CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA AUTOMOTRIZ TERMODINÁMICA ING. FRAN REINOSO TEMA APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA REALIZADO POR:
MARIO BERMEO WALTER LÓPEZ SAÚL MUÑOZ ANDRES MEDINA LUIS VALDIVIEZO
GRUPO AÑO LECTIVO:
NUMERO 2
2013-2014
PRIMERA LEY DE LA TERMO DINAMICA
BOMBA DE AGUA AUTOMOTRÍZ
TEMA:
Aplicación de la primera ley de la termodinámica en una bomba de agua Automotriz.
OBJETIVO GENERAL:
Aplicar el concepto de la primera ley de la termodinámica en una pieza del vehículo más específicamente la bomba de agua de un motor de combustión interna.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
Demostrar el concepto de la primera ley de la termodinámica mediante el funcionamiento y el trabajo que efectúa una bomba de agua en un vehículo.
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1. MARCO TEÓRICO: 1.1 Introducción En un vehículo una de las características primordiales que se tiene en cuenta es la refrigeración del motor, y esto se consigue por medio de este dispositivo como lo es la bomba de agua, ya que si esta falla se puede ser propensa a trizados o más aún puede causar roturas permanentes en la estructura y sus componentes. Por lo cual el mejor sistema de refrigeración es el agua que actúa como líquido refrigerante o al menos, el más utilizado para la disminución de calor. Entonces el componente vital en este sistema de refrigeración es la bomba de agua, el cual además de ayudar en la refrigeración es el encargado de distribuir el agua por todo el conjunto motor manteniendo así un nivel de temperatura óptimo. Se fabrican en materiales de aluminio o fundición, contando en su interior con un rotor con álabes rectos o ligeramente curvos, que actúan como sistema de impulsión del líquido una especie de turbina.
Figura 1. Bomba de Agua. Fuente: Autores.
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En esta disposición el líquido refrigerante es enviado hacia el bloque del motor, este rotor de la bomba es accionado por el cigüeñal que al dar una vuelta completa efectúa por lo menos media vuelta del rotor generando una fuerza centrífuga que hace circular el agua hacia el bloque motor y luego su retorno se da hacia el radiador o a la misma bomba de agua este retorno se da con la ayuda de un termóstato.
1.2 Primera ley de la termodinámica Constituye una teoría de conceptos, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la emanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica. Es importante recalcar que la termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, definidos como aquel estado hacia el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas.
1.3 Principios del funcionamiento Fuerza centrífuga
Una bomba centrífuga funciona bajo el principio de que la fuerza centrífuga se produce por un disco que gira rápidamente. La Figura muestra que se ha colocado una cantidad de agua en el centro de un disco. El disco gira a cierta velocidad y el agua es lanzada desde el centro hacia la circunferencia exterior del disco. La distancia que el agua recorre desde el centro está directamente relacionada con el diámetro del disco y la velocidad de rotación. Cuando el agua está confinada en un contenedor cerrado (como el cuerpo de la bomba), su presión se eleva a un nivel que depende de la velocidad de rotación.
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Figura 2. Bomba de Agua Fuente: Autores.
Existen tres factores interrelacionados que regulan el rendimiento de una bomba centrífuga:
VELOCIDAD (RPM).- Si la velocidad de rotación aumenta mientras el flujo se mantiene constante, la presión del agua aumenta.
PRESIÓN.- La presión se mide igualmente en libras por pulgada cuadrada (PSI) o en atmósferas (BAR). Si la presión cambia mientras la velocidad se
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mantiene constante, el flujo (que se mide en GPM o LPM) cambiará en forma inversa, es decir, si la presión aumenta, el flujo disminuye.
FLUJO.- El flujo se mide normalmente en número de galones de agua por minuto (GPM) o en litros por minuto (LPM) que una bomba es capaz de suministrar desde la fuente de agua. Si la presión se mantiene constante, el flujo aumentará con un aumento en la velocidad de rotación.
2. PROCEDIMEINTO PARA DESARROLAR EL EXPERIMENTO
Primero se obtuvo los materiales y todos los recursos necesarios para la realización del trabajo.
La prueba se inicializo con el vehículo encendido durante 30 minutos, luego se dejo en reposo durante 45 minutos para comenzar la prueba y asi obtener nuestra Temperatura inicial.
Se ubicó el punto donde se encuentra el buje de la bomba de agua.
Una vez ubicado el punto de trabajo y con la ayuda del pirómetro se obtuvo un resultado de 35 °C, que es nuestra temperatura inicial.
Al alcanzar un régimen de 1000 rpm se obtuvo mediciones de temperatura con intervalos de tiempo de 5 minutos.
3. DISEÑO MECANICO Y TERMICO DEL EQUIPO O DISPOSITIVO: 3.1 ESQUEMA:
Figura 3. Boceto de bomba de agua. Fuente: Autores.
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4. MATERIALES E INSTRUMENTOS UTILIZADOS:
Vehículo
Multimetro en escala de grados celsius.
Tacómetro
Catálogo del vehículo (presiones de entrada y salida de la bomba en un determinado régimen de giro).
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5. Pruebas en el vehículo. a) Medición de la temperatura inicial del buje de entrada de la bomba de agua, despues de un tiempo de 25 minutos de funcionamiento del vehiculo, con reposo de 45 minutos del mismo. Entrego una lectura de temperatura con el motor sin funcionamiento como indica la grafica.
Figura 4. Medición de Temperatura Inicial. Fuente: Autores. b) Con el vehículo encendido y con un régimen de giro de 1000 rpm se obtuvo una lectura de 49°C con un tiempo trancurido de 5 minutos.
Figura 5. Medición de Temperatura luego de 5 min. Fuente: Autores.
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c) Temperaturas obtenidas al transcurir intervalos de tiempo de 5 minutos.
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d) Estabilización de la temperatura a un tiempo de 40 a 45 minutos.
Figura 6. Estabilización de Temperatura. Fuente: Autores.
6. ANALISIS DE RESULTADOS DE LAS PRUEBAS 6.1 Curvas características y punto de operación Un sistema de bombeo se caracteriza por un conjunto de curvas que describen el comportamiento durante su operación se denominan curvas características; todas estas curvas se trazan en función del caudal y a una velocidad de giro constante. Con la ayuda de un vehículo Toyota 1000, se realizará una prueba para la demostración de la primera ley de la termodinámica a partir del cambio de temperatura en el buje de la bomba de agua automotríz. Con intervalos de tiempos diferentes para determinar el cambio de temperatura que va a sufrir la bomba de agua.
6.2 Curva característica de la temperatura de la bomba La curva de temperatura de una bomba es una gráfica que muestr a el calor que se genera por el rozamiento del buje con el eje de la bomba, en la entrada de la misma en función
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del tiempo, a una velocidad de giro constante en este caso a 1000 rpm. Para la obtención de la curva se realiza un intervalo de tiempos.
TIEMPO
TEMPERATURA
(minutos)
(°C)
0
35
5
49
10
54
15
57
20
65
25
69
30
74
35
79
40
83
45
83
Tabla de Verificación de Temperatura.
TEMPERATURA vs TIEMPO 90 80
) 70 C ° ( A60 R U50 T A40 R E P 30 M E 20 T 10 0 0
10
20
30
40
50
TIEMPO (minutos)
Figura 7. Curva Característica de la bomba de la agua. Fuente: Autores. A medida que el tiempo va subiendo la temperatura aumenta hasta un valor máximo en el cual se estabiliza
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6.3 Curva característica del funcionamiento de la bomba La curva de funcionamiento de una bomba es una gráfica que muestra la energía total desarrollada por la bomba en función del caudal entregado por la misma, a una velocidad de giro constante. En la Figura se muestra una curva de Funcionamiento típica de una bomba centrífuga. La altura total entregada por la bomba disminuye a medida que el caudal aumenta.
Figura 8. Curva de funcionamiento de una bomba. Fuente: Autores.
6.4 Curva característica de la eficiencia de la bomba La eficiencia de la bomba es otra curva característica de un sistema de bombeo que se traza en función del caudal a una velocidad de giro constante. La eficiencia de una bomba es la relación entre la potencia hidráulica agregada por la bomba al fluido y la potencia eléctrica consumida por el motor. El valor de la eficiencia es cero cuando el caudal es cero. A medida que el caudal aumenta, la eficiencia aumenta hasta un valor máximo, denominado punto de máximo rendimiento. A partir de este punto, cuando aumenta el caudal, la eficiencia disminuye.
Figura 9. Curva de eficiencia vs. caudal. Fuente: Autores. pág. 12
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7. CALCULOS: PLANTEAMIENTO: Una bomba de agua aumenta la presión de agua a 10 psi a 50 psi. Determine el suministro necesario de potencia en hp para bombear
de agua.
a) DATOS d) ESQUEMA
̇
b) DETERMINAR Potencia Necesaria para bombear agua.
̇
c) SUPOSICIONES Flujo Estable de operación
e) ANALISIS
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̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇
̇ La Potencia Necesaria para bombear agua (hp) es:
) ̇ ( ̇ La temperatura del agua en la entrada no tiene ningún efecto sobre la potencia requerida.
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La fuerza que impulsa el flujo de los fluidos es la diferencia de presión, una bomba trabaja elevando la presión de un fluido convirtiendo el trabajo mecánico de su eje en energía de flujo, se determinó que la bomba consume 9,37 KW de potencia eléctrica cuando está trabajando. Los cambios de velocidad y altura son despreciables: Entonces comprobando si el flujo volumétrico máximo es el correcto:
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇
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8. CONCLUSIONES:
Se debe tener en cuenta el caudal de la bomba para la determinación de las curvas características de la bomba.
9. RECOMENDACIONES:
10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:
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