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• Andrés Amores

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EN ENERGIA Y MECANICA Carrera de Ingeniería Mecánica

ASIGNATURA: Laboratorio de Termodinámica Aplicada Tema: Ciclo Diésel

Realizado por:     

Miguel Arroyo Jose Polanco Santiago Moreno Ivan Tapia Ronny Tapia

Fecha: 26/Noviembre/2014

Práctica Nº2: Ciclo Diésel 1. OBJETIVO: Determinar la potencia indicada y la eficiencia de un motor a partir de diagramas de indicador para condiciones particulares de funcionamiento así como también su eficiencia mecánica. 2. TEORIA: DIAGRAMA DE INDICADOR.- Es el diagrama p-v real que representa un ciclo completo de trabajo del motor y que puede ser obtenido experimentalmente usando un indicador electrónico, a diferencia del mecánico que se usa en máquinas cuya velocidad de rotación es baja. La variación de presión en el cilindro es detectada por medio de una elemento (transductor) que luego la transforma en señal eléctrica. Dicha señal es amplificada y conducida a un osciloscopio en cuya pantalla se obtendrá el diagrama respectivo, en las coordenadas requeridas y conforme a las escalas escogidas; pudiendo obtener fotografías del mismo. PRESION MEDIA EFECTIVA INDICADA (PMEI).- Es la presión constante que actuando durante la carrera completa del pistón en su movimiento descendente, produciría la misma cantidad de trabajo obtenida durante un ciclo real completo. LA PMEI puede ser determinada directamente a partir del diagrama de indicador en base al análisis respectivo. Una vez determinada el área efectiva (𝐴𝑓 ) del diagrama de indicador; la PMEI, puede determinarse con la relación: 𝑃𝑀𝐸𝐼 = 𝐾3 ∗

𝐴𝑓 𝐿′

Donde PMEI está en 𝑁/𝑚2 y 𝐿′(Longitud del diagrama) en 𝑚. 𝐾3 es un factor que depende de las características del sistema de amplificación electrónico y del elemento transductor. Si la sensibilidad del indicador electrónico de diagramas es: Si la sensibilidad del indicador electrónico de diagramas es: Osciloscopio:

H metros = 1 voltio

Amplificador:

1 voltio = 8 coulombios

Transductor:

2 coulombios = 1 𝑁/𝑚2 𝑁

Entonces las unidades para 𝐾3 serán 𝑚2 /𝑚 .

POTENCIA INDICADA.- Es la potencia desarrollada en los cilindros por el fluido de trabajo. La diferencia entre su valor y el de la potencia al freno representa las perdidas mecánicas. A partir de la PMEI, la potencia indicada queda determinada por: 𝑃𝑖 = 𝑃𝑀𝐸𝐼 ×

𝐿𝐴𝑁 60𝑘2

Relación en la que: 𝑃𝑖 = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝐾𝑤 𝑃𝑀𝐸𝐼 = 𝐾𝑁/𝑚2 𝐴 = á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛 𝑒𝑛 𝑚2 𝐿 = 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑚. 3. EQUIPO UTILIZADO Banco de pruebas: Motor: Ciclo: Diámetro: Carrera: Rc:

TECQUIPMENT TD111 Petter AA1 4 tiempos 70mm 57mm 17:1

4. PROCEDIMIENTO  Asegúrese de que el dinamómetro y su correspondiente taquímetro estén calibrados en cada banco de pruebas.  Chequear cuidadosamente las conexiones entre el banco de pruebas y el equipo indicador.  Abrir totalmente la llave que controla el flujo de agua hacia el banco de pruebas. Asegúrese de que existe un flujo continuo de la misma a través del transductor.  Encender todos los sistemas eléctricos y electrónicos. “Arrancar” el motor y permitir su estabilidad de funcionamiento durante 10 minutos, a una velocidad de 2000 RPM y con aceleración parcial.  Prepara cuidadosamente el equipo fotográfico a usarse.  Establecer la velocidad y aceleración particulares a las cuales se va hacer la prueba. Permitir estabilización de funcionamiento.  Regular los controles del amplificador, osciloscopio y generador de funciones, hasta obtener en la pantalla respectiva un diagrama correcto y nítido.  Proceda a tomar la fotografía correspondiente. Anote las posiciones de velocidad y diafragma, así como también las escalas elegidas en el osciloscopio.  Cambiar todo el sistema indicador al otro banco de pruebas.  Repetir el proceso.

5. TABULACION DE DATOS Ensayo 1 2 3 4 5

N (r.p.m.) 3000 2000 2200 1800 1400

T Ho T Cc Tem (Nm) (mmH2O) (s) (ml) (°C) 2,3 8 17,3 8 570 2,5 6 20,6 8 560 3,75 4,5 25,7 8 500 4,75 3,5 30,6 8 460 4,75 2 35,9 8 400

Ap (m²) 0,0004154 0,0004154 0,0004154 0,0004154 0,0004154

L (m) 0,044 0,044 0,044 0,044 0,044

V(m³)= 0.000219362 N (r.p.m.) 3000 2000 2200 1800 1400

Pme (kg/cm²) 10,699 11,629 17,444 22,095 22,095

Pmi (kg/cm²) 4,863 4,863 4,863 4,863 4,863

cec kg/HP*h 1719,723 1533,713 968,398 784,948 860,341

IHP (HP) 44,022 38,152 32,283 26,413 20,543

mc´ (kg/h) 1665,703 1399,417 1121,495 942,100 803,123

BHP (HP) 0,969 0,912 1,158 1,200 0,933

A/C 1,781 2,313 3,225 4,188 5,321

ma´ (kg/h) 2967,314 3237,342 3616,292 3945,606 4273,376

6. EJEMPLOS DE CALCULO Presión media indicada 𝑃. 𝑀𝐸. 𝐼. = 𝑘3 ∗ 𝑃. 𝑀𝐸. 𝐼. = 50472103

Potencia indicada

𝐴𝑝 𝐿´

𝑁 0.0004154 𝑚2 ∗ 𝑚3 0.044𝑚

𝑃. 𝑀𝐸. 𝐼. = 481779.165

ɳmec (%) 2,200 2,392 3,587 4,544 4,544

𝑁 𝑲𝑵 = 𝟒𝟖𝟏. 𝟕𝟖 𝑚2 𝒎𝟐

ɳvol (%) 1022,267 1286,878 1698,881 2265,496 3154,752

𝑃𝑖 = 𝑃. 𝑀. 𝐸. 𝐼 ∗ 

𝐿𝐴𝑁 60 ∗ 𝐻2

Para 3000 r.p.m: 𝜋 ∗ 𝐷 2 𝜋 ∗ 0.0049𝑚2 = = 0.0039𝑚2 4 4 𝐾𝑁 0.057𝑚 ∗ 3000 ∗ 0.0039𝑚2 𝑃𝑖 = 481.78 2 ∗ 𝑚 120 𝑠𝑒𝑔. 𝐴=

𝑷𝒊 = 𝟐. 𝟔𝟕𝟕 𝑲𝑾 

Para 2000 r.p.m.:

𝑃𝑖 = 481.78

𝐾𝑁 0.057𝑚 ∗ 2000 ∗ 0.0039𝑚2 ∗ 𝑚2 120 𝑠𝑒𝑔. 𝑷𝒊 = 𝟏. 𝟕𝟖𝟒 𝑲𝑾



Para 2200 r.p.m.:

𝑃𝑖 = 481.78

𝐾𝑁 0.057𝑚 ∗ 2200 ∗ 0.0039𝑚2 ∗ 𝑚2 120 𝑠𝑒𝑔. 𝑷𝒊 = 𝟏. 𝟗𝟔𝟑 𝑲𝑾



Para 1800 r.p.m.: 𝑃𝑖 = 481.78

𝐾𝑁 0.057𝑚 ∗ 1800 ∗ 0.0039𝑚2 ∗ 𝑚2 120 𝑠𝑒𝑔. 𝑷𝒊 = 𝟏. 𝟔𝟎𝟔 𝑲𝑾



Para 1400 r.p.m.:

𝑃𝑖 = 481.78

𝐾𝑁 0.057𝑚 ∗ 1400 ∗ 0.0039𝑚2 ∗ 𝑚2 120 𝑠𝑒𝑔. 𝑷𝒊 = 𝟏. 𝟐𝟒𝟗 𝑲𝑾

Eficiencia mecánica 𝑃𝑓 = 𝑇𝑞 ∗ 𝑊 𝑊= 

2𝜋𝑁 60

Para 3000 r.p.m.: 𝑃𝑓 = 2.3𝑁𝑚 ∗

2 ∗ 𝜋 ∗ 3000 𝑟𝑎𝑑 60 𝑠

𝑃𝑓 = 722.566 𝑤 = 0.722 𝐾𝑊

ɳ𝑚𝑒𝑐 =

0.722 𝐾𝑊 ∗ 100 2.677 𝐾𝑊

ɳ𝒎𝒆𝒄 = 𝟐𝟔. 𝟗𝟕 % 

Para 2000 r.p.m.: 𝑃𝑓 = 2.5𝑁𝑚 ∗

2 ∗ 𝜋 ∗ 2000 𝑟𝑎𝑑 60 𝑠

𝑃𝑓 = 523.598 𝑤 = 0.523 𝐾𝑊 ɳ𝑚𝑒𝑐 =

0.523 𝐾𝑊 ∗ 100 1.784 𝐾𝑊

ɳ𝒎𝒆𝒄 = 𝟐𝟗. 𝟑𝟏 % 

Para 2200 r.p.m.: 𝑃𝑓 = 3.75𝑁𝑚 ∗

2 ∗ 𝜋 ∗ 2200 𝑟𝑎𝑑 60 𝑠

𝑃𝑓 = 863.93 𝑤 = 0.863 𝐾𝑊 ɳ𝑚𝑒𝑐 =

0.863 𝐾𝑊 ∗ 100 1.963 𝐾𝑊

ɳ𝒎𝒆𝒄 = 𝟒𝟑. 𝟗𝟔 % 

Para 1800 r.p.m.: 𝑃𝑓 = 4.75𝑁𝑚 ∗

2 ∗ 𝜋 ∗ 1800 𝑟𝑎𝑑 60 𝑠

𝑃𝑓 = 895.35 𝑤 = 0.895 𝐾𝑊 ɳ𝑚𝑒𝑐 =

0.895 𝐾𝑊 ∗ 100 1.606 𝐾𝑊

ɳ𝒎𝒆𝒄 = 𝟓𝟓. 𝟕𝟐 % 

Para 1400 r.p.m.: 𝑃𝑓 = 4.75𝑁𝑚 ∗

2 ∗ 𝜋 ∗ 1400 𝑟𝑎𝑑 60 𝑠

𝑃𝑓 = 696.38 𝑤 = 0.696 𝐾𝑊 ɳ𝑚𝑒𝑐 =

0.696 𝐾𝑊 ∗ 100 1.249 𝐾𝑊

ɳ𝒎𝒆𝒄 = 𝟓𝟓. 𝟕𝟐 % Consumo específico de combustible 𝑉𝑝 ∗ 𝑑. 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 𝑚̇ 𝑐 𝑐𝑒𝑐 = = 𝑡 𝑃𝑓 𝑃𝑓 

Para 3000 r.p.m.: 𝑘𝑔 8 𝑐𝑚3 ∗ 0.0085 3 0.0048 ℎ 𝑐𝑚 𝑐𝑒𝑐 = 0.722 𝐾𝑊 𝒄𝒆𝒄 = 𝟏𝟗. 𝟔𝟐𝟏



𝒌𝒈 𝑲𝑾 ∗ 𝒉

Para 2000 r.p.m.: 𝑘𝑔 8 𝑐𝑚3 ∗ 0.0085 3 0.0057 ℎ 𝑐𝑚 𝑐𝑒𝑐 = 0.523 𝐾𝑊 𝒄𝒆𝒄 = 𝟐𝟐. 𝟖𝟏



𝒌𝒈 𝑲𝑾 ∗ 𝒉

Para 2200 r.p.m.: 𝑘𝑔 8 𝑐𝑚3 ∗ 0.0085 3 0.0071 ℎ 𝑐𝑚 𝑐𝑒𝑐 = 0.863 𝐾𝑊 𝒄𝒆𝒄 = 𝟏𝟏. 𝟎𝟗



𝒌𝒈 𝑲𝑾 ∗ 𝒉

Para 1800 r.p.m: 𝑘𝑔 8 𝑐𝑚3 ∗ 0.0085 3 0.0085 ℎ 𝑐𝑚 𝑐𝑒𝑐 = 0.895 𝐾𝑊 𝒄𝒆𝒄 = 𝟖. 𝟗𝟑



𝒌𝒈 𝑲𝑾 ∗ 𝒉

Para 1400 r.p.m.: 𝑘𝑔 8 𝑐𝑚3 ∗ 0.0085 3 0.0099 ℎ 𝑐𝑚 𝑐𝑒𝑐 = 0.696 𝐾𝑊 𝒄𝒆𝒄 = 𝟗. 𝟖𝟔

𝒌𝒈 𝑲𝑾 ∗ 𝒉

7. RESULTADOS

Ensayo 1 2 3 4 5

N (r.p.m.) 3000 2000 2200 1800 1400

P.M.E.I. Potencia indicada Eficiencia mecánica KN/m² KW % 481,78 2,67 26,97 481,78 1,78 29,31 481,78 1,96 43,96 481,78 1,6 55,72 481,78 1,24 55,72

8. GRAFICOS a) Graficar consumo específico de combustible vs N.

C.E.C. vs. N 4000

N.

3000 2000 1000 0 0

5

10

15

20

25

C.E.C.

b) Graficar potencia indicada vs N.

Potencia Indicada vs N. 4000

N

3000 2000 1000 0 0

0.5

1

1.5

2

Potencia indicada

2.5

3

C.E.C. kg/KW*h 19,62 22,81 11,09 8,93 9,56

c) Graficar P.M.E.I. vs N

N

P.M.E.I. vs N 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 481.78

481.78 P.M.E.I.

d) Graficar eficiencia mecánica vs. N

Eficiencia mecánica vs. N 4000

N

3000 2000 1000 0 0

10

20

30

40

50

60

Eficiencia mecánica

9. PREGUNTAS  ¿Qué entiende por potencia indicada? Es la potencia desarrollada en el cilindro del motor por la expansión de los gases de combustión  ¿Cómo variaría la potencia indicada con la velocidad? La potencia aumentaría conforme aumenta la velocidad, hasta llegar a un punto máximo a partir del cual comienza a disminuir aunque siga aumentando la velocidad  ¿Por qué se restan las áreas de un diagrama indicador? Para encontrar el trabajo neto del sistema que se esta analizando.  ¿Qué entiende por presión efectiva media? Es la presión que cuantifica el empuje de los gases durante las fases de combustión y expansión, así como de las pérdidas por calor o fricción durante un ciclo operativo en un motor

10.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones. La eficiencia de un motor a Diésel en promedio alcanza el 60%, en este caso el valor máximo fue de 55.72% con 1800 y 1400 r.p.m. esto se debe a que el motor en que fue realizada la práctica tiene 35 años funcionando lo cual afecta los datos  La eficiencia mecánica y el consumo específico de combustible son inversamente proporcionales, lo cual es lógico ya que mientras más eficiente sea un motor menos combustible va a consumir  Una mayor eficiencia viene dada por una mayor potencia  La potencia al freno aumenta de una manera proporcional a la carga aplicada. Recomendaciones. 

Tener en cuenta las unidades de cada variable para que no tengamos errores en los resultados. Asistir a las clases teóricas sobre la práctica, debido a la complejidad y duración de la misma

11.BIBLIOGRAFIA Yunes A. Cengel. (2011). Termodinamica. New York: The McGraw-Hill Companies.