1. Objetivos: Aplicar las leyes de la termodinámica, realizar el balance térmico y evaluar el rendimiento de un motor de combustión interna de encendido por compresión de 4 tiempos
2. Equipo a utilizar: •
• •
• •
Un motor de encendido por compresión de 4 tiempos Cummnis QSB6! con velocidad nominal "#$$ %&' y tor(ue nominal !") *+m an(ues an(ues de combustible Sistema de re-ri.eración -ormado por un intercambiador de calor de tipo carcasa y tubo, as/ como válvulas para controlar el 0u1o de re-ri.erante al motor y a.ua del intercambiador Sistema de -renado eléctrico con dos ran.os de tor(ue en el -renado &anel de control
3. Instrumentación: •
• • • • •
'edidor de combustible -ormado por dos bulbos calibrados cada uno con capacidad de 2$ ml y #$$ ml Cronómetros di.itales ubo ubo de &itot &itot del analizador 3S5 3S5 'anómetro di-erencial di.ital y7er ermocuplas ermocuplas tipo 8 y display de dos entradas entradas %otámetro %otámetro de área variable con transmisor electrónico
4. Procedimientos: *uestra actividad previa al encendido del motor no -ue substancial, debido a (ue el 1e-e de laboratorio se encar.ó del correcto encendido de la má(uina *ues *uestr tro o trab traba1 a1o o empe empezó zó lue. lue.o o del del ence encend ndid ido, o, dond donde e tuvi tuvimo mos s (ue (ue toma tomarr distintas medidas del motor y su -uncionamiento a distintas %&', distintas vueltas y distintos tor(ues Al encenderse el motor tuvimos (ue esperar un tiempo 9asta (ue lle.ue a su temperatura de traba1o a #$$$ %'&, lue.o de dic9o tiempo empezamos a tomar medidas de distintas variables Anotamos el tor(ue (ue se mostraba en el panel de control al i.ual (ue las vueltas y los %&', lue.o tomamos las medidas del caudal de entrada de l/(uido re-ri.erante :a.ua; y la temperatura de entrada y salida de esta espués se tomaron las medidas de la temperatura de entrada del aire de combustión y también la temperatura de salida de los .ases del producto de combustión Se tomaron tamb tambié ién n las las di-e di-ere renc ncia ias s de pres presio iones nes en el tubo tubo de pito pitot, t, el volum volumen en de combustible consumido por el motor y a la vez el tiempo de consumo de combustible 3stas mediciones se 9icieron primero para #$$$, #2$$ y "$$$ %&' manteniendo las vueltas y el tor(ue constante, lue.o para <, =, y > de vuelta manteniendo constante la velocidad y tor(ue y ?nalmente se tomaron #
las medidas para 2$, #$$ y #2$ *m manteniendo as/ las vueltas y la velocidad constantes
. !"lculos: .1 #abla de datos:
abla abla de 3nsayo #
Apertura de la válvula or(ue or(ue del *m 'otor elocidad iro %&' n Caudal de re-ri.eración emperatura emperatura de in.reso a.ua re-ri. emperatura emperatura de salida a.ua re-ri. emperatura emperatura de in.reso aire al motor emperatura emperatura de .ases de escape i-erencia de presiones en tubo de &itot
Ensa$o 1 #@4 vuelta #2$ #$$$
#2$$
"$$$
mD@9
V ´ref
""
D2
4"
s
i re-
4#6
44"
4!D
mD@9
s re-
4D 4D4
422
4E6
"2
"2
"2
"$E6
"!D
D24!
FC i aire FC s .ases FC
G&
#E6
4!2
!!$
olumen de combustible consumido
&a
c
2$
2$
2$
iempo de de consumo de combustible
s
tc
DE
""
#6
"
abla de 3nsayo "
#@4 vuelta
Apertura de la válvula or(ue del 'otor elocidad iro Caudal de re-ri.eración emperatura de in.reso a.ua re-ri. emperatura de salida a.ua re-ri. emperatura de in.reso aire al motor emperatura de .ases de escape i-erencia de presiones en tubo de &itot
*m
Ensa$o 2 #@" vuelta
D@4 vuelta
#2$
%&'
n
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D2
D2
D2
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"!
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"646
FC
#2$$
i aire FC s .ases FC
G&
4!$
42$
426
olumen de combustible consumido
&a
c
2$
2$
2$
iempo de consumo de combustible
s
tc
""#
""6
""4
D
abla 3nsayo D
Apertura de la válvula or(ue del *m 'otor elocidad iro %&' n Caudal de re-ri.eración emperatura de in.reso a.ua re-ri. emperatura de salida a.ua re-ri. emperatura de in.reso aire al motor emperatura de .ases de escape i-erencia de presiones en tubo de &itot
Ensa$o 3 #@4 vuelta 2$
#$$
#2$
#$$$
mD@9
V ´ref
""
""
""
s
i re-
D!D
DE!
D)D
mD@9
s re-
DE!
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#)$
"$E4
FC i aire FC s .ases FC
G&
#!!
#!)
#E$
olumen de combustible consumido
&a
c
2$
2$
2$
iempo de consumo de combustible
s
tc
6#6
466
D!
4
2" 31emplo de cálculoH
Se realizara un e1emplo de cálculo de las distintas -ormas de calor producidas en el motor &ara lo cual se necesitaran las si.uientes -órmulasH
´ o= ´Qref + ´Q gases+ W ´ tec + ´Qdis Q
:##;
ondeH + + + + +
QoI Calor aportado por el combustible Qre- I Calor absorbido por el re-ri.erante Q.asesI Calor cedido a los .ases de combustión JtecI traba1o técnico desarrollado por el motor QdisI Calor disipado al ambiente
´ ∗ Pcal kW Q´ o= mcomb
:#";
ondeH + + +
QoI Calor aportado por el combustible 'combI 0u1o másico del combustible &calI &oder calor/?co del combustible
Q´ref =m´ref ¿ C p agua∗∆ T kW
:#D;
ondeH + + + +
Qre- H Calor cedido al re-ri.erante mre- H Klu1o másico de re-ri.erante Cp a.uaH Calor espec/?co del a.ua a presión constante GH i-erencia de temperaturas entre la entrada y salida del re-ri.erante al motor 2
W =
T ∗ RPM ∗2∗π 60
kW
:#4;
ondeH + +
H or(ue le/do en el dinamómetro :llevado a L*+m; %&'H iro del motor le/do en el tacómetro :en revoluciones por minuto;
´ gases=C pa∗d aire∗V ´ gases∗(T i aire−T saire) Q
:#2;
ondeH +
C pa
H Calor espec/?co del a.ua
+
d aire
H ensidad del aire
+
´ V gases I Caudal de los .ases de escape
+
T i aire
I emperatura de in.reso del aire
+
T s aire
I emperatura de los .ases de escape
3l e1emplo de cálculo se realizará para el ensayo con variación de la velocidad manteniendo el tor(ue y caudal constante a #$$$ %&' •
Calor aportado por el combustible H 3l combustible utilizado es diésel B2
ariable olumen combustible iempo
Unidad m s
S/mbolo c tc
2$ DE
ensidad del diésel B2 es E2"$6 L.@m D :dc; &oder Calor/?co Superior es 42D") LM@L. :&CS; 6
Se realiza un cambio de unidades al volumen V c =50 mL =0.00005 m 3
ue.o se 9alla el caudal de combustible Cc=
Vc =0.00000132 m 3 / s tc
3l 0u1o se 9alla con la densidad el combustible mcomb ´ =Cc∗dc = 0.00000132∗852.06 =0.00112 kg / s
&or Nltimo se 9alla el calor aportado con la -órmula :#"; ariable
Unidad
Klu1o de re-ri.erante emperatura de in.reso re-ri. emperatura de salida re-ri.
mD@9
S/mbolo V ´ref
CF
i re-
CF
s re-
"" 4#6 4D4
´ ∗ PCS Q´ o= mcomb Q´ o= 0.00112∗ 45329=50,77 kW
•
Calor absorbido por el re-ri.erante H
Calor espec/?co del re-ri.erante, en este caso tomamos las propiedades del a.ua C p a.uaI 4" LM@L.+CF ensidad del re-ri.erante dre-I #$$$ L.@m D
Se realiza un cambio de unidades al caudal V ´ref =2.2 m 3 / h=0.00061 m 3 / s Se 9alla el -ul1o másico con la densidad del re-ri.erante m´ref =V ´ref ∗dref
!
m´ref =0.00061∗ 1000=0.61 kg / s &or Nltimo de 9alla el calor absorbido con la -órmula :#D; Q´ref =m´ref ¿ C p agua∗( T sref −T iref )
Q´ref =0.61 ∗4,2∗( 43.4 −41.6 )= 4.6 kW
•
raba1o técnico desarrollado por el motor
ariable or(ue del motor elocidad del .iro del motor
Unidad *+m
S/mbolo
#2$
%&'
n
#$$$
Unidad &a
S/mbolo G&
#E6
CF
i aire
"2
3l traba1o técnico del motor se 9alla con la -órmula :#4; W = W =
•
T ∗n∗2∗π 60 150∗1000∗2∗π =15,708 kW 60
Calor cedido a los .ases de combustión
ariable i-erencia de presiones emperatura de entrada de aire al motor
E
emperatura de salida de los .ases
CF
s .ases
"$E6
&ara 9allar el caudal de los .ases de escape necesitamos los si.uientes datosH
iámetro de la placa ori?cio I $$!D m ensidad del aire a la temperatura de salida de los .ases daireI $!46 L.@mD Coe?ciente de descar.a Cd I $6
(
2
)√
´ gases=C d π ∗ ∗ V
´ V
gases =0.6
(
4
2
π ∗0.073 4
∗△ P
2
d aire
)√ ∗
2∗186 1.3
´ V gases =0.0425 m 3 / s
&ara el calor cedido necesitamos el calor espec/?co del aire ¿
C pa
# LM@L.+CF
&or Nltimo 9allamos el calor cedido por los .ases de escape con la -órmula :#2;
´ gases=C pa∗d aire∗V ´ gases∗(T iaire−T saire ) Q ´ Q gases =1∗0.746∗ 0.0425∗( 208.6 −25 ) =5,85 kW
•
Calor disipado al ambiente )
3l calor disipado al ambiente lo 9allamos con la -órmula :##;
´ o= ´Qref + ´Q gases+ W ´ tec + ´Qdis Q ´ 50,77 kW =4.6 kW + 0.21 kW +15,708 kW + Q dis
´ dis =30.22 kW Q &ara 9allar la e?ciencia mecánica dividimos el traba1o producido por le motor entre el calor aportado por el combustible
nefi=
´ W tec ´ Q o
=
15,71 50,77
! 100 =30.94
2D abla de resultadosH 2D# 3nsayo #
%ariable &otencia entre.ada por el combustible &ot 'ecánica desarrollada por el motor 3?ciencia mecánica del motor Calor trans-erido 9acia el intercambiador Calor trans-erido 9acia los .ases de comb
&nidad es kW kW % kW kW
1''' (P)
1'' (P)
2''' (P)
2$!!
E!!E
#"$!
#2!# D$)4O
"D26 "6E4O
D#4" "6$DO
46#
2D#
6D!
2E2
#"6"
"#D6
2D" 3nsayo "
%ariable &otencia entre.ada por el combustible &ot 'ecánica desarrollada por el motor 3?ciencia mecánica del motor Calor trans-erido 9acia el intercambiador Calor trans-erido 9acia los .ases de comb
&nidad es kW kW % kW kW
1*4 vuelta
1*2 vuelta
3*4 vuelta
E!DE
E242
E6"#
"D26 "6)6O
"D26 "!2!O
"D26 "!DDO
62D
!!6
6)4
#"24
#""2
##E2
#$
2DD 3nsayo D
%ariable &otencia entre.ada por el combustible &ot 'ecánica desarrollada por el motor 3?ciencia mecánica del motor Calor trans-erido 9acia el intercambiador Calor trans-erido 9acia los .ases de comb
&nidad es
' +.m
kW kW % kW kW
1'' +.m 1' +.m
D#D2
4#44
2"#)
2"4 #6!#O
#$4! "2"!O
#2!# D$#$O
D2)
46"
4D6
D)#
2#"
2!2
,. -r"cos: 6# 3nsayo # :#$$$, #2$$ y "$$$ rpm;
&otencia entre.ada por el combustible vs Belocidad de .iro del motor #4$ #"$ #$$ E$
&otencia entre.ada por el combustible :LJ;
6$ 4$ "$ $
$ "$$$4$$$
Belocidad de .iro del motor :rpm;
##
&otencia mecánica vs elocidad de .iro del motor D2 D$ "2 "$
&tencia mecánica :LJ; #2 #$ 2 $ 2$$
#$$$
#2$$
"$$$
"2$$
elocidad de .iro del motor :rpm;
3?ciencia mecánica del motor vs Belocidad de .iro del motor D" D# D$ ") "E
3?ciencia mecánica del motor :O; "! "6 "2 "4 "D 2$$ #$$$#2$$"$$$"2$$
Belocidad de .iro del motor :rpm;
#"
Calor trans-erido en el intercambiador vs Belocidad de .iro del motor ! 6 2 4
Calor trans-erido en el intercambiador:LJ; D " # $
$
"$$$ 4$$$
Belocidad de .iro del motor :rpm;
Calor trans-erido 9acia los .ases de comb vs Belocidad de .iro del motor "2 "$ #2
Calor trans-erido 9acia los .ases de comb :LJ; #$ 2 $ $
"$$$ 4$$$
Belocidad de .iro del motor :rpm;
#D
6" 3nsayo " :<, = y > vueltas de la válvula re.uladora;
&otencia entre.ada por el combustible vs ueltas EE E!2 E! E62
&otencia entre.ada por el combustible :LJ;
E6 E22 E2 E42 E4 $" $4 $6 $E
vueltas
3?ciencia mecánica del motor vs vueltas "!E "!6 "!4
3?ciencia mecánica del motor :O; "!" "! "6E "66 $"$D$4$2$6$!$E
vueltas
#4
Calor trans-erido 9acia el intercambiador vs Bueltas E !2 !
Calor trans-erido 9acia el intercambiador :LJ;
62 6 22
$
$2
#
vueltas
#2
Calor trans-erido 9acia los .ases de comb vs Bueltas #"6$ #"4$ #""$ #"$$
Calor trans-erido 9acia los .ases de comb :LJ;
##E$ ##6$ ##4$
$2 $
#
vueltas
6D 3nsayo D :2$, #$$ y #2$ *m de or(ue;
Potencia entre/ada por el combustible vs #orque 6$ 2$ 4$
Potencia 0342
D$ "$ #$ $ 4$
6$
E$
#$$
#"$
#4$
#6$
#orque 0+1m2
#6
Potencia mec"nica desarrollada por el motor vs #orque "$
#2
Potencia mec"nica 0342
#$
2
$ 4$
6$
E$
#$$ # "$ # 4$ # 6$
#orque 0+1m2
E.ciencia mec"nica del motor vs #orque D2$$O D$$$O "2$$O "$$$O E.ciencia mec"nica 052 #2$$O
#$$$O 2$$O $$$O 4$
6$
E$ #$$ #"$ #4$ #6$
#orque 0+1m2
#!
!alor trans6erido 7acia el intercambiador vs #orque 2 4 D
!alor trans6erido 0342 " # $ 4$
6$
E$
#$$ #"$ #4$ #6$
#orque 0+1m2
8. !onclusiones •
•
&ude notar (ue cuando el motor aumentaba de %&', o aumentaba el tor(ue del motor, el a.ua re-ri.erante aumentaba en caudal y también de temperatura de entrada y de salida Sin embar.o, cuando la velocidad no variaba en los ensayos " y D, el caudal de a.ua también se manten/a constante a lo lar.o del ensayo " y también del ensayo D 3 incremento de temperaturas cuando las %&' aumentaban se dan debido al incremento de potencia (ue .enera el motor y también consum/a más rápido el combustible, y esto .enera una mayor temperatura en el motor debido al mayor es-uerzo (ue 9ace y el aumento de -ricciones internas, entonces incrementa la temperatura, as/ aumentando también la temperatura del a.ua 3l caudal en este caso también aumenta debido al alto incremento de temperatura del motor y se necesita una cantidad mayor de a.ua para absorber el calor necesario para (ue el motor opere en óptimas condiciones 3sto ocurre también con el tor(ue, ya (ue a mayor tor(ue, se necesita más -ricción y potencia, entonces la temperatura también aumentaP sin embar.o, el caudal no +ic7olas 9ava/e !. 02'12'3', e los resultados obtenidos en este laboratorio, podemos concluir (ue obtenemos una mayor potencia mecánica desarrollada por el motor al incrementar la velocidad rotacional 3sto puede ser de muc9o bene?cio si es (ue necesitamos (ue el motor nos entre.ue una .ran potenciaP sin embar.o, ser/a indeseable si buscamos tener una buena e?ciencia, puesto a (ue esta disminuye con-orme se incrementa la velocidad #E
rotacional 3n otras palabras, al aumentar la velocidad rotacional obtenemos mayor potencia pero menor e?ciencia &or otro lado, si deseamos aumentar la potencia mecánica y la e?ciencia a la vez, la respuesta ser/a aumentar el tor(ue al a?rmación (ueda demostrada en nuestros resultados, en los (ue observamos (ue al aumentar el tor(ue de 2$ a #2$ *m se incrementa la potencia mecánica de D#D2 a 2"#) LJ y se incrementa la e?ciencia de #6!#O a D$#$O -ianmarco 9imón #. 02'1111; •
•
•
3n la .rá?ca potencia entre.ada por el combustible y la velocidad de .iro del motor del ensayo # (ue los valores de esta potencia m/nimo y máimo son 2$!! LJ y #"$! LJ respectivamente, en la .rá?ca de potencia mecánica y velocidad de .iro el valor m/nimo y máimo es #2!# LJ y y D#4" LJ a variación de potencia entre.ada por combustible -ue de 6))D LJ y la variación de potencia del motor es de #2!# LJ, con lo cual observamos (ue para una pe(ueRa variación de la potencia del motor se re(uiere de una considerable variación en la potencia del combustible 3sto lo podemos observar en la .rá?ca de la e?ciencia y el .iro del motor, donde observamos (ue la e?ciencia mecánica disminuye mientras aumenta la velocidad de .iro lo cual e(uivale a aumentar el traba1o producido por el motor 3sta disminución de la e?ciencia se puede eplicar con el calor trans-erido por los .ases de combustión, el cual aumenta con-orme aumenta la velocidad de .iro Al aumentar las %&' observamos (ue el caudal de combustible aumento de #D# m D@s a D#D m D@s, lo cual produce una aumento notable de la temperatura de salida de los .ases de combustión y es debido al aumento de temperatura (ue el calor trans-erido por los .ases de combustión aumentan considerablemente disminuyendo as/ la e?ciencia del motor (ios !erd"n 02'12181' Analizando los .rá?cos en cada eperiencia se puede destacar muc9as conclusiones 3n la primera eperiencia se evidencia una disminución de la e?ciencia mecánica del motor a medida (ue las rpm aumentan a e?ciencia se ve disminuida debido a un mayor consumo y una mayor trans-erencia de ener./a, lo (ue ?nalmente se traduce en mayores pérdidas en el e(uipo ambién, analizando las .rá?cas, se puede notar una relación directamente proporcional entre la potencia del motor y el or(ue transmitido Se observa (ue cuando uno aumenta, el otro también lo 9ace de manera proporcional, casi en -orma lineal Isaac (amos 02'11'22 3n el se.undo ensayo podemos notar (ue los valores de e?ciencia mecánica son muy similares, esto ocurre debido a (ue el aumento de #)
caudal no -ue su?ciente como para disminuir considerablemente la temperatura de los .ases de combustión ambién podemos concluir (ue la e?ciencia aumentara cuando la temperatura de salida de los .ases de combustión disminuya, debido a (ue se desperdicia menor ener./aP por e1emplo esto ocurrirá cuando se use combustibles como el .as natural, pues tiene ba1a temperatura de llama loria Soto %ivero :"$#"#!$E;
. ?iblio/ra6@a
Postigo y Cruz
Termodinámica Aplicada: Exergía – Universidad Politécnica de
!"!
Cartagena #Colom$ia% & 'ttp:((oc)*$i$*upct*es( +
,*,-.A/0 1*21AP3.-
4undamentos de Termodinámica Técnica*
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2egunda edici6n0 Editorial .everté
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