se determina por el grado de interaccin sobre el fluido. Muy comnmente una de ellas corresponde a la interaccin geomtrica, cuando tiene a lugar solo la variacin del rea de la seccin transversal del conducto. Si se toma en cuenta que el flujo se mueve en forma unidimensional a lo largo del eje x, y teniendo en cuenta la ecuacin de continuidad, sta se puede escribir bajo una forma diferencial de la siguiente manera:

Despus de realizar evidentes transformaciones, se puede arribar a la forma comn y bastante estudiada:

Si se define el coeficiente adimensional de velocidad, llamado tambin Mach crtico M* como: Velocidad crtica del sonido

..

Haciendo las transformaciones correspondientes se puede obtener:

Lo que al ser llevado a la ecuacin (a) nos da como resultado la ecuacin diferencial que enlaza la variacin de la velocidad con la variacin de rea:

Pero el aceleramiento del fluido no solamente puede darse en conductos cuya rea de la seccin transversal vara constantemente; tambin puede darse en conductos cuya rea transversal permanece constante, pero estn bajo condiciones de intercambio o transferencia de calor. En efecto, bajo la condicin de gasto msico constante, para un conducto de rea transversal constante se puede escribir:

bajo la condicin: P* = const : diferenciando la ecuacin de estado respecto a x se puede obtener:

despus de reemplazar en esta ecuacin el valor de la variacin de la densidad calculada anteriormente se obtiene:


si de esta ecuacin se excluye dp/dx con ayuda de la ecuacin de Euler para el movimiento unidimensional y realizando transformaciones elementales, teniendo en cuenta que a2 = ksr se obtiene una ecuacin de la forma:

Si la parte derecha de esta ecuacin se reemplaza por la ecuacin de energa, de la forma:

donde q es la cantidad de calor transmitida por unidad de masa, entonces la ltima ecuacin se puede rescribir como:

multiplicando toda la expresin por

k = permite obtener finalmente:

De aqu se puede realizar el anlisis de las diversas posibilidades de variacin de la velocidad del flujo en funcin de la transferencia de calor. En relacin a esto, es necesario analizar un caso muy particular e importante, que ocurre cuando la transferencia de calor ocurre en forma concentrada; es decir, en un pequeo tramo del canal a travs del cual el gas fluye continuamente y en este caso, esta seccin se puede considerar de rea constante. Esta forma de intercambio de calor concentrado ocurre durante el proceso de combustin, fenmenos de detonacin o reacciones qumicas. En estos casos, los parmetros termodinmicos y la velocidad del gas varan en forma de saltos (discontinuidades) formando lo que se conoce como onda de choque trmica. Para el clculo de las discontinuidades trmicas, se debe analizar una zona del canal de longitud infinitesimal, en la direccin del flujo, suponiendo que por toda la seccin de esta zona se produce un intercambio uniforme de una cantidad determinada de calor por unidad de masa.

Si se designa con el subndice 1 los parmetros del flujo antes de la onda de choque trmica y con el subndice 2 los parmetros del flujo despus de ella, adems de considerar que los eventos de difusin, conductividad trmica y la influencia del rozamiento son sumamente pequeos como para poder despreciarlos, as tambin que el gas toma la forma ideal, fsicamente homogneo hasta antes de la onda y

despus de ella, pero que en la zona donde se produce la onda de choque trmica, la cual se ha de considerar normal; el calor especfico y el ndice isoentrpico del proceso variar en forma de salto.

Para este caso, las ecuaciones bsicas de entrada sern las siguientes: Ecuacin de continuidad:

Ecuacin de cantidad de movimiento:

Ecuacin de conservacin de energa:

q- Cantidad de calor transmitido por unidad de masa. La ecuacin de conservacin de energa puede expresarse a travs de la entalpa y temperatura de estancamiento de la siguiente manera:

Adems, se deber tener en cuenta la ecuacin de estado del gas ideal para el flujo antes y despus de la onda de choque trmica:

Para encontrar la solucin, se debe resolver conjuntamente las ecuaciones (1), (2) y (3). Para esto, de la ecuacin (3) se puede obtener

con ayuda de la ecuacin de estado se puede transformar la ecuacin anterior en:

La temperatura despus de la onda se elimina con ayuda de la ecuacin de energa (3):


Reemplazamos el valor de T2 en la ecuacin (5):

Para continuar, se ha de introducir en esta ecuacin el concepto de velocidad adimensional. Ya que la entalpa de estancamiento y el ndice isoentrpico vara al cruzar el flujo por la onda de choque trmica, entonces las velocidades crticas no deben ser iguales; es decir, estas se expresaran de la siguiente manera:

La relacin de los cuadrados de las velocidades crticas pueden ser encontradas a partir de la ecuacin (6) bajo la forma:

donde:

Considerando, que as mismo: La ecuacin (10) se simplifica para el caso

Despus de ciertas transformaciones la ecuacin (8) se muestra como:

Donde:

Resolviendo la ecuacin (9) se obtiene la velocidad adimensional tras la onda:

particular en que las propiedades fsicas del gas no varan en la onda de choque trmica. En este caso es por eso que:

Las ecuaciones 10 y 11 muestran que

Tericamente es posible la existencia de cuatro tipos de ondas de choque trmicas normales, que responden a la condicin M>1 y M1 y 2> 1.

A su vez, en realidad no es posible la realizacin de aquellas ondas de choque trmicas que corresponden a velocidades 1>1 y 2> 1 , ya que en este caso es necesario extraer calor del flujo, lo cul es imposible. As mismo, tampoco se podr realizar la onda trmica cuando 1>1 y 2> 1 ya que estas ondas se moveran respecto al fluido que se encuentra antes de la onda con velocidad supersnica y su aparicin no debera reflejarse en el estado del gas. En consecuencia, solo es posible la realizacin de las ondas trmicas de dos tipos: 1>1 y 2> 1 lo que origina una onda de choque trmica producida por un flujo supersnico en el cual la transferencia de calor va acompaado de la compresin del gas (p2>p1). 1>1 y 2> 1, lo que origina una onda subsnica en la cual la transferencia de calor va acompaada de un proceso de expansin del gas (p2


ESTUDIO Y ANLISIS FLUIDODINAMICO EN RGIMEN SUPERSONICO DEL SOPORTE ANTENA TIPO: SPIKE-RO PARA SU UTILIZACION EN UN COHETE SONDA

FLUID DYNAMIC STUDY AND ANALYSIS IN SUPERSONIC REGIMEN OF SUPPORT OF ANTENNA TYPE: SPIKE-RO FOR USE IN A ROCKET PROBE

Csar J. Quispe _____________________________________________________________________________________

RESUMEN

El presente trabajo, responde a la necesidad de conocer las condiciones de trabajo a la cual estar expuesta el elemento cilndrico cermico, que se encuentra en el soporte de antena, cuando se generen cargas de presin en este, al moverse junto con el cohete sonda a velocidades supersnicas. El desarrollo del trabajo, se realiza en dos aspectos: El primer aspecto es el anlisis estructural del el-emento cilndrico cermico, obteniendo la resistencia y deformacin de la pieza a diferentes condiciones de carga (Presin). Identificando una deformacin mxima considerando un factor de seguridad FS, segn el criterio de Mximo esfuerzo normal (En este articulo solo se presenta el resultado del anlisis estructural).Y el segundo aspecto es el anlisis fluidodinmico, de la ojiva, soporte de antena y elemento cilndrico cermico (Al cual, est referido el presente artculo). Generando un tnel de viento supersnico virtual y en l, determinar las condiciones de carga de presin que se dan en el elemento cilndrico cermico segn su rgimen de flujo (numero de Mach), con sus respectivas variantes como una nueva posicin del elemento cermico y con un ngulo de inclinacin respecto a la direccin de vuelo. Finalmente, identificar estas condiciones de rgimen y presin en los resultados del anlisis estructural del elemento cilndrico cermico y poder estimar una posible falla o descartar la misma

ABSTRACT

This paper responds to the need to know the conditions of work which will be exposed the cylindrical ceramic element, which is located in the antenna support when creating pressure load on it, moving along with the rocket probe at supersonic speeds. The development work is done in two aspects: The first is the structural analysis of the cylindrical ceramic-element, obtaining strength and deformation of the workpiece to different load conditions (pressure). Identifying a maximum deflection considering a safety factor "FS", according to the criterion of maximum normal stress (in this article it is only presents the results of structural analysis). And the second aspect is the fluid dynamic analysis of the warhead, support of antenna and cylindrical ceramic element (which is mentioned in this article). Generating a virtual supersonic wind tunnel and on it, determine the load of pressure that occur in the cylindrical ceramic element according to their flow regime (Mach number) with their respective variants as a new position of the ceramic element and an angle to the direction of flight. Finally, to identify these conditions of regimen and pressure in the results of structural analysis of cylindrical ceramic element and to estimate possible failure or exclude it. ________________________________________________________________________________________

INTRODUCCIN

Los problemas de la ingeniera relacionados con el flujo de fluidos y transferencia de calor, requieren la solucin de un conjunto de ecuaciones diferencial

revista cientifica cedit - 2006

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