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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
FACULTAD DE MECÁNICA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
TRABAJO DE TITULACIÓN
TIPO: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
“EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DEL PROPILENGLICOL
MEDIANTE LAADICIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE ALOFÁN”
AUTORES:
ALEX FERNANDO MARTÍNEZ QUISHPI
EDWIN ALEXIS VARGAS ROBAYO
2019

INTRODUCCIÓN
Este proyecto se presenta como una
alternativa para mejorar el desempeño de los
sistemas de refrigeración con la
incorporación de nanofluidos, debido a la
demanda actual.
El control de la transferencia de calor en
muchos sistemas de energía es crucial
debido al aumento en los precios de la
energía.
Según estudios realizados sobre nanofluidos
se demuestra que existe un incremento en
las propiedades termodinámicas de los
líquidos refrigerantes al añadir pequeñas
concentraciones de nanoparticulas.
Figura 1: Nanofluidos.

La utilización de alofán
que es una nanopartícula
natural o sintética, formado
por “óxido de silicio y
óxido de aluminio” en la
misma estructura; podría
servir para elaborar un
nanofluido.
INTRODUCCIÓN
Tabla 1: Estudios realizados de Nanofluidos.

OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
 Evaluar la capacidad calorífica del propilenglicol mediante la adición de nanopartículas de
alofán.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Compilar información relevante acerca del alofán y del propilenglicol.
• Realizar las pruebas experimentales en el equipo de refrigeración chiller para la obtención de
datos.
• Determinar la capacidad calorífica con diferentes concentraciones de propilenglicol.
• Realizar un análisis comparativo con resultados obtenidos en investigaciones anteriores sin
adición de alofán.

MARCO TEÓRICO
 NANOPARTÍCULA: Una nanopartícula se define como una partícula
microscópica con un tamaño que oscila entre 1-100 nm, la cual puede ser
artificial o natural. (Cueva y Nole, 2016: p.7).
 ALOFÁN: Es un aluminosilicato que presenta una gran área superficial y tiene
la forma de una esfera porosa con diámetro externo aproximado de 5.0 nm.
Figura 2: Forma del alofán.

NANOFLUIDO: Es la dispersión de nanopartículas en un fluido base (agua,
aceites, propilenglicol, etc.)
NANOREFRIGERANTE: Refrigerante con adición de nanopartículas para
mejorar propiedades: conductividad térmica.
CAPACIDAD CALORÍFICA: Es la cantidad de energía que se necesita para
aumentar la temperatura de una sustancia mediante la absorción de calor
sensible.
PROPILENGLICOL: Es un liquido incoloro completamente soluble en agua
utilizado como: anticongelante, fluido hidráulico, etc.
MARCO TEÓRICO

CHILLER
Figura 3: Elementos principales del
Chiller.

ADQUISICIÓN DE DATOS
Figura 4: Programación en
LabView.
SENSOR DE
CAUDAL
SENSOR DE
TEMPERATU
RA

ADQUISICIÓN DE DATOS
Figura 5: Programación en

MARCO METODOLÓGICO
• Centrifugado
• Espectro Infrarrojo
• Tamaño de nanopartículas
• Elementos presentes
• Caracterización en el SEM
• Sintesis
• Mezcla simultanea
• Regular pH
• Agitación a 400 rpm
• Agitación por 45 min

SINTESIS DELALOFÁN
Figura 6: Síntesis del Alofán.

CARACTERIZACIÓN DE LAS NANOPARTÍCULAS
DE ALOFÁN
Figura 7: Tamaño de nanopartículas de alofán en el SEM

CARACTERIZACIÓN DE LAS NANOPARTÍCULAS DE
ALOFÁN
Gráfico 1:Elementos presentes en el alofán
sintético.

ESPECTROSCOPÍA INFRARROJA
Espectro IR de alofán sintético
Espectro IR de alofán sintético con
varias concentraciones iniciales

DETERMINACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES
Gráfico 2: Temperatura vs porcentaje de
propilenglicol

DETERMINACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES
𝑉
𝑉 =
𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜
𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛
∗ 100
𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 = 𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 + 𝑉
𝑎𝑔𝑢𝑎
Donde:
𝑉
𝑉: concentración en volumen de solución (%)
𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜: volumen de soluto (propilenglicol o nanofluido) (l)
𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛: volumen de la solución (l)
𝑉
𝑎𝑔𝑢𝑎: volumen de agua

Volúmenes para la elaboración del Nanorefrigerante al
15% de Propilenglicol
Nombre Porcentaje (%) Cantidad (l)
Propilenglicol 15 27
Nanofluido 5 9
Agua 80 144
Total 100 180
Fuente: Autores

Volúmenes para la elaboración del Nanorefrigerante al
21% de Propilenglicol
Fuente: Autores
Nombre Porcentaje (%) Cantidad (l)
Propilenglicol 21 37,8
Nanofluido 5 9
Agua 74 133,2
Total 100 180

EXPERIMENTACIÓN Y ANALISIS DE
RESULTADOS

CURVAS DE ENFRIAMIENTO AL 15% DE
PROPILENGLICOL Y 0,5% DE ALOFÁN
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Temperatura
[°C]
Tiempo [min]
Válvula abierta al 50%
TEMPERATURA VS
TIEMPO

0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Caudal
[lt/min]
Tiempo [min]
CAUDAL VS TIEMPO

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO AL 15%
DE PROPILENGLICOL

TEMPERATURA VS TIEMPO
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Temperatura
[°C]
Tiempo [min]

CAUDAL VS TIEMPO
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Caudal
[lt/min]
Tiempo [min]

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO AL 21%
DE PROPILENGLICOL
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Venf
[°C/min]
Temperatura [°C]
Enfriamiento
Enfriamiento Rápido
Subenfriamiento
Enfriamiento
Lento

ANÁLISIS COMPARATIVO AL 15% DE CONCENTRACIÓN
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Temperatura
[°C]
Tiempo [min]
Propilenglicol-Alofán
Propilenglicol
Variación de la temperatura vs tiempo con la válvula abierta al 100%

-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Temperatura
[°C]
Tiempo [min]
Propilenglicol
Variación de la temperatura vs tiempo con la válvula abierta al 75%.

-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Temperatura
[°C]
Tiempo [min]
Propilenglicol
Variación de la temperatura vs tiempo con la válvula abierta al 50%.
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Temperatura
[°C]
Tiempo [min]
Propilenglicol

COMPARACIÓN DE LA VELOCIDAD DE
ENFRIAMIENTO AL 15% DE PROPILENGLICOL
Parámetros Propilenglicol Propilenglicol-
Alofán
Variación
V enfr.[°C/min] 0,22 0,32 0,10
Punto de
congelación[°C]
-4,3 -5,4 -1,1
Tabla 3: Resultados del análisis de la velocidad de enfriamiento prueba N°1.
Fuente: Autores.

-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Temperatura
[°C]
Tiempo [min]
Propilenglicol
Variación de la temperatura vs tiempo con la válvula abierta al 100% .

-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Temperatura
[°C]
Tiempo [min]
Propilenglicol

COMPARACIÓN DE LA VELOCIDAD DE
ENFRIAMIENTO AL 21% DE PROPILENGLICOL
Tabla 3: Resultados del análisis de la velocidad de enfriamiento prueba N°4.
Fuente: Autores.
Parámetros Propilenglicol Propilenglicol
-Alofán
Variación
V
enfr.[°C/min]
0,22 0,31 0,9
Punto de
congelación[°
C]
-7,19 -7,5 -0,31

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD
CALORÍFICA
Determinación de la constante del calorímetro
Determinar la masa de 75ml de agua fría y su temperatura, a continuación, vierta el agua en el
recipiente del calorímetro.
Determinar la masa de 75ml de agua caliente aproximadamente de una temperatura de 70°C y medir
su temperatura exacta.
Mezclar suavemente las dos sustancias utilizadas durante 3 minutos y determinar la temperatura final.
𝐾 = 𝑚2
𝑡2 − 𝑡3
𝑡3 − 𝑡1
− 𝑚1

Determinación del calor especifico del líquido refrigerante
Determinar la masa de 75ml de agua fría y su temperatura, a continuación, vierta el
agua en el recipiente del calorímetro.
Determinar la masa de 75ml del líquido refrigerante caliente aproximadamente de una
temperatura de 70°C y medir su temperatura exacta.
Mezclar suavemente las dos sustancias utilizadas durante 3 minutos y determinar la
temperatura final.
𝐶𝑒 =
𝐶𝑝(𝑚1+𝐾)(𝑡3−𝑡1)
𝑚2(𝑡2−𝑡3)
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD
CALORÍFICA

ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA CAPACIDAD
CALORÍFICA
Concentración Sin Alofán 0,5% Alofán Unidad
15%
Propilenglicol
717,07 722,51 kJ/°C
21%
Propilenglicol
684,30 687,57 kJ/°C

ANÁLISIS DEL CONSUMO DE ENERGÍA
𝑃𝑎 = 𝑉 ∗ 𝑖
𝑃𝑟 = 𝐹𝑃 ∗ 𝑃𝑎
𝑃𝑐 = 𝑃𝑟 ∗ 𝑡
𝑃𝑎 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 [𝑉𝐴]
𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑉
𝑖 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐴
𝑃𝑟 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑊
𝐹𝑃 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 −
𝑃𝑐 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 [𝑘𝑊ℎ]
𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 [ℎ]

ANÁLISIS DEL CONSUMO DE ENERGÍA
SOLUCIÓN Consumo de energía
del Chiller [kWh]
Ahorro de energía
[kWh]
Propilenglicol al 15% 2,85
0,91
(15%)
1,93
Propilenglicol al 21% 3,14 1,09
(21%)
2,05

CONCLUSIONES
Con la búsqueda y análisis de información relevante se logró entender de mejor manera
el proceso de refrigeración, así como también la implementación de nanofluidos que
ayuden a mejorar estos sistemas debido a que existe una gran demanda en esta área de
aplicación.
Mediante la caracterización en el microscopio electrónico de barrido se pudo observar
que las nanopartículas de alofán están dentro del rango nanométrico y tiene elementos
característicos del alofán que son: aluminio, silicio y oxigeno; mientras que el
espectrómetro infrarrojo permitió evaluar el espectro de vibración del alofán para
realizar la comparación con estudios anteriores donde se verifico que las nanopartículas
sintetizadas son de alofán.

CONCLUSIONES
En la caracterización en el microscopio electrónico de barrido se puede observar que algunas
partículas superan los 100 nm, existen aglomeraciones producidas por la combinación o unión
de las nanopartículas debido a que tienen un elevado nivel de energía en la superficie.
Se logró reducir el tiempo de enfriamiento de la solución aproximadamente de 120 min a 80
min para una concentración del 15% de propilenglicol con una apertura de válvula del 100%,
mientras que para la concentración del 21% de propilenglicol el tiempo disminuyó de 130 min
a 85 min.; con una apertura de válvula del 100% en la cual la bomba trabaja a su máxima
eficiencia.
La velocidad de enfriamiento al 15% de propilenglicol aumentó de 0,22°C/min a 0,310°C/min,
mientras que al 21% de propilenglicol aumentó de 0,221°C/min a 0,310°C/min; resultados
obtenidos con el 100% de apertura de válvula.

CONCLUSIONES
La medida del calor especifico se realizó experimentalmente porque no existen
tablas específicas para esta solución que nos proporcionen información necesaria,
los resultados obtenidos de la experimentación evidenciaron un leve incremento
en el calor especifico al añadir nanopartículas de alofán.
Debido a que existe una disminución en el tiempo de funcionamiento del equipo,
se reduce también el consumo de energía, lo que implica un ahorro de dinero al
tratarse de un equipo muy utilizado en industrias que requieren enfriar grandes
volúmenes.

RECOMENDACIONES
 Realizar pruebas con nanopartículas de alofán en equipos especializados que permita
saber el comportamiento de las propiedades termodinámicas como son: viscosidad, calor
especifico y conductividad térmica.
 Implementar un sistema de seguridad en el equipo chiller que pueda evitar daños en los
equipos, además de construir un tanque de menor capacidad para que se puedan hacer
pruebas con diferentes concentraciones de alofán, en virtud de que la adquisición de los
reactivos para la sintetización de alofán en cantidades grandes representa un costo
elevado.
 Aplicar métodos de dispersión de nanopartículas que permitan disminuir las
aglomeraciones y así obtener mejores resultados en la transferencia de calor de estos
sistemas de refrigeración.

RECOMENDACIONES
 Se recomienda la utilización del propilenglicol con la adición de
nanopartículas de alofán puesto que su nivel de contaminación es
relativamente bajo en comparación con los refrigerantes secundarios
tradicionales como son el etilenglicol cloruro de calcio, etc.
 Realizar investigaciones con nanopartículas de alofán natural en sistemas de
refrigeración, industria automotriz y otras áreas de aplicación, debido a que
en el país existen suelos volcánicos ubicados alrededor de la región sierra
centro-norte.

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