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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA El enlace

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

“Año de la consolidación del Mar de Grau”

2017

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Informe N°4

MEDICION DE POTENCIA Y VELOCIDAD

CURSO:LABORATORIO ING. MECANICA I

PROFESOR:Ing. CHAVEZ LIZAMA FEDERICO INTEGRANTES: APELLIDOS Y NOMBRES CÓDIGO CASTRO CAMARENA DIEGO AQUILES

20144528G

INCA ESPINOZA JOSUE REYES REYES EMERZON

20141024H 20141025D

ROCA RONDINEL 20094133D YAURI QUISPE JHAIRO

20131373J

FECHA EN LA QUE SE REALIZO EL ENSAYO:

24/04/2017

FECHA EN LA QUE SE ENTREGA EL INFORME: 08/05/2017

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CONTENIDO

Pág. 1.

RESUMEN TECNICO

2.

OBJETIVOS

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO

4.

EQUIPOS Y MATERIALES

5.

EQUIPOS Y MATERIALES

6.

CÁLCULOS Y RESULTADOS

8.

CONCLUSIONES

7.

RECOMEDACIONES

7.

OBSERVACIONES

9.

BIBLIOGRAFÍA

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1. RESUMEN TECNICO En el presente informe técnico se realiza con la finalidad de llegar a conocer los diferentes métodos para la medición de la potencia indicando en cada uno de estos el procedimiento y los equipos necesarios para realizarse. En la primera parte de la experiencia se mide la potencia que entrega el motor eléctrico Broomwade al compresor, empleando para ello un dinamómetro y un contador; en esta misma experiencia también se llega a medir la potencia que ejerce el compresor, para ello se usa un indicador de diagrama del tipo pistón y un planímetro. En la segunda parte de la experiencia se realiza la medición de la potencia al eje de la Turbina Francis mediante una cinta de freno a diferentes cargas, y como un segundo método se emplea un tacómetro digital. Finalmente se mencionan las observaciones y conclusiones de las experiencias realizadas.

Los autores

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2. OBJETIVOS 

Aprender los diferentes métodos para la medición de la potencia y comparar su efectividad de cada una de ellas.



Conocer los diferentes tipos de potencia que se pueden medir en una máquina y las relaciones que se pueden definir entre ellas.



Conocer el funcionamiento de los diferentes equipos de medición de potencia.



Determinar la potencia indicada, potencia al eje y la potencia eléctrica del compresor de baja presión, así como su eficiencia mecánica.



Encontrar la potencia al eje (Potencia mecánica) que entrega la Turbina Francis a partir de los datos que nos da el freno de cinta (Prony).



Encontrar la potencia hidráulica que genera la Turbina Francis a partir de datos de alturas, debido a la caída de agua.



Analizar los diferentes valores de la velocidad angular del eje de la turbina al ser sometido a un frenado al agregar peso a la cinta.

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3. FUNDAMENTO TEORICO VELOCIDAD ANGULAR: En física, específicamente en mecánica, la velocidad angular ω (también conocida como frecuencia angular o pulsación) es una medida de la velocidad de rotación. Se mide en radianes por segundo (o simplemente s-1 porque los radianes son adimensionales). La razón de ello es que una revolución completa es igual a 2π radianes:

Cuando T es el período y f es la frecuencia. TACÓMETRO DIGITAL: Medición a distancia este Tacómetro Digital ofrece una lectura rápida y precisa de las RPM y de velocidad en superficie a través de la rotación de objetos, sin necesidad de contacto.

TAQUÍMETRO: Medidor de revoluciones que se emplea para indicar la velocidad de avance instantánea. Esta ha sido la medida que más a interesado al automovilista, puesto que se tomaba como el índice más importantes de las prestaciones de un vehículo; por esta razón, el tacómetro (velocímetro) ha sido uno de los primeros instrumentos utilizados en un vehículo.

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POTENCIA POR FRICCIÓN (FRENO PRONY): El freno consta de un brazo, sobre el que van montados un dinamómetro y una rueda, que tiene adosada una cincha de alto rozamiento. Esta rueda es la que se conecta al eje del motor del cual se quiere medir su potencia. El ajuste de la cincha es variable, pudiéndose controlar así el torque de carga aplicado al motor. Este freno provee una forma sencilla de aplicar un torque de carga al eje principal de salida de un motor. La potencia de salida es disipada en forma de calor por el material del freno. Ajustando la fuerza del freno, se puede cambiar la fuerza del torque. Combinando la medición de este torque (mediante un dinamómetro colocado en el brazo del freno, a una distancia conocida del eje del motor) con la medición de velocidad de rotación del eje, puede calcularse la potencia de salida del motor.

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La potencia por fricción se halla comúnmente por diferencia entre la potencia indicada y la potencia en el eje o entregada:

FHP= IHP-BHP

Diagrama de cuerpo libre

W +f =D f =D−W

PB =f ×R×ω

Donde: f

: Fuerza de fricción.

W: Carga. D : Fuerza registrada en el dinamómetro. R : Radio de la volante. PB: Potencia al eje. : Velocidad angular (rad/s)

TURBINA FRANCIS:

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El agua a presión va a una cámara espiral en forma de caracol, cuya misión es repartir el caudal por toda la periferia del rodete. Una serie de álabes fijos se encargan de canalizar correctamente las líneas de flujo del agua Entre esta hilera de álabes fijos y el rodete se encuentra una segunda fila de álabes móviles o palas directrices que constituyen lo que se denomina el anillo distribuidor. El distribuidor permite regular el caudal de la turbina sin que las venas líquidas sufran desviaciones bruscas o contracciones, permitiendo un rendimiento elevado incluso con cargas reducidas. Estos álabes móviles pueden girar alrededor de un eje paralelo al eje de la máquina, y el movimiento de cierre es simultáneo para todos ellos DINAMÓMETRO: Se denomina dinamómetro a un instrumento utilizado para medir fuerzas. Fue inventado por Isaac Newton y no debe confundirse con la balanza, instrumento utilizado para medir masas (aunque sí puede compararse a una báscula o a una romana). Normalmente, un dinamómetro basa su funcionamiento en un resorte que sigue la Ley de Hooke, siendo las deformaciones proporcionales a la fuerza aplicada. Estos instrumentos consisten generalmente en un muelle contenido en un cilindro de plástico, cartón o metal generalmente, con dos ganchos, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan marcada una escala, en unidades de fuerza, en el cilindro hueco que rodea el muelle. Al colgar pesos o ejercer una fuerza sobre el gancho inferior, el cursor del cilindro inferior se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza. Los muelles que forman los dinamómetros tienen un límite de elasticidad. Si se aplican fuerzas muy grandes y se producen alargamientos excesivos, se puede sobrepasar el límite de elasticidad y sufrir el muelle una deformación permanente, con lo que se inutilizaría el dinamómetro. Los dinamómetros los incorporan las máquinas de ensayo de materiales cuando son sometidos a diferentes esfuerzos, principalmente el ensayo de tracción, porque miden la fuerza de rotura que rompen las probetas de ensayo.

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Los

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dinamómetros suelen ser usados en la ortodoncia para medir las fuerzas aplicadas por el tratamiento.

POTENCIA Es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, según queda definido por: Donde:   

P es la potencia E es la energía o trabajo y t es el tiempo

POTENCIA INDICADA (PI): La potencia indicada que es la que se le entrega a la sustancia que se comprime en el compresor. La potencia se define como:

Potencia=

Trabajo Pr esión×Volumen = Tiempo Tiempo

Presión: Usamos la presión media indicada de un ciclo termodinámico obtenida con ayuda del diagrama indicado proporcionado por el indicador del tipo pistón (pmi). Volumen: Se toma el volumen de desplazamiento máximo del cilindro.

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Tiempo: Es el tiempo para un ciclo termodinámico. Por lo tanto la potencia indicada será igual a:

Potindicada =

pmi �Vhi �N '�i 60 �t

Donde: Pmi: Presión media indicada de un ciclo en N/m2 Vhi: Volumen desplazado por el pistón N : RPM (para ciclo de 2 tiempos) V

τ :1

P

S = área del ciclo termodinámico K = constante del resorte L = longitud del diagrama Pmi =

P

.K

Pmi

S

l

La presión media indicada (Pmi) se obtiene con el indicador de diagrama que es un instrumento proveído de un soporte que nos registra el ciclo termodinámico que se suscita en escala reducida.

Pmi=

SxK L

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COMPRESOR: Los compresores funcionan mediante el principio adiabático por el cual se introduce el gas en su cilindro por sus válvulas de entrada, se retiene y se comprime dentro del cilindro para salir por las válvulas de salida en contra de la presión de la descarga. PLANÍMETRO: Los ingenieros o científicos deben calcular en ocasiones superficies irregulares o en perspectiva, como por ejemplo mapas o manchas, en estos casos la geometría clásica o incluso la geometría analítica no son suficientes y no prestan mayor utilidad. Por ello es necesario recurrir a una herramienta de medición específica para tal fin, el planímetro es una buena y fácil alternativa. Instrumento utilizado para el cálculo de áreas irregulares. Este modelo se obtiene en base la teoría de integrales de línea o de recorrido. Para poder calcular el área A de la sección irregular, según la teoría del cálculo se emplea una integral de línea en sentido contrario a las manecillas del reloj (para resultado positivo). Pero el vector r no es fácilmente implementable en la vida real ya que se tiene un largo y un ángulo variables. Para simplificar la implementación del vector r, se recurre a la suma de dos vectores cuyo módulo es constante, pero se tendrían dos ángulos variables, los cuales son sencillos de medir.

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4. EQUIPOS Y MATERIALES 

TURBINA FRANCIS

Especificaciones técnicas de turbina Francis Marca

:

ARMFIELD HIDRAULIC ENGINEERING Co. Ltd. RINGWOOD HARTS, ENGLAND.

Tipo

:

Ns 36 MK2.

Potencia

:

2,5 BHP.

Velocidad

:

1000 RPM.

Tamaño nominal del rodete

:

6 “.

Velocidad especifica

:

36 RPM.

Altura neta

:

20 pies.

Velocidad de embalamiento máximo:

1800 RPM.

Diámetro de la volante

:

12 “.

Diámetro de la entrada

:

6 “.

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TACOMETRO DIGITAL

PESAS

DINAMOMETRO

BOMBA

CINTA DE FRENO PRONY

MANOMETRO ASHCROFT

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REGLA



COMPRESOR DE DOS ETAPAS Dos motores eléctricos

PRIMERA ETAPA (BAJA PRESIÓN) Numero de cilindros Carrera Diámetro interior Volumen de desplazamiento Volumen muerto Presión máxima Relación de velocidades, motor-compresor Eficiencia de la transmisión Rango de velocidades

2 101,6 mm 101,6 mm 1,647 litros 29.5 cm3 10,3 bar 3:1 0,98 300-500 RPM

SEGUNDA ETAPA (ALTA PRESIÓN) Numero de cilindros Carrera Diámetro interior Volumen de desplazamiento Volumen muerto Presión máxima Relación de velocidades, motor-compresor Eficiencia de la transmisión Rango de velocidades

INDICADOR DE DIAGRAMA TIPO PISTON-MAIHAK

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1 101,6 mm 76,2 mm 0,463 litros 28.2 cm3 13,8 bar 3:1 0,98 300-500 RPM

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TACOMETRO DIGITAL

TAQUIMETRO

DINAMOMETRO

CRONOMETRO DIGITAL

TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO

MANOMETRO BOURDON

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5. PROCEDIMIENTO COMPRESOR:



Antes de encender la maquina debemos calibrar el dinamómetro con el eje del motor y poner en cero el medidor de revoluciones.



Encender el motor y esperamos a que la presión del gas en el cilindro marque 5 psi.

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

Luego las revoluciones en el contador.



Se obtiene la grafica en el indicador de diagrama.

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

Leemos la corriente y el voltaje.



También medimos la distancia del brazo del eje del motor para hallar la

 

potencia al eje. Luego aumentamos la potencia del motor y repetimos el procedimiento. Hallamos el área de la grafica obtenida por el indicador de diagrama.

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TURBINA FRANCIS



Encendemos el motor y abrimos la válvula para que circule el agua.



Aumentando la fuerza que marca el dinamómetro con las pesas y apuntando con el tacómetro a la turbina medimos las revoluciones.

Luego aumentando el peso repetimos el paso anterior unas cinco veces.X

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6. CÁLCULOS RESULTADOS Y GRAFICAS

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7. CONCLUSIONES 

En la práctica se trabaja con valores promedio de la velocidad angular ya que el valor que entrega el tacómetro es un valor promedio.



En el experimento de freno Prony la capacidad de refrigeración del agua tiene un límite (la evaporación) por lo que este método se restringe al cálculo de potencia bajas.



La potencia mecánica de la Turbina Francis puede ser determinada de una manera indirecta utilizando el freno Prony, pero esto es solo aplicable a turbinas de pequeñas potencias.



Sea cual fuese el método es imposible obtener valores exactos de potencia útil debido a las diferentes perdidas en calor, rozamiento, etc. Por lo tanto el ingeniero debe ser consciente del error de cálculo para así minimizarlo en todo lo posible.



La potencia eléctrica es mayor a la potencia al eje, debido a que siempre existen perdidas mecánicas en el motor, de esto se concluye que la eficiencia del motor nunca es del 100%.



La potencia indicada es menor que la potencia al eje. Por tal motivo la energía mecánica que se tiene que entregar al eje del compresor es mayor que la necesaria para la compresión, en el valor de las pérdidas mecánicas.



En la turbina Francis se observa que cuanto más se aumenta el peso, la fuerza de fricción aumenta generando pérdidas de calor, y con ello también se genera un desgaste del material, por lo que es necesario mojar la superficie con agua.



A medida que aumentamos carga las RPM disminuyen debido a que se produce mayor fricción entre la faja y el canal del rodete.



A menor número de revoluciones aumenta la potencia al Eje y el Torque, la potencia es una función del Torque que se aplica.

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8. RECOMENDACIONES 

En la medición de potencia usando el freno Prony, se recomienda tomar las lecturas de los diferentes parámetros luego de un tiempo prudencial, ya que la fuerza de rozamiento disminuye poco a poco las revoluciones de la volante.



Cuando el dinamómetro con la correa "zapatean" se recomienda presionar ligeramente el eje de la aguja del dinamómetro con el dedo, a fin de restaurar el régimen constante de funcionamiento.



Debemos ir añadiendo en forma ascendente, pero gradual las pesas al dinamómetro, para evitar incremento brusco de la fuerza de fricción conllevando a ello el freno de la volante, que se detendría por la saturación.



A mayor cantidad de pesas que se colocan se produce un mayor rozamiento y se genera más calor, es decir que se libera más trabajo por ende en algún momento la máquina se parara.

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9. BIBLIOGRAFIA 

Seymour Doolittle, Jesse - Laboratorio del Ingeniero Mecánico Editorial Hispano Americana, Buenos Aires, 1971



Manual de Laboratorio de Ingeniería Mecánica. TOMO I, Profesores de Dpto. de Energía –FIM.



Mechanical Engineering Laboratory, J. Benton Jones – 2001



Cálculos en ingeniería química, David Mantner H .

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