trabajo de termodinamica
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CARRERA
DE
I N G E N I E R Í A M E C Á N I C A A U T O M O T R I Z
TERMODINÁMICAING. FRAN REINOSO
TEMAAPLICACIÓN 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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PRIMERA LEY DE LA TERMO DINAMICA
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
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el cuerpo de la bomba), su presión se eleva a un nivel que depende de la velocidad de
rotación.
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.
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PRESIÓN.- La presión se mide igualmente en libras por pulgada cuadrada
(PSI) o en atmósferas (BAR). Si la presión cambia mientras la velocidad se
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.
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Fuente: Autores.
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 muestra 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
(minutos)
TEMPERATURA
(°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.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
102030405060708090
TEMPERATURA vs TIEMPO
TIEMPO (minutos)
TEM
PERA
TURA
(°C)
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.
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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 1,2 ft3/ s de agua.
a) DATOS
Pentra=10 PSI=68,95KPa
Psalida=50 PSI=344,74 KPa
V max=1,2ft3
s=0,03398
m3
s
b) DETERMINAR
Potencia Necesaria para bombear agua.
W=?(hp)
c) SUPOSICIONES
Flujo Estable de operación
∆ Ec ≈0
∆ Ep≈0
d) ESQUEMA
e) ANALISIS
Eentra−E sale=dEsistema
dt (KW )
(Qentra−Q sale)+(W entra−W sale )+(mentra−msale )=∆ Ec+∆ Ep+∆ EP
∆ Ec+∆ Ep→se eliminadebido aque los cambiosde energiacinetica y
potencial deel aguasoninsignificantes
W bomba=∆ EP
W bomba+m(Pv)1=m(Pv)2
W bomba=m(Pv)2−m(Pv )1
W bomba=m(P¿¿2−P1)v ¿
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m=Vv
W bomba=Vv
(P¿¿2−P1)v ¿
W bomba=V (P¿¿2−P1)¿
W bomba=(0,03398 ) m3
s× (344,74−68,95 ) KPa
1 KPa=103Pa=103 N
m2
W bomba=(0,03398 ) m3
s× (275,79×103 ) N
m2
W bomba=9,37×103 N .ms
1N .ms
=1Watt
W bomba=9,37 KWatt
La Potencia Necesaria para bombear agua (hp) es:
W bomba=(9,37 )KWatt∗( 1,341hp1 KWatt )
W bomba=12,6hp
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:
V max=W electrica
(P salida−Pentrada)
V max=9,37 KWatt
(344,74−68,95)K Pa
V max=(9,37) N∗m
s
(275,79)N
m2
V max=0,03398m3
s→
ft3
s
V max=1,2ft3
s
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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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