Informe 2 - Balance Motor (100_)

1. Objetivos:Aplicar las leyes de la termodinmica, realizar el balance trmico y evaluar el rendimiento de un motor de combustin interna de encendido por compresin de 4 tiempos2. Equipo a utilizar: Un motor de encendido por compresin de 4 tiempos Cummnis QSB6.7 con velocidad nominal 2100 RPM y torque nominal 729 N-m . Tanques de combustible Sistema de refrigeracin formado por un intercambiador de calor de tipo carcasa y tubo, as como vlvulas para controlar el flujo de refrigerante al motor y agua del intercambiador. Sistema de frenado elctrico con dos rangos de torque en el frenado Panel de control3. Instrumentacin: Medidor de combustible formado por dos bulbos calibrados cada uno con capacidad de 50 ml y 100 ml Cronmetros digitales Tubo de Pitot del analizador TESLO Manmetro diferencial digital Dywer Termocuplas tipo K y display de dos entradas Rotmetro de rea variable con transmisor electrnico4. Procedimientos:Nuestra actividad previa al encendido del motor no fue substancial, debido a que el jefe de laboratorio se encarg del correcto encendido de la mquina. Nuestro trabajo empez luego del encendido, donde tuvimos que tomar distintas medidas del motor y su funcionamiento a distintas RPM, distintas vueltas y distintos torques. Al encenderse el motor tuvimos que esperar un tiempo hasta que llegue a su temperatura de trabajo a 1000 RMP, luego de dicho tiempo empezamos a tomar medidas de distintas variables. Anotamos el torque que se mostraba en el panel de control al igual que las vueltas y los RPM, luego tomamos las medidas del caudal de entrada de lquido refrigerante (agua) y la temperatura de entrada y salida de esta. Despus se tomaron las medidas de la temperatura de entrada del aire de combustin y tambin la temperatura de salida de los gases del producto de combustin. Se tomaron tambin las diferencias de presiones en el tubo de pitot, el volumen de combustible consumido por el motor y a la vez el tiempo de consumo de combustible. Estas mediciones se hicieron primero para 1000, 1500 y 2000 RPM manteniendo las vueltas y el torque constante, luego para , , y de vuelta manteniendo constante la velocidad y torque y finalmente se tomaron las medidas para 50, 100 y 150 N.m manteniendo as las vueltas y la velocidad constantes.5. Clculos:5.1 Tabla de datos:

Tabla de Ensayo 1 Ensayo 1

Apertura de la vlvula1/4 vuelta

Torque del MotorN*mT150

Velocidad GiroRPMn100015002000

Caudal de refrigeracinm3/h

2.23.54.2

Temperatura de ingreso agua refrig.sTi ref

41.644.247.3

Temperatura de salida agua refrig.m3/hTs ref

43.445.548.6

Temperatura de ingreso aire al motorCTi aire

252525

Temperatura de gases de escape.CTs gases

208.6273354.7

Diferencia de presiones en tubo de PitotCP186475770

Volumen de combustible consumido PaVc

505050

Tiempo de consumo de combustiblestc

382216

Tabla de Ensayo 2

Ensayo 2

Apertura de la vlvula1/4 vuelta1/2 vuelta3/4 vuelta




3.53.53.5


46.740.137.4


48.34239.1


262715127


273.6274.2264.6



505050


22.122.622.4

Tabla Ensayo 3

Ensayo 3

Apertura de la vlvula1/4 vuelta




2.22.22.2


37.338.739.3


38.740.541


252625


151190208.4



505050


61.646.637

5.2 Ejemplo de clculo:Se realizara un ejemplo de clculo de las distintas formas de calor producidas en el motor. Para lo cual se necesitaran las siguientes frmulas: (1.1)Donde: Qo= Calor aportado por el combustible Qref= Calor absorbido por el refrigerante Qgases= Calor cedido a los gases de combustin Wtec= trabajo tcnico desarrollado por el motor Qdis= Calor disipado al ambiente (1.2)Donde: Qo= Calor aportado por el combustible Mcomb= flujo msico del combustible Pcal= Poder calorfico del combustible

(1.3)Donde: Qref: Calor cedido al refrigerante mref: Flujo msico de refrigerante Cp agua: Calor especfico del agua a presin constante T: Diferencia de temperaturas entre la entrada y salida del refrigerante al motor

(1.4)Donde: T: Torque ledo en el dinammetro (llevado a kN-m) RPM: Giro del motor ledo en el tacmetro (en revoluciones por minuto)

(1.5)Donde: : Calor especfico del agua : Densidad del aire = Caudal de los gases de escape = Temperatura de ingreso del aire = Temperatura de los gases de escape

El ejemplo de clculo se realizar para el ensayo con variacin de la velocidad manteniendo el torque y caudal constante a 1000 RPM

Calor aportado por el combustible :

El combustible utilizado es disel DB5

VariableUnidadSmbolo

Volumen combustiblemLVc50

Tiempostc38

Densidad del disel DB5 es 852.06 kg/m3 (dc) Poder Calorfico Superior es 45329 kJ/kg (PCS)

Se realiza un cambio de unidades al volumen

Luego se halla el caudal de combustible

El flujo se halla con la densidad el combustible

Por ltimo se halla el calor aportado con la frmula (1.2)

Calor absorbido por el refrigerante :

Calor especfico del refrigerante, en este caso tomamos las propiedades del agua Cp agua= 4.2 kJ/kg-C Densidad del refrigerante dref= 1000 kg/m3VariableUnidadSmbolo

Flujo de refrigerantem3/h2.2

Temperatura de ingreso refrig.CTi ref41.6

Temperatura de salida refrig.CTs ref43.4

Se realiza un cambio de unidades al caudal

Se halla el fuljo msico con la densidad del refrigerante

Por ltimo de halla el calor absorbido con la frmula (1.3)

Trabajo tcnico desarrollado por el motor


Torque del motorN-mT150

Velocidad del giro del motorRPMn1000

El trabajo tcnico del motor se halla con la frmula (1.4)

Calor cedido a los gases de combustin


Diferencia de presionesPaP186

Temperatura de entrada de aire al motorCTi aire25

Temperatura de salida de los gasesCTs gases208.6

Para hallar el caudal de los gases de escape necesitamos los siguientes datos: Dimetro de la placa orificio D= 0.073 m Densidad del aire a la temperatura de salida de los gases daire= 0.746 kg/m3 Coeficiente de descarga Cd = 0.6

Para el calor cedido necesitamos el calor especfico del aire 1 kJ/kg-CPor ltimo hallamos el calor cedido por los gases de escape con la frmula (1.5)

Calor disipado al ambiente

El calor disipado al ambiente lo hallamos con la frmula (1.1)

Para hallar la eficiencia mecnica dividimos el trabajo producido por le motor entre el calor aportado por el combustible

5.3 Tabla de resultados:5.3.1 Ensayo 1VariableUnidades1000 RPM1500 RPM2000 RPM

Potencia entregada por el combustiblekW50.7787.78120.7

Pot. Mecnica desarrollada por el motorkW15.7123.5631.42

Eficiencia mecnica del motor%30.94%26.84%26.03%

Calor transferido hacia el intercambiadorkW4.615.316.37

Calor transferido hacia los gases de comb.kW5.8512.6221.36

5.3.2 Ensayo 2VariableUnidades1/4 vuelta1/2 vuelta3/4 vuelta






5.3.3 Ensayo 3VariableUnidades50 N.m100 N.m150 N.m






6. Grficos:6.1 Ensayo 1 (1000, 1500 y 2000 rpm)

6.2 Ensayo 2 (, y vueltas de la vlvula reguladora)

6.3 Ensayo 3 (50, 100 y 150 N*m de Torque)

7. Conclusiones Pude notar que cuando el motor aumentaba de RPM, o aumentaba el torque del motor, el agua refrigerante aumentaba en caudal y tambin de temperatura de entrada y de salida. Sin embargo, cuando la velocidad no variaba en los ensayos 2 y 3, el caudal de agua tambin se mantena constante a lo largo del ensayo 2 y tambin del ensayo 3. EL incremento de temperaturas cuando las RPM aumentaban se dan debido al incremento de potencia que genera el motor y tambin consuma ms rpido el combustible, y esto genera una mayor temperatura en el motor debido al mayor esfuerzo que hace y el aumento de fricciones internas, entonces incrementa la temperatura, as aumentando tambin la temperatura del agua. El caudal en este caso tambin aumenta debido al alto incremento de temperatura del motor y se necesita una cantidad mayor de agua para absorber el calor necesario para que el motor opere en ptimas condiciones. Esto ocurre tambin con el torque, ya que a mayor torque, se necesita ms friccin y potencia, entonces la temperatura tambin aumenta; sin embargo, el caudal no.Nicholas Savage C. (20120306)

De los resultados obtenidos en este laboratorio, podemos concluir que obtenemos una mayor potencia mecnica desarrollada por el motor al incrementar la velocidad rotacional. Esto puede ser de mucho beneficio si es que necesitamos que el motor nos entregue una gran potencia; sin embargo, sera indeseable si buscamos tener una buena eficiencia, puesto a que esta disminuye conforme se incrementa la velocidad rotacional. En otras palabras, al aumentar la velocidad rotacional obtenemos mayor potencia pero menor eficiencia. Por otro lado, si deseamos aumentar la potencia mecnica y la eficiencia a la vez, la respuesta sera aumentar el torque. Tal afirmacin queda demostrada en nuestros resultados, en los que observamos que al aumentar el torque de 50 a 150 N.m se incrementa la potencia mecnica de 31.35 a 52.19 kW y se incrementa la eficiencia de 16.71% a 30.10%.Gianmarco Simn T. (20111198)

En la grfica potencia entregada por el combustible y la velocidad de giro del motor del ensayo 1 que los valores de esta potencia mnimo y mximo son 50.77 kW y 120.7 kW respectivamente, en la grfica de potencia mecnica y velocidad de giro el valor mnimo y mximo es 15.71 kW y y 31.42 kW. La variacin de potencia entregada por combustible fue de 69.93 kW y la variacin de potencia del motor es de 15.71 kW, con lo cual observamos que para una pequea variacin de la potencia del motor se requiere de una considerable variacin en la potencia del combustible. Esto lo podemos observar en la grfica de la eficiencia y el giro del motor, donde observamos que la eficiencia mecnica disminuye mientras aumenta la velocidad de giro lo cual equivale a aumentar el trabajo producido por el motor. Esta disminucin de la eficiencia se puede explicar con el calor transferido por los gases de combustin, el cual aumenta conforme aumenta la velocidad de giro. Al aumentar las RPM observamos que el caudal de combustible aumento de 1.31 m3/s a 3.13 m3/s, lo cual produce una aumento notable de la temperatura de salida de los gases de combustin y es debido al aumento de temperatura que el calor transferido por los gases de combustin aumentan considerablemente disminuyendo as la eficiencia del motor.Diego Andr Rios Cerdn (20121710)

Analizando los grficos en cada experiencia se puede destacar muchas conclusiones. En la primera experiencia se evidencia una disminucin de la eficiencia mecnica del motor a medida que las rpm aumentan. La eficiencia se ve disminuida debido a un mayor consumo y una mayor transferencia de energa, lo que finalmente se traduce en mayores prdidas en el equipo.Tambin, analizando las grficas, se puede notar una relacin directamente proporcional entre la potencia del motor y el Torque transmitido. Se observa que cuando uno aumenta, el otro tambin lo hace de manera proporcional, casi en forma lineal. Isaac Ramos (20110292)

En el segundo ensayo podemos notar que los valores de eficiencia mecnica son muy similares, esto ocurre debido a que el aumento de caudal no fue suficiente como para disminuir considerablemente la temperatura de los gases de combustin. Tambin podemos concluir que la eficiencia aumentara cuando la temperatura de salida de los gases de combustin disminuya, debido a que se desperdicia menor energa; por ejemplo esto ocurrir cuando se use combustibles como el gas natural, pues tiene baja temperatura de llama.Gloria Soto Rivero (20121708)

9. Bibliografa

Postigo y Cruz Termodinmica Aplicada: Exerga Universidad Politcnica de 2010 Cartagena (Colombia) < http://ocw.bib.upct.es/>

M.MORAN, H.SHAPIRO Fundamentos de Termodinmica Tcnica.2004 Segunda edicin, Editorial Revert

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