Informe Laboratorio III Motor Diesel

8/10/2019 Informe Laboratorio III Motor Diesel

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UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NCLEO DE ANZOTEGUI

ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE MECNICA

LABORATORIO DE INGENIERA MECNICA III

MOTOR DIESEL

REALIZADO POR: REVISADO POR:

Br. Arnaldo Martnez, C.I.: 19.939.196 Prof.: Johnny Martnez

Br. Henry Ros, C.I.: 20.390.450

Seccin 02

Puerto La Cruz, Febrero de 2014


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RESUMEN

Se realiz un estudio del comportamiento de un motor diesel al variar lacarga aplicada por medio de un freno electromagntico conectado a este conel objetivo de determinar las curvas de funcionamiento. Se encendi elequipo por medio de una palanca de accin manual. Inicialmente se oper elmotor sin freno o carga para identificar el rendimiento mximo del equipo,posteriormente, se vari la carga del freno con 10, 14, 18 y 22 A. Se tom eltiempo de consumo de una cantidad especfica de combustible para cadauna de las cargas aplicadas incluyendo el de operacin sin freno (carga 1).Se consider la temperatura del agua de entrada y salida del radiador deacuerdo al tiempo y carga aplicada, al igual que la temperatura de los gases

de escape para cada caso. Entre los resultados se tiene que, la potenciaproducida es directamente proporcional a la carga aplicada, teniendo comovalor mximo 2,057676 KW, el rendimiento aumenta a medida que se elevala carga del freno de igual forma que el consumo de combustible por hora(2,886792 Kg/h para la carga 5 = consumo mximo).

ii


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CONTENIDO

Resumen ................................................................................................. iiContenido .............................................................................................. iii

I. Introduccin ..................................................................................... 4

II. Objetivos ........................................................................................ 10

III. Materiales y equipos utilizados .................................................... 11

IV. Procedimiento experimental ......................................................... 13

V. Resultados ..................................................................................... 14

VI. Anlisis de resultados .................................................................. 20

VII. Conclusiones y recomendaciones ............................................... 24

Bibliografa ........................................................................................... 26

Apndices ............................................................................................. 27

Apndice A ........................................................................................... 27

Apndice B ........................................................................................... 30

Apndice C .......................................................................................... 51

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I. INTRODUCCIN

1.1. Motor Diesel

Los motores disel empleados en automocin funcionan casi todoscon el de ciclo de cuatro tiempos. Difieren de los de gasolina en la formaen que se realizan la alimentacin y la combustin. Durante la admisin,el cilindro se llena solo de aire, y como su relacin de compresin essuperior a la de los motores de gasolina, la presin de compresin elevala temperatura del aire lo suficiente para encender el combustibleintroducido en la cmara por un inyector.

El aire penetra en el cilindro despus de pasar por el filtro y por elcolector de admisin, a travs de la vlvula; pero a diferencia del motorde gasolina, no se encuentra con la reduccin de paso que supone lamariposa del carburador, por lo que el llenado del cilindro es satisfactoriocualquiera que sea el rgimen de giro del motor. La variacin de cargadel motor depende exclusivamente de la cantidad de combustibleinyectado.

En el motor de explosin, la gasolina de dosifica y se mezcla con el

aire en el carburador; despus, a su paso por el colector, y aun dentrodel mismo cilindro, durante el tiempo de compresin, se evaporiza y semezcla ntimamente con el aire [1].

1.2. Ciclo Diesel

El ciclo disel es el ciclo ideal para las maquinas reciprocantes ECOM.El motor ECOM, por primera vez propuesto por Rudolph Diesel en ladcada de 1890, es muy similar al motor ECH; la diferencia principal esten el mtodo de inicio de la combustin. En los motores de encendido

por chispa (conocidos tambin como motores de gasolina), la mezcla deaire y combustible se comprime hasta una temperatura inferior a latemperatura de autoencendido del combustible y el proceso decombustin se inicia al encender una buja. En los motores ECOM(tambin conocidos como motores diesel) el aire se comprime hasta unatemperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del


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combustible, y la combustin inicia al contacto, cuando el combustible seinyecta dentro de este aire caliente. Por lo tanto, en los motores disel la

buja y el carburador son sustituidos por un inyector de combustible (verfigura 1.1) [2].

Figura 1.1. En los motores disel la buja es reemplazada por un inyector decombustible, y slo se comprime el aire durante el proceso de compresin [2].

El ciclo ideal que se utiliza como modelo del motor de ignicin porcompresin es el ciclo por compresin, mostrado en la figura 1.2.

El ciclo comienza con el mbolo en el PMI (punto muerto inferior),estado 1; el aire se comprime isoentrpicamente hasta el estado 2 en elPMS (punto muerto superior); se suministra calor a presin constante(representando la inyeccin y combustin del combustible) hasta que sealcanza el estado 3; se produce una expansin isoentrpica hasta elestado 4 en el PMI; el ciclo se completa con la cesin de calor a volumenconstante hasta que se devuelva el aire al estado inicial. Observese que

la carrera de potencia incluye el proceso de suministro de calor y elproceso de expansin [3].


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6

Figura 1.2. Diagrama de presin en funcin del volumen especifico (a) y temperaturaen funcin de la entropa (b) para el ciclo disel [2].

1.3. Rendimiento trmico

El rendimiento trmico del ciclo se expresa como [3]:

= = 1

(1.1)Donde:

Wneto = trabajo neto del ciclo en KJ, KJ/Kg o W en el SI. Qent = Calor de entrada en KJ, KJ/Kg o W.

Qsal = Calor de salida del ciclo en KJ, KJ/Kg o W.

1.4. Calor de entrada y salida en el ciclo Diesel

Para los procesos a volumen constante y a presin constante se tiene[3]:

= 4 1(1.2)


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7

= 3 2

(1.3)

Donde:

Qsal = calor de salida del ciclo en KJ, KJ/Kg o W en el SI.

Qent = calor de entrada del ciclo en KJ, KJ/Kg o W.

= flujo msico del fluido de trabajo en Kg/s. Cv y Cp = calores especficos a volumen constante y presin

constante respectivamente en KJ/Kg. K.

T1, T2, T3 y T4 = temperaturas para cada estado del ciclodisel.

1.5. Caractersticas constructivas del motor disel

La constitucin de los motores disel es anloga a la de los motoresde gasolina. En la figura 1.3 se muestra, en seccin, un motor disel Fordde 1.8 L de cilindrada turboalimentado, que desarrolla una potencia de 75cv a 4500 rpm. En ella se pueden apreciar la situacin del rbol de levasen la culata, el mando de la distribucin por correa dentada, loscolectores, las vlvulas, los mbolos, etc. Todo ello tiene la mismaconfiguracin que los motores de gasolina. Tambin se ve el

turbocompresor que no es un accesorio exclusivo de estos motores yaque tambin se emplea en los motores sobrealimentados de gasolina.

Figura 1.3. Motor Ford 1,8 Turbo Disel de 75 cv [1].


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8

En la figura 1.4 muestra un embolo y sus segmentos con detalles de lassecciones de la garganta y del recubrimiento de molibdeno en los aros de

compresin. Por otro lado, la superficie de la cabeza del embolo, queforma parte de la cmara de compresin, puede adoptar diversas formas,llegando, en algunos casos, a que la cmara queda totalmente integradaen ella [1].

Figura 1.4. Pistn para motor disel [1].

1.6. Relacin de compresin

La relacin de compresin en un ciclo viene representada por elvolumen mximo alcanzado entre el volumen mnimo [2]:

=

= 1

2= 1

2

Donde:

V1 y V2 = volmenes del estado 1 y 2 respectivamente en m3parael SI.


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v1 y v2 = volmenes especficos del estado 1 y 2 respectivamenteen m3/Kg.


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II. OBJETIVOS

2.1. Objetivo General

2.1.1. El estudiante al finalizar la practica debe saber determinar las curvas

de funcionamiento del motor Diesel (manteniendo la velocidad constante y

variando la carga) y realizar un balance trmico de la unidad.

2.2. Objetivos Especficos

2.2.1. Dar ejemplos y explicar ejemplos de aplicacin industrial o comercial

del motor Diesel.

2.2.2. Explicar el principio de funcionamiento de un motor Diesel.

2.2.3. Mencionar las ventajas que tiene el motor Diesel sobre otros motoresde combustin interna.

2.2.4. Conocer y explicar cmo influyen los distintos parmetros propios delmotor en sus curvas caractersticas.

2.2.5. Elaborar un procedimiento para la evaluacin experimental de losparmetros caractersticos del motor.

2.2.6. Conocer y operar el equipo experimental del motor Diesel dellaboratorio.


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III. MATERIALES, EQUIPOS Y SUSTANCIAS UTILIZADAS.

3.1. Sustancias

3.1.1. Combustible gas-oil:

Densidad: 0,85 (kg/L)

3.1.2. Agua:

Densidad: 0,997 (kg/L)

3.2. Equipos

3.2.1. Banco de prueba conformado por:

3.2.1.1. Motor Diesel:

Marca: Electromotoren Werke Kaiser.

Potencia: 15 HP.

Revoluciones: 1200 rpm.

3.2.1.2. Alternador Elctrico:

Marca: Electromotoren Werke Kaiser.

Potencia: 0,35 Kw.

Voltaje: 40 V.

3.2.1.3. 3 Transformadores Monofsicos:

Marca: Ruhstrat.

Corriente: 0,5 - 6,0 amp. Voltaje: 240 V.

3.2.1.4. Caudalmetro:

Capacidad: 8 GPM.


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Apreciacin: 0,25 GPM.

3.2.1.5. 3 Ampermetros:

Capacidad: 40 amp.

Apreciacin: 2 amp.

3.2.1.6 Termmetros:

Marca: BRANNAN Capacidad: 100 C.

Apreciacin: 1 C.

3.2.1.7. Termopar:

Capacidad: 1000 C.

Apreciacin: 20 C.

3.2.1.8 2 depsitos de combustible

Capacidad: 200ml. Apreciacion: 100ml

3.3. Materiales

3.3.1 Cronometro de celular:

Marca: Sony.

Apreciacin: 0,01 seg.


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IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1 Se abri la vlvula de admisin de combustible del motor Diesel.

4.2 Se abri la vlvula de escape y se realiz el giro de la manivela paraencender el motor.

4.3 Se esper unos minutos hasta que el sistema se estabilizara para leerlos termmetros sin fluctuaciones en las medidas.

4.4 Se ajust el valor de la corriente en 0 amp y 120 volt para el

transformador trifsico.4.5 Se inici el conteo de tiempo con el cronometro cuando el combustible

paso por la primera marca de bureta calibrada.

4.6 Se midi el tiempo que tard el motor en consumir 100ml decombustible.

4.7 Inmediatamente al terminar de consumir los 100ml, se midieron losvalores de temperatura de entrada y salida del agua y temperatura delos gases de escape.

4.8 Se vari la carga mediante la configuracin del sistema de carga yfreno para corrientes de 10, 14, 18 y 22 amperes repitiendo los pasosdesde (4.5) hasta el (4.7) para las distintas cargas respectivas.

4.9 Se abri la vlvula de descarga, cortando el paso de combustible paraque dejara de funcionar el motor completamente.


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15

Figura 5.1 Grafica del comportamiento de la potencia al freno con respecto al porcentaje de

carga

Figura 5.2 Grafica del comportamiento del consumo horario de combustible con respecto alporcentaje de carga

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 20 40 60 80 100

Potencia al freno vs Porcentaje decarga (%)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 20 40 60 80 100

Consumo horario especifico deCombustible vs Porcentaje de Carga


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Figura 5.3 Grafica del comportamiento del rendimiento del motor con respecto al porcentaje

de carga

Figura 5.4 Grafica de comparativa de potencia al freno, rendimiento del motor y consumo

horario especifico de combustible con respecto a la potencia producida

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0 20 40 60 80 100

Rendimiento del motor vs Porcentajede carga (%)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 20 40 60 80 100

Comparacion de parametros

Potencia al freno

Rendimiento del

motor

Consumo

horario

especifico de

combustible


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17

Figura 5.5 Grafica del comportamiento del consumo horario especifico de calor con respectoa la potencia producida

Figura 5.6 Grafica del comportamiento del consumo horario de combustible con respecto a lapotencia producida

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Consumo horario especifico de calorvs Potencia producida

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Consumo de combustible vs PotenciaProducida


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Figura 5.7 Grafica del comportamiento del rendimiento global del grupo con respecto a la

potencia producida

Figura 5.8 Grafica de comparativa de consumo de combustible, rendimiento global y

consumo horario especifico de calor con respecto a la potencia producida

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Rendimiento Global vs Potenciaproducida

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3

Comparacion de parametros

Consumo de

combustible

Rendimiento

global

Consumo

horario

especifico de

calor


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19

Figura 5.9 Balance trmico de la unidad


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20

VI. ANLISIS DE RESULTADOS

En la tabla 5.1, se muestran todos los parmetros y su variacin conrespecto a la aplicacin del freno electromagntico. Al observar la potenciaproducida por el grupo, se tiene que este parmetro depende de las variablesmanipulables del sistema como es el voltaje y el amperaje, y de acuerdo aque una vez que se hace la lectura de estos valores todo el equipo y suselementos trabajan en conjunto, la eficiencia de la correa y del alternadorforman parte de la potencia producida por el grupo. Para la carga 1 se tieneque es cero porque no interviene el freno en ningn sentido; a medida que lacarga aumenta, se tiene que, la potencia del grupo aumenta dado a que estaes proporcional a la diferencia de potencial y la intensidad de corriente de

trabajo.

La rata calorfica tiene tendencia a aumentar por motivo del consumode combustible. El motor diesel tiende a consumir el combustible en menostiempo cuando no tiene carga, caracterstica observada en los vehculos,comparando el rendimiento del combustible cuando se realiza un viaje contan solo el piloto con respecto a cundo el vehculo est completamentecargado (pasajeros, equipaje, maletas, etc.). En cuanto al rendimiento delmotor, se tiene que este depende de la potencia efectiva, la cual noconsidera las prdidas por la eficiencia de la correa y del alternador, por lo

que el rendimiento del motor siempre ser mayor que el global.

Al observar la figura 5.1 se resume que, la tendencia de la grfica esconsecuencia de que se comparan dos trminos dependientes uno del otro,el aumento de la carga produce una potencia al freno y viceversa.

De la figura 5.2 se tiene que, al mencionar el consumo horarioespecifico, la potencia del grupo forma parte de este consumo decombustible, al inicio de la grfica se denota que al no haber presencia delfreno, no hay potencia efectiva ni potencia de grupo, por lo que no es posible

medir el parmetro en estudio; de la carga 2 a la 5 se tiene que el consumoes de tendencia a disminuir de acuerdo a que cuando aumenta la carga,aumenta la potencia de freno y esta ltima es inversamente proporcional alconsumo de combustible.

En la figura 5.3 se muestra que el rendimiento del motor de acuerdo alporcentaje de carga; de la carga 2 a la 5, se muestra este comportamiento


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ascendente por motivo de que el rendimiento del motor es directamenteproporcional a la potencia efectiva, y esta ltima depende de forma directa de

la diferencia de potencial e intensidad aplicada en el freno. El rendimiento delmotor se pone a prueba para cuando se aplica una carga.

En la figura 5.4 se comparan los trminos antes mencionados yrepresentados en la figura 5.1, 5.2 y 5.3.

En la figura 5.5, el consumo horario especfico de calor es otravariable que depende de la potencia efectiva, a pesar que el calor tengatendencia a aumentar; el trmino especfico lo hace dependiente de lapotencia, la cual es inversamente proporcional. De la figura 5.6 se tiene que

el consumo aumenta de acuerdo a la potencia producida dado a que paraproducirla se necesita de ms combustible. Los motores requieren de mayorcantidad de combustible a medida que se les exige desempeo, otra formade referirlo es por medio de la transformacin de energa, si existe altademanda de energa es necesario administrar mayor cantidad de energa notransformada para el sistema.

Para la figura 5.7, se detalla que el rendimiento global, es una variableque va en funcin de la potencia del grupo, la cual es directamenteproporcional a la potencia producida, por lo cual resulta el comportamiento de

la figura en estudio.La figura 5.8 es un resumen de las 3 mencionadas anteriormente, la

cual permite dar a conocer el comportamiento de los parmetros de consumode combustible, rendimiento global y consumo horario especifico de calor conrespecto a la potencia producida.

En la figura 5.9 se detalla que, la nica energa que entra en elvolumen de control, para este caso el motor y todo el conjunto, es laproporcionada por el combustible, el trabajo producido es sacado del sistemapor medio de la aplicacin del freno electromagntico, por el escape se

liberan los gases de la combustin, el agua pierde energa al pasar por elradiador y las prdidas a causa del ambiente provienen del calor del motorque sede al ambiente cuando este se encuentra en plena operacin.

Br. Henry Jess Ros H.

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ANLISIS DE RESULTADOS

6.1. La tabla 5.1 muestra cuantitativamente los resultados obtenidos en laprctica, entre estos se puede observar que para la misma carga, la potenciaal freno es de 1,1228 KJ la cual mayor que la potencia producida por el grupo0,9353 KW, esto se debe a las prdidas que se generan tanto en la correacomo en el alternador. La potencia al freno representa la potencia disponibleen el eje del motor y por esto es la misma que la potencia efectiva.

6.2. En la grfica de la figura 5.1 y 5.3 se observa como el incremento de lapotencia al freno es directamente proporcional al porcentaje de la carga (Con20% de la carga se tiene aproximadamente 0,5 KJ de potencia al freno y

para 40% de carga se tiene aproximadamente 1KJ de potencia al freno), ascomo el rendimiento del motor tiene un comportamiento casi lineal conrespecto a la carga.

6.3. La figura 5.1 refleja como el consumo horario especfico de combustiblefue incrementando directamente proporcional a la carga desde 0 hasta 40%,luego a medida que el porcentaje de carga fue incrementado desde 40 aaproximadamente 80 dicho consumo fue disminuyendo.

6.4. La grfica mostrada en la figura 5.4 no es ms que una superposicin delas anteriores grficas mostradas en las figuras 5.1, 5.2 y 5.3, con la

intencin de observar una comparacin de los parmetros con respecto a lacarga.

6.5. En la figura 5.5 se muestra como al principio el consumo horarioespecfico de calor es mayor (27,9234) para una potencia efectiva producidade 1,1228 KW y a medida que esta va aumentando hasta 2,3723 KW elconsumo horario especfico de calor hace lo contrario disminuyendo hasta16,5241, esto debido a que se necesita mucha energa proveniente delcombustible lo que genera mayor produccin de calor y al aumentar la cargaeste va disminuyendo. El combustible no proporciona tanta energa en forma

de calor al sistema como al principio ya que a medida que aumenta lapotencia esta energa se convierte en trabajo producido por el combustible.

6.6. El consumo de combustible aumenta de 2,1857 a 2,8868 a medida que

se incrementa la carga, esto es debido a la exigencia de mayor potencia en

el sistema como se puede observar en la figura 5.6.


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6.7. En la figura 5.7 se observa que mientras mayor es la potencia producida

por el motor mayor es la eficiencia global aunque la variacin de este no es

muy significativa (de 0.0358% a .06051%), este aumento de eficiencia es

debido a la exigencia de trabajo hacia el motor que hace que la energa

proveniente de la combustin del combustible se convierta en trabajo y no en

calor.

6.8 La grfica mostrada en la figura 5.8 al igual que la 5.4 no es ms que otra

superposicin de las grficas mostradas en las figuras 5.5, 5.6 y 5.7, con la

misma intencin de comparar los parmetros.

6.9 Finalmente la figura 5.5 muestra el balance trmico de la unidad, donde

se observa que toda energa proviene del suministro de calor por

combustin, y este es transformado en trabajo mediante la expansin del

volumen de control y otras porciones de este son absorbidas por el agua de

enfriamiento del motor y por los gases necesarios para el mismo proceso de

combustin, los cuales son liberados como gases de escape.

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VII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

7.1. Conclusiones

El consumo de combustible incrementa a medida que seaplican las diferentes cargas del freno electromagntico.

El rendimiento global es menor que el rendimiento efectivodado a que este depende de la eficiencia de la correa y delalternador.

El consumo horario especfico de combustible depende de lapotencia del grupo y por lo tanto, disminuye al incrementar lapotencia producida.

La potencia efectiva y global no dependen de la carga 1 dado aque no hay diferencia de potencial e intensidad de corrienteaplicada al freno.

7.2. Recomendaciones

Se requiere de un mayor rango de cargas aplicadas al frenopara realizar un estudio ms completo del rendimiento de unmotor.

Contar con un motor de encendido por chispa al cual se leaplicaran las mismas cargas y as establecer diferencias entreel rendimiento.

Realizar prcticas variando la velocidad del motor con unamisma carga.

Hacer un instructivo ms completo de los elementos queconforman el sistema, tal que el alumno pueda operar elequipo.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

7.1. Se logr determinar las diferentes curvas de funcionamiento del motorDiesel y se realiz el balance trmico de dicho unidad.

7.2. Se explic el principio de funcionamiento del motor Diesel explicandosus etapas.

7.3. Se nombraron las ventajas y desventajas del motor Diesel conrespecto a otros motores de combustin interna.

7.4. Utilizando las frmulas correspondientes se obtuvieron valores de losdistintos parmetros del motor Diesel para poder conocer y explicar cmo

influan estos.

7.5. Se conoci y se aprendi satisfactoriamente a operar el equipoexperimental de motor Diesel.

7.6. Mientras mayor sea el requerimiento de potencia mayor ser lacantidad de combustible necesaria.

7.6. Se podra aadir otro motor de combustin en el laboratorio paracomparar experimentalmente los parmetros obtenidos.

7.7. Haciendo un mantenimiento para lograr un mejor funcionamiento, yoptimizando los equipos de medicin, se podran obtener resultados msconfiables.

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VIII. BIBLIOGRAFA

1. Ceac. (2004) Manual CEAC del automvil. Ediciones CEAC,Espaa.

2. Cengel, Y. y Boles, M. (2009) Termodinmica. Sexta edicin,Editorial McGraw-Hill, Mxico.

3. Potter, M. y Somerton, C. (2004) Termodinmica para ingenierosSchaum. Editorial McGraw-Hill, Mxico.


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APNDICES

APNDICE A: MUESTRA DE CLCULOS Clculo de Consumo horario de combustible:

= =100 0,85

140 1

10003600

1 = 2,18571

Donde:

V: volumen de combustible consumido [l]

t: tiempo [h]

: densidad del gas-oil [kg/l]

Clculo de Potencia producida por el grupo:

= (3 cos =3 10 120 0,45)/1000= 0,93530

Donde:

V: voltaje [V]

I: intensidad de corriente [A]

Clculo de Poder calorfico del gas-oil:

= 4,186 6600 + 3000 = 4,186 6600 +30000,85

= 42401,71765


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Clculo de Rata calorfica de combustible:

= = 2,18571 42401,71765 13600= 25,7439

Clculo de Consumo horario especfico de calor:

= =26,117 0,93530 = 27,923

Clculo de Consumo horario especfico de combustible:

= =2,21739/0,93530 = 2,3708 .

Clculo de Consumo horario de agua:

= 6 = 6

0,997

601 = 358,92

Clculo de Potencia efectiva:

= =0,93530 0,98 0,85 = 1,12280 Donde:

c: eficiencia de la correa [adimensional]

a: eficiencia del alternador [adimensional]

Clculo de Consumo horario especfico efectivo de combustible:

=

=2,21734 /

1,12280 = 1,97483

.


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Clculo de Rendimiento global del motor:

= =1,12280 26,117 = 0,04299

Clculo de Rendimiento del grupo:

= =0,93530

26,117 = 0,035812

Clculo de Potencia al freno:Por definicin la potencia del grupo es igual a la potencia al freno, la

cual es la que se proporciona mediante la corriente elctrica.

Porcentaje de carga:

% = 100 = 10 26,24 100 = 38,10976%


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APNDICE B: ASIGNACIN

1. Considere un ciclo diesel ideal con estndar de aire en donde elestado antes del proceso de compresin es de 95kPa, 290K y larelacin de compresin es 20. Considere los calores especficosconstantes a la temperatura ambiente. Determinar: (a) Los diagramasP-v y T-s, (b) La temperatura mxima que debe tener el ciclo para quela eficiencia trmica sea 60%, (c) La presin mxima del ciclo, (d) Lasalida de trabajo neto, (e) Los calores en el ciclo y (f) La presinmedia efectiva.

a) Los diagramas correspondientes al ciclo Diesel se muestran a

continuacin en la figura B1 y B2:

Figura B1. Diagrama de temperatura en funcin de la entalpia para un ciclo Diesel.


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31

Figura B2. Diagrama de Presin en funcin del volumen especfico para un cicloDiesel.

b) La temperatura mxima del ciclo para una eficiencia de 60 %requiere de ciertos parmetros previos para obtenerse.

De acuerdo a la relacin isotrpica para Cv y Cp constantes setiene la ecuacin B1:

21= 12(B1)

Donde:

V1/V2 = 20 K = 1,400 para el aire (Tabla Cengel)

T1 = 290 K

Entonces T2 = 961,19 K

Si P2 = P3, para la compresin isotrpica de 1-2 se tiene:

21=

21

(B2)


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32

Donde:

T2 = 961,19 K

T1 = 290 K K = 1,400 (Tabla del Cengel)

P1 = 95 KPa

Entonces P2 = 6297,42 KPa = P3 = Pmax.

A travs del siguiente procedimiento, el cual no es el usualmenteaplicado dado los datos y caractersticas del problema, sedetermin la temperatura mxima del ciclo (T3), T4 y el volumenespecifico 3.

A partir de la siguiente expresin se determin v1:

= = =

(B3)

Donde:

R = 0,287 KJ/Kg. K (Tabla Cengel)

T1 = 290 K

P1 = 95 KPa

Entonces v1 = 0,876 m3/Kg.

A partir de una relacin de gases ideales entre 2-3 se tiene losiguiente:

2 22 =

3 33

22=

33

(B4)

A travs de la expresin de la relacin de compresin de r = V1/V2se determin el volumen especfico 2 (v2):

12= 20


33/53

33

(B5)

Donde: v1 = 0,876 m3/ Kg


Tomando en cuenta la expresin B4 y los datos calculados, setiene lo siguiente expresin:

= ,

(B6)

A partir de la expresin de la eficiencia trmica se tiene, de formaresumida, lo siguiente:

0,6 = 3 2

(B7)

Y la ecuacin:

= 3 2 4 1(B8)

Se tiene la siguiente ecuacin:

, = , + , (B9)

Y por ltimo, para relacionar estas ecuaciones se tiene la siguiente

ecuacin de la relacin de expansin insentrpica de 3-4:

=

(B10)


34/53

34

Donde:

v1 = v4 = 0,876 m3

/Kg K = 1,400 para el aire

Entonces, al combinar esas 3 expresiones en letra negrita (B6, B9y B10) se tiene la siguiente expresin:

21944,97 = 8821,87 3 178,17 0,94870,718 3, 3

(B11)

Con esta expresin, se calcul el volumen especfico 3, y a partirde ese dato se calcul el resto de los variables sealadas en las 3expresiones antes mostradas.

v3 = 0,1387 m3/Kg

T3 = 3043,78 K

T4 = 1456,03 K

c) La presin mxima del ciclo ya se calcul y es 6297,42 KPa.

d) El trabajo neto seria el siguiente:

Tomando en cuenta la expresin B7, se tiene lo siguiente:

0,6 = 3 2

Donde:

Cp = 1,005 KJ/Kg.K para el aire (Tabla del Cengel).

T3 = 3043,78 K.

T2 = 961,19 K.

Entonces Wneto = 1255,8 KJ/Kg

e) Para determinar los calores se tiene los siguiente:


35/53

35

= 3 2(B12)

Y tambin: = 4 1(B13)

Donde:

T1 = 290 K.

T2 = 961,19 K.

T3 = 3043,78 K.

T4 = 1456,03 K.

Cv = 0,718 KJ/Kg. K y Cp = 1,005 KJ/Kg. K para el aire

Entonces Qsal = 937,21 KJ/Kg y Qent = 2093 KJ/Kg.

f) La presin media efectiva para el ciclo es la siguiente:

= 1 2(B14)

Donde:

v1 = 0,876 m3/Kg.

v2 = 0,0438 m3/Kg.

Wneto = 1255,8 KJ/Kg.

Entonces la PME = 1509,01 KPa.

2. Las condiciones al comienzo de la comprensin en un ciclo Dieselestndar de aire son P1 = 200 kPa y T1 = 380 K. La relacin decompresin es de 20 y la adicin de calor por unidad de masa es de9000kJ/kg. Suponga calores especficos variables con la temperatura.Determine: (a) La temperatura mxima (K), (b) la relacin de corte deadmisin, (c) El trabajo neto por unidad de masa (kJ/kg), (d) la

eficiencia trmica, (e) La presin media efectiva (kPa), y (f) Grafiquetodas la variables calculadas anteriores (desde (a) hasta (e)) pararelaciones de compresin desde 5 hasta 25. (Use las tablas delCengel).

a) Para determinar la temperatura mxima se tiene:


36/53

36

Tomando la relacin de compresin con el volumen relativo

correspondiente a cada volumen se tiene lo siguiente:

21=

21

(B15)

Donde:

V1/V2 = 20

Vr1 = 343,4 segn tabla.

Entonces Vr2 = 17,17

Para la temperatura 2 se tiene lo siguiente:

Tabla B1. Interpolacin para determinar temperatura

vr T17,886 112017,17

16,946 1140

A travs de la interpolacin de los valores sealados se tiene queT2 = 1135 K.

A partir de esto, no se sealaran las interpolaciones realizadaspara evitar el exceso de hojas.

De acuerdo a la expresin:

1 =

(B16)

Donde:

R = 0,287 KJ/Kg. K para el aire.

T1 = 360 K.


37/53

37

P1 = 200 KPa.

Entonces v1 = 0,5453 m3

/Kg.Para el volumen especifico 2 sencillamente se tiene que v2 =0,5453/20 = 0,027 m3/Kg.

Para calcular la Presin 2 se tiene en cuenta la relacin de gasesideales y se expresa de la siguiente forma:

2 22 =

1 11

(B17)

Donde:

P1 = 200 KPa.

v1 = 0,5453 m3/Kg.

v2 = 0,027 m3/Kg.

T1 = 380 K.

T2 = 1135,23 K.

Entonces P2 = 11949,79 KPa.

Para esa misma temperatura 2, se obtiene la entalpia 2 a travsde un procedimiento de interpolacin, y h2 = 1202,02 KJ/Kg.

Teniendo en cuenta el calor de entrada de 900 KJ/Kg se tiene losiguiente:

= 3 2(B18)

Donde:

Qent = 900 KJ/Kg.

h2 = 1202,02 KJ/Kg.

Entonces h3 = 2102,02 KJ/Kg.


38/53

38

A partir de h3, se realiza un procedimiento de interpolacin paradeterminar T3, y se tiene que T3 = 1879,57 K.

b) Para determinar la relacin de cierre de admisin, se tiene que elvolumen especfico 3 es:

3 =

(B18)

Donde:

R = 0,287 KJ/Kg. K.

T3 = 1879,57 K.

P3 = P2 = 11949,79 KPa.


Y para la relacin seria con la siguiente ecuacin:

=32

(B19)

Donde:

v2 = 0,027 m3/Kg.

v3 = 0,04514 m3/Kg.

Entonces rc = 1,67

c) Para el trabajo neto se tiene que:

= 4 1(B20)

Se tiene que u1 es 271,69 KJ/Kg para el aire a esas condicionesde acuerdo a las tablas del Cengel.

Para obtener T4 y u4 se procede a realizar interpolaciones a partirde una relacin de volmenes relativos entre 3 y 4:


39/53

39

34=

34

(B21)

Donde Vr3 para la temperatura 3, es 3,42 de acuerdo a unainterpolacin.

Con la expresin B21 se determin que Vr4 = 41,31.

Entonces, para u4 y T4 se tiene que, por medio de interpolaciones,u4 = 628,203 KJ/Kg y T4 = 843,95 K.

A partir de esto, el calor de salida es 356,51 KJ/Kg.Entonces el Wneto seria:

= 900 (B22)

Donde:

Qsal = 356,51 KJ/Kg.

Entonces el Wneto = 543,49 KJ/Kg.

d) La eficiencia trmica del ciclo seria la siguiente:

=

(B23)

Donde:


Qent = 900 KJ/Kg.

Entonces nth = 60,387 %

e) La presin media efectiva para el ciclo seria la siguiente:


40/53

40

= 1 2

(B24)Donde:

v1 = 0,5453 m3/Kg.

v2 = 0,027 m3/Kg.



f) Para representar los parmetros anteriores por medio de grficas,variando la relacin de compresin de 5 a 25, se tom la condicinde variar los clculos de 5 en 5 para simplificarlo, por lo que lasrelaciones de compresin de estudio fueron: 5, 10, 15, 20 y 25.

En la tabla B2 se muestran los datos relacionados a los puntosevaluados en la pregunta a hasta la e:

Tabla B2. Variacin de las caractersticas del sistema de acuerdo ala relacin de compresin

r T3 (K) rc Wneto(KJ/Kg)

Eficienciatrmica (%)

PME (KPa)

5 1484,78 2,11 302,06 33,56 692,48

10 1661,37 1,84 440,68 48,96 897,88

15 1783,72 1,73 504,56 56,06 991,28

20 1879,57 1,67 543,49 60,38 1048,6

25 1959,3 1,61 571,04 63,44 1090,81

A partir de esto, se tienen las siguientes graficas:


41/53

41

Figura B3. Temperatura mxima del ciclo (temperatura 3) en funcin de larelacin de compresin.

Figura B4. Relacin de cierre de admisin en funcin de la relacin decompresin.

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25 30

Temperatura(K)

Relacin de compresin

Temperatura mxima del ciclo en funcin de la

relacin de compresin

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20 25 30

Relacindecierredeadmisin


Relacin de cierre de admisin con respecto a la



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42

Figura B5. Trabajo neto del ciclo con respecto a la relacin de compresin.

Figura B6. Eficiencia trmica de ciclo Diesel con respecto a la relacin decompresin.

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30

Trabajoneto(KJ/Kg)


Trabajo neto con respecto a la relacin de

compresin

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

Eficienciatrmica(%)


Eficiencia trmica del ciclo en funcin de la



43/53

43

Figura B7. Presin media efectiva en funcin de la relacin de compresin delsistema.

3. En el comienzo del proceso de compresin de un ciclo dual de aireestndar con una relacin de compresin de 18:1, la temperatura esde 27C y la presin es de 0.1 MPa. La relacin de presiones para laparte de volumen constante del proceso de calentamiento es de 1.5:1,mientras que la relacin de volmenes para la parte de presinconstante del proceso de calentamiento es de 1.2:1. Suponga caloresespecficos variables con la temperatura. Dibuje los diagramas P-v yT-s. Determine: (a) Todas la temperaturas y presiones del ciclo, (b) Elcalor suministrado y cedido en el ciclo, en kJ/kg, (c) El trabajo neto enkJ/kg, 8d) El rendimiento trmico y (e) La presin media efectiva parael ciclo, (Use la tablas del Cengel).

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25 30

PME(Kpa)


Presin media efectiva en funcin de la relacin

de compresin


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44

Figura B8. Diagrama de temperatura en funcin de la entalpia para un ciclo dual.

Figura B9. Presin en funcin del volumen especfico para un ciclo Dual.

En la figura B8 y B9 se muestras los diagramas T-s y P-vrespectivamente para un ciclo Dual.


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45

a) Para determinar todas las temperaturas y presiones del ciclo seprocede de la siguiente manera

Teniendo una relacin de compresin de 18, se busca el vr1 dela tabla del Cengel y de ah, a partir de la siguiente expresin,se obtiene el vr2:

12=

12

(B25)

Donde:

Vr1 = 621,2

V1/V2 = 31,06

Entonces Vr2 = 31,06.

A partir de esto, se determina T2 por medio de interpolaciones,como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla B3. Interpolacin para determinar la temperatura 2

T Vr920 32,1831,06

940 30,22

Entonces, T2 = 931,43 K. A partir de esto, no se mostraran lastablas correspondientes a cada interpolacin para no utilizartantas hojas, tal cual como se hizo en el ejercicio pasado.

Se procede a determinar v1 por medio de la siguiente

expresin:

1 =

(B26)


46/53

46

Donde:

R = 0,287 KJ/Kg. K. T1 = 300 K.

P1 = 100 Kpa.


Con estos y a partir de la relacin de compresin de V1/V2 =18, se tiene que v2 = 0,04783 m3/Kg. v2 = vx para el ciclo, locual se muestra en la figura B9.

A partir de esto, aplicando la ecuacin B26 sabiendo que T2 =

931,43 K, v2 = 0,04783 m3/Kg y R = 0,287 KJ/Kg. K, sedetermina P2, y se tiene que P2 = 5588,97 KPa.

Para determinar la temperatura de Tx, se tiene la relacin degases ideales como se muestra a continuacin:

2 22 =

3 33

(B27)

Donde: P3 = Px

Px/P2 = 1,5 de acuerdo a la relacin de presiones delcalor de admisin a volumen constante.

T2 = 931,43 K.

Entonces Tx = 1397,145 K.

Ahora, considerando la relacin de presin antes mencionada,Px = 8383,46 KPa.

A partir de la relacin de cierre de admisin, de V3/V2 = 1,2, secalcula v3 = 0,05739 m3/Kg.

Tomando la ecuacin B26 aplicada al punto 3 del ciclo y secalcula T3:


47/53

47

3 =3 3 Donde:

v3 = 0,05739 m3/Kg.

P3 = 8383,46 KPa.

R = 0,287 KJ/Kg. K. segn tabla.

Entonces T3 = 1676,89 K.

Teniendo en cuenta la expansin isentrpica de 3 a 4,previamente se hace una combinacin de la relacin decompresin con la relacin de cierre de admisin de la formacomo se muestra a continuacin:

=12=42

(B28)

Y para la de cierre de admisin:

=32

(B29)

Combinando estas expresiones se tiene lo siguiente de acuerdoa las variables que se necesitan calcular:

43= 15

(B30)A partir de esto, teniendo que T3 = 1676,39 K se determina pormedio de interpolaciones que Vr3 = 4,985.

A partir de la relacin de volmenes relativos entre 3 y 4, comose muestra a continuacin:


48/53

48

43=

43

(B31)Donde:

Vr3 = 4,985

V4/V3 = 15

Se tiene entonces que Vr4 = 7,4775. Con este valor, sedetermina T4 por interpolacin y se tiene que T4 = 1479,43 K.

La presin en el punto 4 se determina por medio de la ecuacin

B26 de acuerdo a las condiciones de estudio, donde T4 =1479,43 K, R = 0,287 KJ/Kg. K y v1 = v4 = 0,861 m3/Kg, setiene que P4 = 493,14 KPa.

b) Para el calor de entrada se tiene que, el calor de entrada 1 espor volumen constante y se hace por energa interna, y el calorde entrada 2 se hace por presin constante con entalpia, comose muestra a continuacin:

1 = 2(B32)2 = 3 2(B33)

ux se determina por medio de que Tx = 1397,145 K y, pormedio de interpolaciones se tiene que ux = 1110,91 KJ/Kg.

Para u2 se tiene que T2 = 931,43 K y a travs deinterpolaciones con la tabla del Cengel se tiene que u2 = 700,88KJ/Kg.

Para h3 se tiene que T3 = 1676,39 K, por medio deinterpolaciones se tiene que h3 = 1851,07 KJ/Kg.

De la misma forma, con T2= 931,43 K se calcula h2 por mediode interpolaciones y se tiene que h2 = 968,26 KJ/Kg.


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49

Entonces a partir de las ecuaciones B32 y B33 se tiene queQent1 = 410,03 KJ/Kg y Qent2 = 882,81 KJ/Kg. Entonces, la

sumatoria de estos es el calor de entrada y es, Qent = 1292,84KJ/Kg.

c) El trabajo neto se determina por el cambio de energa internaentre los puntos 4 y 1, de siguiente forma:

= 4 1(B34)

Donde:

u1 = 214,07 KJ/Kg para 300 K.

u4 = 1186,42 KJ/Kg para T4 = 1479,43 (se obtuvo atravs de interpolaciones con la tabla del Cengel).

Entonces Qsal = 972,35 KJ/Kg. Para el trabajo neto seria Wneto= 1292,84972,35 = 320,49 KJ/Kg.

d) La eficiencia se determina a travs de la siguiente expresin:

=

(B35)Donde:


Qent = 1292,84 KJ/Kg.

Entonces la eficiencia trmica es de 24,79 %.

e) La presin media efectiva se calcula a travs de la siguienteecuacin:

= 1 2(B36)

Donde:

v1 = 0,861 m3/Kg.

v2 = 0,04783 m3/Kg.



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APNDICE C: ANEXOS

Figura C1. Motor Diesel utilizado en el experimento [fuente: Henry Ros].

Figura C2. Vista lateral del motor Diesel utilizado en la prctica [fuente: Henry Ros].


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Figura C3. Termmetro de la temperatura de salida del agua del motor [fuente: ArnaldoMartnez].


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Figura C4. Resistencias elctricas utilizadas para variar el amperaje del frenoelectromagntico [fuente: Arnaldo Martnez].

Documents

Informe Laboratorio III Motor Diesel