LABORATORIO DE TERMODINÁMICA III Semestre 2016-A MOTOR DIESEL
PRÁCTICA MOTOR DIESEL Y CURVAS CARACTERÍSTICAS
OBJETIVOS Realizar un balance energético del motor (Diagrama Sankey). Elaborar las curvas características de velocidad y carga. 1. Balance energético del motor En el balance energético, se debe analizar lo que entra y lo que sale al motor, para así determinar la eficiencia. En el motor ingresa el combustible, mediante el cual se puede calcular la potencia calórica, y lo que se obtiene es la potencia en el eje del motor, que se la puede cuantificar mediante la potencia al freno. Ésta potencia se puede calcular gracias a las mediciones que se obtienen en el freno hidráulico simulando diferentes cargas. A continuación se presenta un diagrama Sankey general del motor Diesel.
Las fórmulas que se necesitan para los diferentes cálculos se detallan en la tabla del final del documento. Además en el procedimiento de la práctica se explican las diferentes mediciones que se deben realizar.
1.1. Curvas de carga Para obtener las curvas de carga del motor, se deben cumplir con las siguientes condiciones: - Carga variable - Rpm fijas (se acelera el motor para mantener fijas las rpm, pues el motor se frena al aumentar la carga) Al aumentar la carga varían las revoluciones por minuto del motor (se frena), por lo que es necesario volver a acelerar al motor hasta obtener revoluciones constantes. A continuación se presentan las curvas de carga generales para el motor, vale destacar que la potencia al freno, la eficiencia térmica y el consumo de combustible están a diferente escala.
1.2. Curvas de velocidad Para obtener las curvas de velocidad, se deben tener los siguientes parámetros: -
Carga variable Acelerador fijo Con el acelerador fijo y variando la carga, se obtienen diferentes revoluciones por minuto con cada una de las cargas.
A continuación se presentan las curvas de velocidad representativas para el motor diesel.
1.3. Aplicaciones de las curvas Con las curvas de velocidad se busca los puntos óptimos de funcionamiento, por ejemplo: -
Para transporte el (cec) debe ser mínimo. Para maquinaria pesada se busca (Torque) máximo. Para competencias se busca (Potencia) máxima.
Las curvas de carga sirven para analizar el comportamiento de los generadores AC. 1.4. Diferencia entre c.c (consumo de combustible) y cec (consumo especifico de combustible) c.c. es el combustible que se consume en una unidad de tiempo. c.e.c. relaciona el c.c. respecto a la potencia al freno, es decir relaciona cuanto se gasta y cuánto se obtiene. En las curvas de carga no se usa c.e.c. porque en motores para generadores eléctricos el c.e.c. más bajo podría resultar en un desperdicio de energía.
1.5. Freno hidráulico El freno hidráulico es el que permite dar carga al motor, en su interior tiene un rodete que gira junto con el eje del motor y dos rodetes en cada una de las tapas, ingresa agua al freno hidráulico y se genera un torque por el choque del agua entre los álabes de los rodetes, la fuerza que realiza el torque es medida con el dinamómetro. Además para dar una carga variable se tiene unas compuertas que se abren o cierran respecto al rodete del eje, entonces si las compuertas están totalmente cerradas, no se da carga al motor, pero si las compuertas están totalmente abiertas es cuando mayor torque se genera, entonces se tiene carga máxima. La carga también se puede regular en base a la cantidad de agua que se permite ingresar al freno hidráulico. A continuación se presentan figuras representativas del freno hidráulico del laboratorio.
En las 3 figuras anteriores se pueden observar el rodete de la tapa del freno hidráulico.
Rodete del eje motriz
Compuertas que se cubren el rodete
Se observa las compuertas en el eje motriz y los ejes que salen, donde se conectan los engranes para regular la carga
Freno hidráulico
1.6. Procedimiento para la realización de la práctica. 1.6.1. Verificar los sistemas externos al motor. Se debe verificar que esté encendida la bomba de agua para alimentar con agua de refrigeración al motor. Se deben conectar las termocuplas a los termómetros digitales para la medición de las temperaturas en la salida de los gases de escape y salida del agua de refrigeración. En las siguientes figuras se observa la termocupla que mide la temperatura de los gases de escape.
Los cables de la batería deben estar correctamente conectados. Verificar que el nivel de combustible y de aceite sea el adecuado.
1.6.2. Abrir la válvula del agua de refrigeración, y controlar su caudal con la columna Reynolds y la válvula de paso; las mismas que se pueden observar en las siguientes figuras:
1.6.3. Se abre la válvula para refrigeración del aceite. 1.6.4. Se abre la válvula para el agua del freno hidráulico. Se verifica que el volante del freno se encuentre girado completamente en sentido anti-horario para que el motor arranque sin carga. 1.6.5. Se enciende el motor, para lo cual si el motor está frío es necesario colocar en la caja de entrada de aire Starting Fluid.
1.6.6. Cuando el motor ya esté encendido es importante controlar el acelerador para no forzar el motor. Por lo cual este debe ser ubicado a un tercio de su máxima posición. Además el motor debe tener un tiempo para estabilizarse. 1.6.7. Una vez estabilizado se procede a realizar la práctica para obtener las curvas de carga o las curvas de velocidad. Para lo cual se debe considerar lo siguiente: Para las CURVAS DE VELOCIDAD, el acelerador permanecerá constante, mientras se varía la carga con el freno hidráulico, la primera medición se debe hacer sin carga y posteriormente se irá aumentando la carga lo que producirá que varíen las revoluciones por minuto del motor, se puede variar la carga entre 5 y 7 veces. Cada vez que se varía la carga se debe esperar para que se estabilice el motor aproximadamente 5 minutos y se procede a tomar datos. Para la CURVAS DE CARGA, las revoluciones por minuto del motor deben estar fijas, (se recomienda entre 1200 y 1800 rpm), entonces de igual manera se varía la carga pero después de variar la carga es necesario acelerar el motor hasta llegar a las revoluciones por minuto establecidas. De igual manera se recomienda tomar entre 5 y 7 mediciones siendo la primera sin carga. Cada vez que se varía la carga tanto en la obtención de curvas de carga como curvas de velocidad, se tomarán los siguientes datos: a. Temperaturas.- Se debe tomar las temperaturas del agua de enfriamiento a la entrada y la salida, de los gases de escape y la temperatura ambiente que corresponde a la temperatura de entrada del aire. b. RPM.-Se procede a medir con el tacómetro digital, también existe un tacómetro instalado en el freno hidráulico, pero el mismo no se encuentra funcionando correctamente. c. Flujo de agua.-Se procede a medir en la columna Reynolds. d. Flujo de aire.-Se mide la presión en el manómetro inclinado y el diámetro de la placa orificio de la caja de entrada de aire, para posteriormente calcular el flujo de aire. En la figura se pueden observar el manómetro inclinado y la caja de aire.
e. Flujo de combustible.- Se tiene un medidor de caudal de combustible en donde se mide el tiempo en que se demora en consumirse 50 centímetros cúbicos en el medidor. En la siguiente figura se presenta el medidor de combustible y se indique las marcas que corresponden a 50 cc.
En la Figura anterior se puede observar que en el medidor de caudal de combustible se tienen 3 válvulas (A, B y C), entonces se deben tener las siguientes configuraciones de acuerdo a los diferentes propósitos: Si se desea que el combustible sea alimentado del tanque de almacenamiento al motor, debe estar abierta la válvula A y la válvula C, mientras que la válvula B debe estar cerrada. Si se desea llenar de combustible el medidor, deben estar abiertas todas las válvulas. (A, B y C). Si se desea que el combustible alimentado al motor sea del medidor de caudal para realizar la medición, se debe cerrar la válvula A y las válvulas B y C permanecerán abiertas. NOTA: Es decir la válvula C siempre deberá permanecer abierta para que el combustible pueda llegar al motor. De igual manera, una de las válvulas A y B, deberá permanecer siempre abierta. En caso de que el motor llegue a apagarse por falta de combustible, se deberá purgar el sistema de inyección para poder encenderlo de nuevo. Es importante aclarar, que se alimentará directamente del medidor únicamente al realizar la medición, ya que de lo contrario podría consumirse el combustible rápidamente e ingresar aire al sistema de inyección. Una vez
que se realiza la medición del tiempo en los 50 cc, inmediatamente se debe abrir la válvula A para que el combustible se alimente directamente del tanque y se llene el medidor. f.
Fuerza y brazo.- La fuerza se lee en el dinamómetro del freno hidráulico y el brazo es la distancia perpendicular entre el eje y el dinamómetro. A continuación se puede observar el dinamómetro y la distancia que corresponde al brazo.
1.6.8. Después de realizar todas las mediciones, se procede a apagar el motor, cortando la admisión de combustible. 1.6.9. Se cierra el sistema de refrigeración y se apaga la bomba.
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA ZURITA, María; “Creación de un Software didáctico para el reconocimiento de las prácticas de motores diesel y gasolina en el laboratorio de Termodinámica de Ingeniería Mecánica”
ECUACIONES Y CONSTANTES ÚTILES PARA LA PRÁCTICA DE MOTOR DIESEL BALANCE ENERGÉTICO DEL MOTOR Potencia Calórica (HP)
𝑄̇𝑐
𝑄̇𝑐 = 𝑚̇𝑐𝑜𝑚𝑏 × 𝑃𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏
Potencia al freno (HP)
𝑃𝑓
𝑃𝑓 = 𝑇 × 𝜔 𝜔 = 2𝜋 × 𝜂 𝑇 =𝐹×𝑟
Pérdidas en el sistema de refrigeración (HP)
𝑄̇𝑣
𝑄̇𝑣 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 × 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 × ∆𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎
Calor perdido por gases de escape (HP)
𝑄̇𝑒
𝑄̇𝑒 = 𝑚̇𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 × 𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 × ∆𝑇𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠
Otras pérdidas (HP)
𝑄̇𝑚
𝑄̇𝑚 = 𝑄̇𝑐 − 𝑄̇𝑣 − 𝑄̇𝑒 − 𝑃𝑓
FLUJOS MÁSICOS 𝑉50 × 𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑡
Flujo másico de combustible (lbm/min)
𝑚̇𝑐𝑜𝑚𝑏
Flujo másico de aire (lbm/min)
𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒
ℎ𝑒 × 𝐻 (𝑙𝑏𝑚⁄𝑚𝑖𝑛) 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 3,079 × 𝑑 2 √ 𝑇𝑒
Flujo másico de gases (lbm/min)
𝑚̇𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠
𝑚̇𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 = 𝑚̇𝑐𝑜𝑚𝑏 + 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒
Flujo másico de agua (lbm/min)
𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 = 8,8817𝐻𝐶𝑅 0,5562 (𝑙𝑏𝑚⁄𝑚𝑖𝑛 )
𝑚̇𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑐. 𝑐 =
CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR Potencia al freno (HP)
𝑃𝑓
𝑃𝑓 = 𝑇 × 𝜔 𝜔 = 2𝜋 × 𝜂
Torque (lbf*pie)
𝑇
𝑇 =𝐹×𝑟
Eficiencia Térmica (%)
𝜂𝑡
𝑃𝑜𝑡. 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑃𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏 × 𝑐. 𝑐 𝑃𝑓 𝜂𝑡 = 𝑥100 𝑃𝑜𝑡. 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎
Consumo de combustible (lbm/min)
𝑐. 𝑐
Consumo específico de combustible (lbm/h*HP)
𝑐𝑒𝑐
𝑐. 𝑐 =
𝑉50 × 𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑡
𝑐𝑒𝑐 =
𝑐. 𝑐 𝑃𝑓
𝑃𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏 = Poder calórico combustible = 18932 (BTU/lbm) 𝑄̇𝑐 = Potencia calórica 𝑚̇𝑐𝑜𝑚𝑏 = Flujo másico de combustible 𝑃𝑓 = Potencia al freno 𝑇 = Torque 𝜔 = Velocidad angular 𝑟 = Brazo (= 1,18 pies) 𝜂 = rpm 𝑉50 = Volumen consumido (50 cc) 𝑡 = Tiempo en que se consumen los 50 cc de combustible 𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏 = Densidad del combustible = 0,842 (gr/cm3) 𝑄̇𝑣 = Pérdidas en el sistema de refrigeración 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 = Flujo másico de agua 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1 (𝐵𝑇𝑈/𝑙𝑏𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ℉) ∆𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 =Diferencia de Temperatura de agua (℉) 𝑄̇𝑒 = Calor perdido por gases de escape 𝑚̇𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 = Flujo másico de gases 𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 = 0,25 (𝐵𝑇𝑈/𝑙𝑏𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ℉) ∆𝑇𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 =Diferencia de Temperatura de gases (℉) 𝑄̇𝑚 = Otras Pérdidas 𝐻𝐶𝑅 = Altura de la columna Reynolds (pulg) 𝑑 = Diámetro de la placa orificio 1,3745 (pulg) ℎ𝑒 = Altura del manómetro inclinado (pulg) 𝐻 = Presión atmosférica (pulgHg) 𝑇𝑒 = Temperatura en K
DATOS Y CONVERSIÓN DE UNIDADES ÚTILES PARA LA PRÁCTICA
Para la realización de los informes se deberán emplear los siguientes datos y considerar los siguientes factores para la conversión de unidades.
1 1 1 1
Placa d [plg] 1.3745
Brazo r [pie] 1.18
CONVERSION DE UNIDADES 550 lbf*pie/seg HP 745,7 W 2544,43 BTU/h delta °C o °K 1,8 delta °F o °R pie 12 plg plg 25,4 mm
DATOS VARIOS Cp [BTU/(lbm*R)] Diesel Aire Agua PC [BTU/lbm] P [gr/cm3] 0.25 1 18932 0.842
Presión H [mmHg] 540
